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Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es sind bereits Anordnungen bekannt, die einen lichtsensitiven Detektor und eine Einrichtung zum Fokussieren und/ oder geometrischen Begrenzen von Licht auf einen Detektionspfad umfassen. Insbesondere in konventionellen Laser-Scanning-Systemen können zur spektral sensitiven Lichtdetektion verschiedene Technologien verwendet werden.
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So ist es beispielsweise bekannt, einen Einzeldetektor für eine nicht simultane Bildgebung zu verwenden, wobei eine Erfassung der Farben Rot, Grün und Blau abwechselnd erfolgt. Es ist auch bekannt, für eine Fluoreszenzbildgebung ein Filterrad für einen Einzeldetektor mit einem Sperrfilter zu verwenden. Weiter ist es bekannt, Licht über einen Strahlteiler auf mehrere Detektionskanäle eines Detektors zu verteilen. Auch ist es bekannt, ein Spektrometer mit einem Gitter zur spektralen Verteilung von Licht auf sehr viele Felder eines Detektors mit gleicher Größe zu verwenden.
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Einigen bekannten Technologien haftet der Nachteil an, dass eine relativ langsame Aufnahmegeschwindigkeit bei der Bildgebung gegeben ist. Weiter kann es bei manchen Technologien nachteilig sein, dass Licht teilweise geblockt wird und nicht zur Bildgebung genutzt werden kann. Manche Technologien sind auch optisch relativ aufwändig zu realisieren und im Hinblick auf die Anzahl zu verwendender Detektionskanäle bei der Bildgebung begrenzt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung mit einem Detektor anzugeben, welche bei hoher Lichtempfindlichkeit Bilder möglichst schnell erzeugen kann.
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Die vorliegende Erfindung löst die zuvor genannte Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Zunächst ist erkannt worden, dass einige bekannte Technologien aufwändig, teuer und/ oder in der Regel relativ wenig lichtempfindlich sind und daher ein Bedarf nach einer Technologie besteht, die eine hohe Geschwindigkeit bei der Bildgebung durch parallele Nutzung von Detektorkanälen realisiert. Weiter ist erkannt worden, dass Lichtverluste durch Sperrfilter möglichst zu vermeiden oder völlig zu vermeiden sind. Weiter ist erkannt worden, dass ein Bedarf nach relativ einfachen und kompakten Aufbauten besteht, auch wenn diese viele Detektorkanäle zur Bildgebung aufweisen. Auch ist erkannt worden, dass ein Bedarf nach einem relativ einfach aufgebauten Spektrometer besteht, bei dem eine geringere optische und spektrale Auflösung erforderlich ist, um relativ problemlos eine hohe Lichtempfindlichkeit zu erreichen.
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Vor diesem Hintergrund ist erkannt worden, dass bei einer Technologie, welche die Nachteile des Stands der Technik vermeidet, in einem Detektionspfad eine Einrichtung vorgesehen sein muss, mittels welcher Licht spektral aufspaltbar ist, wobei mindestens eine optische Komponente vorgesehen ist, mittels welcher das spektral aufgespaltete Licht auf eine Detektionszeile eines Detektors lenkbar ist. Durch die spektrale Aufspaltung kann Licht in Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen aufgespaltet werden. So kann ein weites Farbspektrum erzeugt werden, dessen einzelne Wellenlängen unterschiedlichen Bereichen auf der Detektionszeile zugeordnet werden können. Darauf ist erkannt worden, dass die Detektionszeile Felder aufweisen muss, auf die jeweils Licht mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen auftrifft, um so einzelne Felder getrennt voneinander analysieren und auswerten zu können. So kann simultan eine Vielzahl von Wellenlängen des Lichts mit hoher Empfindlichkeit detektiert und zur Bildgebung verarbeitet werden.
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Durch die genannte Anordnung ist vorteilhaft kein mechanisches Filterrad erforderlich, und es geht auch kein Licht durch Sperrfilter verloren. Es ist eine simultane Aufnahme verschiedener Bildmodi ohne Geschwindigkeitsverlust möglich, und Bilder verschiedener Bildmodi können exakt zeitgleich aufgenommen werden, so dass sie besser kombinierbar und untereinander vergleichbar sind als mit Anordnungen des Stands der Technik.
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Die genannte Anordnung ist sehr flexibel, weil die genannten Felder spektralen Segmenten zuordenbar sind, deren Geometrien oder Lichtempfindlichkeiten an die Anforderungen verschiedener Anwendungen angepasst werden können.
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Solche spektralen Segmente aus Feldern der Detektionszeile können einzeln oder komplett zusammengeschaltet oder teilweise zusammengeschaltet ausgelesen werden.
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Im Vergleich zu einem Standard-Spektrometer kann eine Vorrichtung mit einer Anordnung der hier beschriebenen Art mit wesentlich weniger Segmenten bzw. Spektralbereichen, welche jedoch für die Anwendung von Relevanz sind, auskommen.
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Es ist überdies eine deutlich geringere spektrale Auflösung erforderlich, beispielsweise können nur sechs spektrale Segmente vorgesehen sein. Es ist vorteilhaft eine geringere optische Auflösung erforderlich, und die Anordnung ist lichtsensitiver als eine konventionelle Zeilenkamera.
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Vor diesem Hintergrund könnte der Detektor als Zeilendetektor ausgestaltet sein, dessen Detektionszeile durch eine analoge oder digitale Schaltung dynamisch in einzelne spektrale Segmente aufteilbar ist, wobei jedes spektrale Segment für die Erfassung oder im Hinblick auf die Sensitivität eines bestimmten Spektralbereichs konfigurierbar und/ oder im Hinblick auf seine spektrale Quanteneffizienz konfigurierbar ist. Hierdurch ist die genannte Anordnung durch Verwendung einer geeigneten Elektronik sehr flexibel, weil jedes Segment an die Anforderung einer bestimmten Anwendung nur elektronisch angepasst werden kann. Die Anordnung muss nicht durch Änderung des optischen Aufbaus, insbesondere eines Strahlengangs, körperlich an bestimmte Anwendungen angepasst werden.
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Die Felder der Detektionszeile könnten mehreren aufeinander folgenden spektralen Segmenten zugeordnet sein oder solche spektralen Segmente bilden. So kann die räumliche oder geometrische Erstreckung eines spektralen Segments eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich könnte die Detektionszeile in verschiedene spektrale Segmente unterteilt sein, die jeweils Licht aus verschiedenen Spektralbereichen oder mit verschiedenen Wellenlängen erfassen. So kann die Detektionszeile an das erwartete zu erfassende Licht bzw. dessen Wellenlängenverteilung angepasst werden. Es können individuelle spektrale Segmente geschaffen werden, die für ganz bestimmte Lichtwellenlängen- oder Spektralbereiche empfindlich sind.
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Mindestens zwei oder mehr spektrale Segmente könnten sich in ihrer Größe oder räumlichen, insbesondere linearen und/ oder flächigen, Erstreckung voneinander unterscheiden, so dass unterschiedlich große spektrale Segmente Licht aus sich unterschiedlich weit erstreckenden Spektralbereichen oder aus unterschiedlich großen Intervallen der Wellenlängen detektieren.
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Außerdem ist es denkbar, die Detektionszeile an eine Intensitätsverteilung von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen anzupassen. Spektralbereiche mit erwartet geringerer Intensität könnten beispielsweise durch größere spektrale Segmente erfasst werden, um so die Lichtempfindlichkeit zu steigern. Die Detektionszeile kann an das spektrale Aufspaltungsverhalten der Einrichtung zum spektralen Aufspalten von Licht, beispielsweise an die Charakteristiken eines Prismas, angepasst werden.
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Es könnte eine Ausleseeinrichtung vorgesehen sein, welche einzelne Felder der Detektionszeile analog oder digital zu einem spektralen Segment oder zu mehreren spektralen Segmenten zusammenschaltet. Alternativ oder zusätzlich könnte die Ausleseeinrichtung die Detektionssignale eines spektralen Segments einzeln auslesen oder die Detektionssignale aller spektralen Segmente komplett zusammengeschaltet auslesen oder die Detektionssignale einzelner zu einer Gruppe zusammen geschalteter spektralen Segmente auslesen.
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Vor diesem Hintergrund könnte die Ausleseeinrichtung die Detektionssignale verarbeiten und/ oder zu einem Ausgangskanal zusammen schalten und mit einer Bilderstellungseinrichtung zusammenarbeiten, welche ein Bild oder mehrere Bilder erstellt, das bzw. die anhand von parallel und/ oder zeitgleich aus einem spektralen Segment oder mehreren spektralen Segmenten erhaltenen Detektionssignalen erzeugt ist bzw. sind. So ist eine schnelle Bildgebung mit hoher spezifischer Lichtempfindlichkeit realisiert.
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Die Einrichtung zum Begrenzen von Licht auf den Detektionspfad könnte als Lochblende ausgestaltet sein. Hierdurch ist eine Punktdetektion in einem konfokalen System möglich. Der Detektor ist als Punktdetektor verwendbar. Eine Lochblende wird im Englischen auch als „Pinhole“ bezeichnet.
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Die Einrichtung zum spektralen Aufspalten des Lichts könnte als ein Prisma oder ein Gitter ausgestaltet sein. Ein Prisma ist mechanisch robust und kann problemlos innerhalb einer Anordnung gedreht, rotiert oder geneigt werden. Ein Gitter kann besonders platzsparend in einer Anordnung eingesetzt sein.
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Die optische Komponente könnte als Linse oder als Hintereinanderschaltung mehrerer Linsen, bevorzugt mehrerer Zylinderlinsen, ausgestaltet sein. Durch eine Linse ist eine Fokussierung von Licht problemlos möglich.
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Die Detektionszeile könnte z. B. aus Silicon-Photomultipliern (SiPM) gefertigt sein. Diese Einrichtungen haben sich als besonders zuverlässig erwiesen, um Licht mit hoher Empfindlichkeit sicher zu detektieren.
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Eine Vorrichtung zur simultanen Aufnahme und/ oder Darstellung eines Bildes oder mehrerer Bilder auf Basis von simultan detektiertem Licht verschiedener Spektralbereiche, könnte eine Anordnung der hier beschriebenen Art aufweisen.
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Die Vorrichtung könnte simultan Echtfarbenbilder aus drei Farbkanälen, bevorzugt aus den Farbkanälen Rot, Grün und Blau (R, G, B), aufnehmen und/ oder darstellen. So ist eine schnelle farbige Bildgebung ermöglicht. In gleicher Weise ist die Vorrichtung auch zur Erfassung von Bildern außerhalb des sichtbaren Wellenlängenbereichs (z. B. Infrarot) geeignet.
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Die Vorrichtung könnte simultan Fluoreszenz- und Reflexionsbilder aufnehmen und/ oder darstellen. Hierdurch können verschiedene Lichtquellen bei der optischen Erfassung von organischen Strukturen verwendet werden. Es können simultan Bilder zu Diagnosezwecken und Bilder zu Orientierungszwecken bei der Untersuchung von organischem Gewebe aufgezeichnet und dargestellt werden.
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Die hier beschriebene Anordnung oder die zuvor genannte Vorrichtung könnte zur Durchführung einer Oxymetrie verwendet werden, nämlich um Sauerstoff im menschlichen oder tierischen Blut zu erfassen.
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Die hier beschriebene Anordnung oder die zuvor genannte Vorrichtung könnte zur Durchführung einer spektral aufgelösten Autofluoreszenzanalyse verwendet werden, um Stoffe zu identifizieren und/ oder um Strukturen, insbesondere im menschlichen oder tierischen Gewebe, zu erfassen.
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Die hier beschriebene Anordnung oder die zuvor genannte Vorrichtung könnte in einem Fluorescence-Lifetime-Imaging-Ophtalmoscope (FLIO) verwendet werden.
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Der hier beschriebene Detektor ist ein Photodetektor, der spektral sensitiv vorteilhaft nach Art einer Zeilenkamera mit variabler Segmentgröße arbeiten kann. Vorteilhaft umfasst der Detektor ein Photodetektor-Array zur spektral sensitiven Lichtdetektion.
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In der Zeichnung zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, welche eine Anordnung aufweist, welche einen Detektor mit einer Detektionszeile umfasst, die Felder aufweist, auf die jeweils Licht mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen auftrifft, und
- 2 eine schematische Darstellung einer Detektionszeile, bei der verschiedene Felder zu verschiedenen, unterschiedlich großen spektralen Segmenten zusammengefasst sind, und oben in 2 eine schematische Darstellung eines Lichtspektrums, welches sich von der Farbe Blau über die Farbe Grün zur Farbe Rot in farblichen Abstufungen kontinuierlich erstreckt, nachdem das Licht durch ein Prisma gemäß 1 aufgespalten wurde.
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1 zeigt insoweit eine Anordnung, insbesondere zur Verwendung in einer konfokalen Laser-Scanning-Vorrichtung, umfassend einen lichtsensitiven Detektor 1 und eine Einrichtung 2 zum Fokussieren und/ oder geometrischen Begrenzen von Licht auf einen Detektionspfad 3. Im Detektionspfad 3 ist eine Einrichtung 4 vorgesehen, welche das Licht spektral aufspaltet, wobei mindestens eine optische Komponente 5 vorgesehen ist, welche das spektral aufgespaltete Licht auf eine Detektionszeile 6 des Detektors 1 lenkt. 2 zeigt ergänzend zu 1, dass eine solche Detektionszeile 6 Felder 6i aufweist, auf die jeweils Licht mit jeweils unterschiedlichen Wellenlängen auftrifft.
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1 zeigt, dass der Detektor 1 als Zeilendetektor ausgestaltet ist, dessen Detektionszeile 6 durch eine analoge oder digitale Schaltung 7 dynamisch in einzelne spektrale Segmente 6a-f aufteilbar ist, wobei jedes spektrale Segment 6a-f für die Erfassung oder im Hinblick auf die Sensitivität eines bestimmten Spektralbereichs konfigurierbar und/ oder im Hinblick auf seine spektrale Quanteneffizienz konfigurierbar ist.
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Die Felder 6i der Detektionszeile 6 gemäß 1 oder 2 sind elektronisch mehreren aufeinander folgenden spektralen Segmenten 6a-f bzw. 6a-e zugeordnet und bilden solche spektralen Segmente 6a-f bzw. 6a-e. Es sind gemäß 1 nur sechs spektrale Segmente 6a-f vorgesehen. 2 zeigt eine Detektionszeile 6 mit nur fünf spektralen Segmenten 6a-e.
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Die Detektionszeile 6 gemäß 1 oder 2 ist in verschiedene spektrale Segmente 6a-f bzw. 6a-e unterteilt, die jeweils Licht aus verschiedenen Spektralbereichen oder mit verschiedenen Wellenlängen erfassen. Alle Felder 6i sind gleich groß.
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1 und 2 zeigen, dass sich mindestens mehr als zwei spektrale Segmente 6a-f bzw. 6a-e in ihrer Größe oder räumlichen, nämlich linearen und/ oder flächigen, Erstreckung voneinander unterscheiden, so dass unterschiedlich große spektrale Segmente 6a-f bzw. 6a-e Licht aus sich unterschiedlich weit erstreckenden Spektralbereichen oder aus unterschiedlich großen Intervallen der Wellenlängen des aufgespaltenen Lichts detektieren.
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Das Spektrum 12 mit blauen, grünen und roten Spektralbereichen ist oben in 2 schematisch dargestellt. Weiter unten in 2 ist dargestellt, dass das erste spektrale Segment 6a vier Felder 6i und das sich daran anschließende spektrale Segment 6b nur drei Felder 6i umfasst.
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Das erste spektrale Segment 6a mit vier Feldern 6i detektiert Licht mit einem Wellenlängenintervall aus dem blauen Spektralbereich, das fünfte spektrale Segment 6e mit drei Feldern 6i detektiert Licht mit einem Wellenlängenintervall aus dem roten Spektralbereich.
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1 zeigt auch, dass eine Ausleseeinrichtung 8 vorgesehen ist, welche einzelne Felder 6i der Detektionszeile 6 analog oder digital zu einem spektralen Segment 6a-f oder zu mehreren spektralen Segmenten 6a-f elektronisch zusammenschaltet.
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Die Ausleseeinrichtung 8 kann die Detektionssignale eines spektralen Segments 6a-f einzeln auslesen oder die Detektionssignale aller spektralen Segmente 6a-f komplett zusammengeschaltet auslesen oder die Detektionssignale einzelner zu einer Gruppe zusammen geschalteter spektralen Segmente 6a-f auslesen.
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Unter Anwendung einer und/ oder mehrerer der vorgenannten Möglichkeiten verarbeitet die Ausleseeinrichtung 8 die Detektionssignale und/ oder schaltet diese zu einem Ausgangskanal zusammen und arbeitet mit einer Bilderstellungseinrichtung 9 zusammen, welche ein Bild 10 oder mehrere Bilder 10 erstellt, das bzw. die anhand von parallel und/ oder zeitgleich aus einem spektralen Segment 6a-f oder mehreren spektralen Segmenten 6a-f erhaltenen Detektionssignalen erzeugt ist bzw. sind.
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Konkret ist die Einrichtung 2 zum Begrenzen von Licht auf den Detektionspfad 3 als Lochblende ausgestaltet. Die Einrichtung 4 zum spektralen Aufspalten des Lichts ist als ein Prisma ausgestaltet. Das Licht wird in der als Detektionseinheit fungierenden Anordnung nach der Lochblende spektral zerlegt und über eine optische Komponente 5 auf die Detektionszeile 6 abgebildet.
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Die Detektionszeile 6 gemäß 1 besteht aus mehreren, im konkreten Beispiel sechs, lichtempfindlichen spektralen Segmenten 6a-f, welche direkt, nahezu lückenlos aneinandergereiht sind. Einzelne spektrale Segmente 6a-f unterscheiden sich bezüglich ihrer Größe voneinander und decken entsprechend unterschiedlich große Spektralbereiche ab. Die spektralen Segmente 6a-f können einzeln, komplett zusammengeschaltet oder teilweise zusammengeschaltet ausgelesen werden.
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Die optische Komponente 5 ist als Linse ausgestaltet. Die Detektionszeile 6 ist aus Silicon-Photomultipliern (SiPM) gefertigt.
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1 zeigt eine Vorrichtung 11 zur simultanen Aufnahme und/ oder Darstellung eines Bildes 10 oder mehrerer Bilder 10 auf Basis von simultan detektiertem Licht verschiedener Spektralbereiche, die eine Anordnung der zuvor beschriebenen Art aufweist.
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Die Vorrichtung 11 nimmt simultan Echtfarbenbilder aus drei Farbkanälen, bevorzugt aus den Farbkanälen Rot, Grün und Blau (R, G, B), auf und/ oder stellt diese dar. Simultan können auch weitere nicht sichtbare Wellenlängen (z. B. Infrarot und/oder Ultraviolett) erfasst werden.
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Die Vorrichtung 11 kann simultan Fluoreszenz- und Reflexionsbilder aufnehmen und/ oder darstellen. Die dynamische Konfiguration der spektralen Segmente 6a-f bzw. 6a-e, um sie an die jeweilige Anwendung bzw. den relevanten Spektralbereich anzupassen ist hier von besonderer Bedeutung.
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Die Zusammensetzung des Detektors 1 der Vorrichtung in spektrale Segmente 6a-f bzw. 6a-e wird durch eine analoge oder digitale Schaltung dynamisch realisiert. Somit wird für unterschiedliche Anwendungen kein Detektor mit festen bzw. unveränderlichen spektralen Segmenten benötigt, sondern der Detektor 1 lässt sich für jede Anwendung dynamisch konfigurieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Detektor
- 2
- Einrichtung zum Fokussieren
- 3
- Detektionspfad
- 4
- Einrichtung zum spektralen Aufspalten
- 5
- Optische Komponente
- 6
- Detektionszeile
- 6i
- Feld von 6
- 6a-f
- spektrales Segment
- 7
- Schaltung
- 8
- Ausleseeinrichtung
- 9
- Bilderstellungseinrichtung
- 10
- Bild
- 11
- Vorrichtung
- 12
- Spektrum von Blau nach Rot
