DE112020001779T5

DE112020001779T5 - Selbstkalibrierende spektralsensoren module

Info

Publication number: DE112020001779T5
Application number: DE112020001779.6T
Authority: DE
Inventors: Javier MIGUEL SÁNCHEZ
Original assignee: Ams Sensors Singapore Pte Ltd
Current assignee: Ams Sensors Singapore Pte Ltd
Priority date: 2019-03-27
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2022-03-03
Also published as: CN113692524B; WO2020197497A1; CN113692524A; US20220136898A1; US11821790B2

Abstract

Ein Beispielsystem umfasst eine erste Lichtquelle, eine zweite Lichtquelle, einen Fotodetektor und eine elektronische Steuereinrichtung. Die elektronische Steuervorrichtung kann die erste Lichtquelle veranlassen, ein erstes Licht innerhalb eines Wellenlängenbereichs in Richtung eines Subjekts zu emittieren, und unter Verwendung des Fotodetektors das von dem Subjekt reflektierte erste Licht messen. Die elektronische Steuervorrichtung ist auch betreibbar, um die zweite Lichtquelle zu veranlassen, zweites Licht zu emittieren, das eine Vielzahl von Emissionsspitzen innerhalb des Wellenlängenbereichs enthält, und unter Verwendung des Fotodetektors das zweite Licht zu messen. Die elektronische Steuervorrichtung ist auch in der Lage, auf der Grundlage des gemessenen ersten Lichts und des gemessenen zweiten Lichts spektrale Informationen über das Objekt zu bestimmen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Offenbarung bezieht sich auf spektrale Sensormodule zur Verwendung in Spektrometern.
HINTERGRUND
Ein Spektrometer ist ein Instrument zur Messung eines Lichtspektrums von Probenlicht (z. B. zur Bestimmung der Spektralkomponenten von ultraviolettem, sichtbarem und/oder infrarotem Licht). In einigen Ausführungen können Spektrometer die Intensität von Licht als Funktion der Wellenlänge oder der Frequenz bestimmen.
Spektrometer können für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen eingesetzt werden. Zum Beispiel können Spektrometer für Umweltanalysen, industrielle Überwachung, Farbmessungen und pharmakologische Studien eingesetzt werden.
Ein Lichtspektrum kann auf unterschiedliche Weise gemessen werden, z. B. durch direkte Messung oder indirekte Messung. Ein Spektrometer, das für die direkte Messung konfiguriert ist, kann beispielsweise verschiedene Lichtwellenlängen räumlich trennen (z. B. mit wellenlängendispersiven Vorrichtungen wie Beugungsgittern oder Prismen) und die Leistungsverteilung jeder Lichtwellenlänge einzeln messen (z. B. um das Spektrum in Bezug auf bestimmte Wellenlängen „direkt“ zu messen).
Ein weiteres Beispiel: Ein Spektrometer, das für indirekte Messungen konfiguriert ist, kann Licht gemäß einer Reihe bekannter spektraler Modulationsmuster modulieren und Messungen des modulierten Lichts erhalten. Jede Messung liefert Informationen, die von mehreren Wellenlängen und mit unterschiedlichen Gewichtungen übertragen werden, und kann zur Rekonstruktion des Spektrums des ursprünglichen Lichts verwendet werden (z. B. mit einer Multiplextechnik).
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Spektrometersystem kann verwendet werden, um Informationen über eine Probe (z. B. ein Objekt) auf der Grundlage der Eigenschaften von Licht zu bestimmen, das von der Probe reflektiert und/oder durch sie hindurchgelassen wird. Ein Spektrometersystem kann beispielsweise eine Lichtquelle umfassen, die Licht (z. B. Licht mit bekannten spektralen Eigenschaften) in Richtung der Probe aussendet, sowie einen Detektor, der das von der Probe reflektierte und/oder durch die Probe hindurchgehende Licht misst. Das Spektrometersystem kann die spektralen Eigenschaften des reflektierten und/oder durchgelassenen Lichts (z. B. die Verteilung des Lichts in Bezug auf einen Bereich von Wellenlängen) bestimmen und auf der Grundlage dieser Messungen Informationen über die Probe ermitteln. So kann das Spektrometersystem beispielsweise die physikalische Form oder das Profil der Probe, die Eigenschaften der Oberfläche der Probe und/oder die Zusammensetzung der Probe bestimmen.
In einigen Ausführungsformen kann ein Spektrometersystem Licht in Bezug auf eine bestimmte Wellenlänge oder einen bestimmten Wellenlängenbereich messen. Dies kann z. B. nützlich sein, da Lichtmessungen in Bezug auf bestimmte Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche bei der Bestimmung der Eigenschaften der Probe besonders nützlich sein können (z. B. im Vergleich zu Lichtmessungen in Bezug auf andere Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche). Dementsprechend kann das Spektrometersystem selektiv Licht innerhalb bestimmter Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche messen (z. B. solche, die mehr Informationen und/oder wünschenswertere Informationen über die Probe liefern), während Licht innerhalb anderer Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche nicht gemessen wird (z. B. solche, die weniger Informationen und/oder weniger wünschenswerte Informationen über die Probe liefern), um die Effizienz und Genauigkeit der Messungen zu verbessern.
In einigen Ausführungsformen kann ein Spektrometersystem Licht entsprechend einer bestimmten Wellenlänge oder einem bestimmten Wellenlängenbereich mit Hilfe eines Interferometers messen. Ein Interferometer ist ein Gerät, das Lichtinterferenz (z. B. durch Überlagerung von Lichtwellen) nutzt, um Informationen aus dem Licht zu gewinnen. Ein Interferometer kann beispielsweise von einer Probe reflektiertes und/oder transmittiertes Licht empfangen und durch Überlagerung des empfangenen Lichts entsprechend den verschiedenen Phasen selektiv eine Teilmenge des Lichts mit einer bestimmten Wellenlänge oder einem bestimmten Wellenlängenbereich zur Messung an den Detektor weiterleiten. Dementsprechend misst der Detektor nicht die Gesamtheit des von der Probe empfangenen Lichts, sondern eine begrenzte Teilmenge des empfangenen Lichts, die selektiv vom Interferometer übertragen wird.
In einigen Ausführungsformen kann ein Interferometer „abstimmbar“ sein, so dass ein System oder ein Benutzer eine bestimmte Wellenlänge oder bestimmte Wellenlängenbereiche des Lichts angeben kann, das vom Interferometer zur Messung übertragen wird. Der Ausgang eines abstimmbaren Interferometers kann beispielsweise von einer Eingangsspannung abhängen, die an das Interferometer angelegt wird. Die Eingangsspannung kann variiert werden, um die Wellenlänge oder den Wellenlängenbereich des Lichts einzustellen, das selektiv vom Interferometer zur Messung an den Detektor übertragen wird.
In einigen Fällen kann die Leistung eines Interferometers jedoch auch von anderen Faktoren abhängen, z. B. von der Temperatur der Umgebung. Außerdem kann die Leistung eines Interferometers während seiner Lebensdauer schwanken. Beispielsweise kann die Leistung eines Interferometers aufgrund der Oxidation einer oder mehrerer Komponenten (z. B. eines Spiegels des Interferometers) variieren, was die Leistung des Interferometers im Laufe der Zeit verändern kann (z. B. eine Drift der vom Interferometer ausgegebenen nominalen zentralen Nennwellenlänge verursachen, die effektive Länge des Hohlraums des Interferometers verändern usw.). Ein weiteres Beispiel ist, dass die Wasseraufnahme in den Materialien des Interferometers im Laufe der Zeit zu einer zusätzlichen Belastung der Komponenten des Interferometers führen kann, was physikalische Veränderungen zur Folge hat, die die Leistung des Interferometers im Laufe der Zeit verändern können (z. B. Biegung aufgrund des größeren Volumens). Ein weiteres Beispiel ist, dass ein Material im Laufe der Zeit an Volumen verlieren kann, was zu einer Änderung der mechanischen Anordnung des Interferometers und einer entsprechenden Änderung der Leistung führt.
Dementsprechend kann ein Interferometer als Reaktion auf eine bestimmte Eingangsspannung Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen abgeben (z. B. aufgrund von Temperaturschwankungen in der Umgebung, des Alters des Geräts usw.). Diese Schwankungen können die Genauigkeit und/oder Präzision der Messungen eines Spektrometersystems beeinträchtigen, insbesondere wenn das Spektrometersystem in unterschiedlichen Umgebungen und/oder in einer nicht regulierten Umgebung eingesetzt wird.
Um seine Leistung zu verbessern, kann das Spektrometersystem Referenzmessungen von Licht mit einer bekannten Spektralverteilung erhalten und Probenmessungen auf der Grundlage der Referenzmessungen kalibrieren. Beispielsweise kann das Spektrometersystem eine Lichtquelle enthalten, die Referenzlicht mit einer bekannten Spektralverteilung aussendet (z. B. Licht mit einer oder mehreren bekannten Intensitätsspitzen, die einer oder mehreren bekannten Frequenzen im Frequenzbereich entsprechen). Das Spektrometersystem kann das Referenzlicht messen (z. B. mit einem Interferometer und einem Detektor) und die Messungen mit den bekannten Eigenschaften des Referenzlichts vergleichen. Bei Abweichungen (z. B. wenn die gemessenen Intensitätsspitzen nicht mit den bekannten Intensitätsspitzen des Referenzlichts übereinstimmen) kann das Spektrometersystem die Messdaten so kalibrieren, dass sie die bekannten Eigenschaften des Referenzlichts besser widerspiegeln (z. B. mithilfe eines oder mehrerer mathematischer Anpassungsalgorithmen oder -techniken). In ähnlicher Weise können diese Kalibrierungen in Bezug auf eine oder mehrere Probenmessungen durchgeführt werden, um die Genauigkeit und/oder Präzision der Probenmessungen eines Spektrometersystems zu verbessern.
In einigen Fällen ermöglicht diese Selbstkalibrierungstechnik dem Spektrometersystem, Temperatur- und Leistungsschwankungen auszugleichen und genauere und/oder präzisere Messungen vorzunehmen. Außerdem kann das Spektrometersystem dank dieser Selbstkalibrierungstechnik in einem breiteren Spektrum von Umgebungen und Umgebungsbedingungen eingesetzt werden, und die effektive Betriebslebensdauer des Spektrometersystems wird verlängert.
In einem Aspekt umfasst ein System eine erste Lichtquelle, eine zweite Lichtquelle, einen Fotodetektor und eine elektronische Steuereinrichtung. Die elektronische Steuervorrichtung kann die erste Lichtquelle veranlassen, ein erstes Licht innerhalb eines Wellenlängenbereichs in Richtung eines Subjekts zu emittieren, und unter Verwendung des Fotodetektors das von dem Subjekt reflektierte erste Licht messen. Die elektronische Steuervorrichtung ist auch betreibbar, um die zweite Lichtquelle zu veranlassen, zweites Licht zu emittieren, das eine Vielzahl von Emissionsspitzen innerhalb des Wellenlängenbereichs enthält, und unter Verwendung des Fotodetektors das zweite Licht zu messen. Die elektronische Steuervorrichtung ist auch in der Lage, auf der Grundlage des gemessenen ersten Lichts und des gemessenen zweiten Lichts spektrale Informationen über das Objekt zu bestimmen,
Implementierungen dieses Aspekts können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen.
In einigen Ausführungen kann das erste Licht Breitbandlicht sein.
In einigen Ausführungen können die Wellenlängen der mehreren Emissionsspitzen gleichmäßig verteilt sein.
In einigen Ausführungsformen kann die elektronische Steuervorrichtung so betrieben werden, dass sie die spektralen Informationen über das Objekt bestimmt, indem sie einen oder mehrere Emissionsspitzen der Vielzahl von Emissionsspitzen im gemessenen zweiten Licht identifiziert und eine Darstellung des gemessenen ersten Lichts auf der Grundlage der identifizierten einen oder mehreren Emissionsspitzen umwandelt.
In einigen Ausführungsformen kann die Darstellung des gemessenen ersten Lichts einen Datensatz enthalten, der die spektralen Komponenten des gemessenen ersten Lichts angibt.
In einigen Ausführungsformen kann die elektronische Steuervorrichtung so betrieben werden, dass sie die Spektralinformationen über das Objekt bestimmt, indem sie eine Differenz zwischen dem gemessenen zweiten Licht und dem gemessenen ersten Licht ermittelt und eine Darstellung des gemessenen ersten Lichts auf der Grundlage der Differenz umwandelt.
In einigen Ausführungsformen kann die Darstellung des gemessenen ersten Lichts einen Datensatz enthalten, der die spektralen Komponenten des gemessenen ersten Lichts angibt.
In einigen Ausführungsformen kann die elektronische Steuervorrichtung so betrieben werden, dass sie die zweite Lichtquelle veranlasst, das zweite Licht in Richtung des Objekts zu emittieren, und mit Hilfe des Fotodetektors das vom Objekt reflektierte zweite Licht misst.
In einigen Ausführungsformen kann die elektronische Steuervorrichtung so betrieben werden, dass sie die zweite Lichtquelle veranlasst, das zweite Licht in Richtung eines Lichtleiters zu emittieren, der optisch mit dem Fotodetektor gekoppelt ist, und unter Verwendung des Fotodetektors das vom Lichtleiter emittierte zweite Licht zu messen.
In einigen Ausführungsformen kann die zweite Lichtquelle einen oder mehrere dielektrische Beschichtungsfilter und ein breitbandiges lichtemittierendes Element enthalten.
In einigen Ausführungen kann das breitbandige lichtemittierende Element eine Glühlampe sein.
In einigen Ausführungsformen kann das System außerdem eine Host-Vorrichtung umfassen. Die erste Lichtquelle, die zweite Lichtquelle, der Fotodetektor und die elektronische Steuervorrichtung können zumindest teilweise in dem Host-Gerät angeordnet sein.
In einigen Implementierungen kann das Host-Gerät mindestens ein Smartphone oder ein tragbares Gerät sein.
In einem anderen Aspekt umfasst ein Verfahren das Aussenden von erstem Licht innerhalb eines Wellenlängenbereichs in Richtung eines Subjekts und das Messen des von dem Subjekt reflektierten ersten Lichts. Das Verfahren umfasst auch das Aussenden von zweitem Licht, wobei das zweite Licht eine Vielzahl von Emissionsspitzen innerhalb des Wellenlängenbereichs aufweist, und das Messen des zweiten Lichts. Das Verfahren umfasst auch die Bestimmung von Spektralinformationen bezüglich des Objekts auf der Grundlage des gemessenen ersten Lichts und des gemessenen zweiten Lichts.
Implementierungen dieses Aspekts können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen.
In einigen Ausführungen kann das erste Licht Breitbandlicht sein.
In einigen Ausführungen können die Wellenlängen der mehreren Emissionsspitzen gleichmäßig verteilt sein.
In einigen Implementierungen kann die Bestimmung der spektralen Informationen über das Subjekt die Identifizierung eines oder mehrerer Emissionsspitzen der Vielzahl von Emissionsspitzen im gemessenen zweiten Licht und die Transformation einer Darstellung des gemessenen ersten Lichts auf der Grundlage der identifizierten einen oder mehreren Emissionsspitzen umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann die Darstellung des gemessenen ersten Lichts einen Datensatz enthalten, der die spektralen Komponenten des gemessenen ersten Lichts angibt.
In einigen Ausführungsformen kann die Bestimmung der spektralen Informationen über das Objekt die Bestimmung einer Differenz zwischen dem gemessenen zweiten Licht und dem gemessenen ersten Licht und die Umwandlung einer Darstellung des gemessenen ersten Lichts auf der Grundlage der Differenz umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann die Darstellung des gemessenen ersten Lichts einen Datensatz enthalten, der die spektralen Komponenten des gemessenen ersten Lichts angibt.
In einigen Ausführungsformen kann das Aussenden des zweiten Lichts das Aussenden des zweiten Lichts in Richtung des Objekts beinhalten. Die Messung des zweiten Lichts kann die Messung des vom Objekt reflektierten zweiten Lichts beinhalten.
In einigen Ausführungsformen kann das Aussenden des zweiten Lichts das Aussenden des zweiten Lichts in Richtung eines Lichtleiters beinhalten. Die Messung des zweiten Lichts kann die Messung des zweiten Lichts umfassen, das vom Lichtleiter abgestrahlt wird.
Die Einzelheiten einer oder mehrerer Ausführungsformen sind in den beigefügten Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung dargestellt. Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen.
Figurenliste

ist eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Spektrometersystems.
ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Beziehung zwischen der an ein Interferometer angelegten Eingangsspannung und einer entsprechenden Wellenlänge des vom Interferometer ausgegebenen Lichts zeigt.
ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Beziehung zwischen der an ein Interferometer angelegten Eingangsspannung und einer entsprechenden Wellenlänge des vom Interferometer ausgegebenen Lichts in Bezug auf mehrere verschiedene Temperaturen zeigt.
ist eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Spektrometersystems.
zeigt ein Diagramm einer beispielhaften Spektralverteilung des Referenzlichts.
ist eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels eines Spektrometersystems.
ist ein Flussdiagramm eines Beispielverfahrens zur Messung der spektralen Verteilung von Licht, das von einer Probe reflektiert und/oder durch sie hindurchgelassen wird
ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Computersystems.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung beschreibt Ausführungen eines Spektrometersystems zur Messung der spektralen Verteilung von Licht, das von einer Probe reflektiert und/oder durch sie hindurchgelassen wird. Ausführungen des Spektrometersystems umfassen ein spannungsabstimmbares Interferometer zur Auswahl bestimmter Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche des Lichts für die Messung. Um Schwankungen in der Ausgabe des Interferometers zu berücksichtigen (z. B. aufgrund von Schwankungen der Umgebungstemperatur, des Alters des Systems usw.), kann das Spektrometersystem Messungen von Referenzlicht mit einer bekannten Spektralverteilung erhalten (z. B. Licht mit einer oder mehreren bekannten Intensitätsspitzen, die einer oder mehreren bekannten Frequenzen im Frequenzbereich entsprechen) und Probenmessungen auf der Grundlage der Messungen von Referenzlicht kalibrieren. In einigen Ausführungsformen kann das Spektrometersystem auf diese Weise Betriebsschwankungen ausgleichen und genauere und/oder präzisere Messungen vornehmen. Darüber hinaus kann das Spektrometersystem durch diese Selbstkalibrierungstechnik in einem breiteren Spektrum von Umgebungen und Umgebungsbedingungen eingesetzt werden, und die effektive Betriebslebensdauer des Spektrometersystems wird verlängert.
zeigt ein Beispiel für ein Spektrometersystem 100. Das Spektrometersystem 100 kann als eigenständiges Gerät (z. B. als Einzelinstrument) oder als Teil eines anderen Geräts (z. B. als Teil eines Mehrzweckgeräts) implementiert werden. In einigen Implementierungen kann das Spektrometersystem 100 als Teil eines mobilen Geräts, wie z. B. eines Smartphones, eines Tablet-Computers oder eines tragbaren Computers, implementiert werden.
Wie in dargestellt, umfasst das Spektrometersystem 100 eine Lichtquelle 102 und ein Sensormodul 150 mit einem Interferometer 104, einer Spannungsquelle 106, einem Detektor 108 und einer elektronischen Steuereinrichtung 110. In einem Anwendungsbeispiel des Spektrometersystems 100 erzeugt die Lichtquelle 102 Licht 112, das in Richtung einer Probe 114 (z. B. eines in einem Probenbereich 160 positionierten Objekts) emittiert wird. Zumindest ein Teil des Probenlichts 116, das von der Probe 114 reflektiert und/oder durch sie hindurchgelassen wird, fällt auf das Interferometer 104. Basierend auf einer von der Spannungsquelle 106 erzeugten Eingangsspannung überträgt das Interferometer 104 selektiv eine Teilmenge des Probenlichts 118 (z. B. Probenlicht innerhalb einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs) an den Detektor 108. Der Detektor 108 misst die Eigenschaften der Teilmenge des Probenlichts 118 und liefert die Messwerte an die elektronische Steuereinrichtung 110. Auf der Grundlage der Messungen bestimmt die elektronische Steuervorrichtung 110 Informationen über die Probe 114 (z. B. ein Histogramm 120, das die spektrale Verteilung der Teilmenge des Probenlichts 118 darstellt, Merkmale der Probe 114 usw.).).
Bei der Lichtquelle 102 handelt es sich um ein Bauteil, das Licht erzeugt und dieses in Richtung des Probenbereichs 160 abgibt. Die Lichtquelle 102 kann ein oder mehrere lichtemittierende Elemente enthalten. Die Lichtquelle 102 kann beispielsweise eine oder mehrere Glühlampen, Leuchtdioden (LEDs), oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Hohlraum (VCSELs), organische Leuchtdioden (OLEDs) oder andere Vorrichtungen zur selektiven Lichterzeugung umfassen.
Das Interferometer 104 ist ein Bauteil, das Informationen aus Licht mittels Lichtinterferenz extrahieren kann. Beispielsweise kann das Interferometer das Probenlicht 116 empfangen und durch eine Überlagerung des Probenlichts 116 entsprechend den verschiedenen Phasen selektiv die Teilmenge des Probenlichts 118 mit einer bestimmten Wellenlänge oder einem bestimmten Wellenlängenbereich zur Messung an den Detektor 108 übertragen. Das Interferometer 104 ist „abstimmbar“, so dass ein System oder ein Benutzer eine bestimmte Wellenlänge oder bestimmte Wellenlängenbereiche des Lichts angeben kann, das vom Interferometer 104 zum Detektor 108 übertragen wird. Beispielsweise kann der Ausgang des Interferometers 104 von einer Eingangsspannung abhängen V_in abhängen, die von der Spannungsquelle 106 erzeugt und an das Interferometer 104 angelegt wird. Die Eingangsspannung V_in kann variiert werden, um die Wellenlänge oder den Wellenlängenbereich des Lichts einzustellen, das selektiv durch das Interferometer 104 zum Detektor 108 übertragen wird. In einigen Ausführungsformen kann das Interferometer 104 ein oder mehrere auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) basierende abstimmbare Fabry-Perot-Interferometer (FI) umfassen.
Die Spannungsquelle 106 ist ein Bauteil zur Erzeugung der Eingangsspannung V_in. Die Spannungsquelle 106 kann eine oder mehrere digitale und/oder analoge Schaltungskomponenten zur Spannungserzeugung enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die Spannungsquelle 106 eine oder mehrere Batterien oder elektrische Generatoren enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die Spannungsquelle 106 elektrische Energie von einer externen Quelle (z. B. einer externen Stromversorgung) empfangen und die Eingangsspannung V_in unter Verwendung der empfangenen elektrischen Energie erzeugen. In einigen Ausführungsformen kann die Spannungsquelle 106 kommunikativ mit der elektronischen Steuervorrichtung 110 verbunden sein und eine Eingangsspannung V_in Eingangsspannung mit einem bestimmten Spannungswert basierend auf Befehlssignalen s_Spannung die von der elektronischen Steuervorrichtung 110 empfangen werden. Obwohl in die Spannungsquelle 106 als Teil des Sensormoduls 150 dargestellt ist, kann die Spannungsquelle 106 in einigen Ausführungsformen als separate Komponente implementiert werden (z. B. als Teil des Spektrometersystems 100 oder eines anderen Geräts).
Der Detektor 108 ist ein Bauteil, mit dem die Eigenschaften der vom Interferometer 104 empfangenen Teilmenge des Probenlichts 118 gemessen werden können. In einigen Ausführungsformen kann der Detektor 108 einen oder mehrere Photodetektoren oder andere lichtempfindliche Sensoren umfassen. Der Detektor 108 kann verschiedene Eigenschaften der Teilmenge des Probenlichts 118 messen. So kann der Detektor 108 beispielsweise die Intensität des Lichts und/oder die spektralen Eigenschaften des reflektierten Lichts in Bezug auf bestimmte Wellenlängen und/oder Wellenlängenbereiche messen. In einigen Ausführungsformen ist der Detektor 108 in der Lage, die Teilmenge des Probenlichts 118 zu einem oder mehreren diskreten Zeitpunkten zu messen. In einigen Ausführungsformen kann der Detektor 108 so betrieben werden, dass er Licht kontinuierlich, periodisch, intermittierend oder nach einem anderen Muster misst.
Die elektronische Steuervorrichtung 110 ist eine Komponente, mit der eine oder mehrere Funktionen des Spektrometersystems 100 gesteuert werden können. Beispielsweise kann die elektronische Steuervorrichtung 110 kommunikativ mit der Lichtquelle 102 gekoppelt sein und Befehlssignale an die Lichtquelle 102 senden, um die Lichtquelle 102 selektiv ein- oder auszuschalten (z. B. um Licht während ausgewählter Zeiträume zu erzeugen, wie z. B. während eines Messvorgangs) und/oder die Eigenschaften des erzeugten Lichts zu spezifizieren (z. B. um Licht gemäß einem bestimmten Muster, einer spektralen Zusammensetzung usw. zu erzeugen). Als weiteres Beispiel kann die elektronische Steuervorrichtung 110 kommunikativ mit der Spannungsquelle 106 verbunden sein und Befehlssignale s_Spannung an die Spannungsquelle 106 senden, um eine Eingangsspannung zu erzeugen V_in Eingangsspannung mit einem bestimmten Spannungswert zu erzeugen (z. B. um den Ausgang des Interferometers 104 abzustimmen). Als weiteres Beispiel kann die elektronische Steuervorrichtung 110 kommunikativ mit dem Detektor 108 gekoppelt sein und Messungen von dem Detektor 108 erhalten.
Ferner kann die elektronische Steuereinrichtung 110 auf der Grundlage der Messungen Informationen aus der Probe 114 ermitteln. Beispielsweise kann die elektronische Steuervorrichtung 110 ein Histogramm 120 erzeugen, das die spektrale Verteilung der Teilmenge des Probenlichts 118 darstellt. Als weiteres Beispiel kann die elektronische Steuervorrichtung 110 andere Merkmale der Probe 114 auf der Grundlage der Messungen bestimmen, wie die physikalische Form oder das Profil der Probe, die Merkmale der Oberfläche der Probe und/oder die Zusammensetzung der Probe.
In einigen Ausführungsformen kann die elektronische Steuervorrichtung 110 in Verbindung mit einer oder mehreren der anderen Komponenten des Spektrometersystems 100 und/oder des Sensormoduls 150 implementiert werden (z. B. als eine einzige integrierte Vorrichtung). In einigen Ausführungsformen kann die elektronische Steuervorrichtung 110 als eine von einer oder mehreren der anderen Komponenten des Spektrometersystems 100 und/oder des Sensormoduls 150 getrennte Vorrichtung implementiert werden. Beispielsweise kann die elektronische Steuervorrichtung 110 ein Computersystem (z. B. ein Client-Computersystem oder ein Server-Computersystem) oder ein Computerprozessor sein, der von einer oder mehreren der anderen Komponenten des Spektrometersystems 100 und/oder des Sensormoduls 150 getrennt und verschieden ist.
Wie oben beschrieben, kann der Ausgang des Interferometers 104 von der Eingangsspannung V_in abhängen, die an das Interferometer 104 angelegt wird. Die Eingangsspannung V_in kann variiert werden, um die Wellenlänge oder den Wellenlängenbereich des Lichts einzustellen, das selektiv durch das Interferometer 104 zum Detektor 108 übertragen wird.
In einigen Ausführungsformen ist die Beziehung zwischen der an ein Interferometer angelegten Eingangsspannung V_in die an ein Interferometer angelegt wird, und der entsprechenden Wellenlänge des von dem Interferometer ausgegebenen Lichts nichtlinear ist. zeigt beispielsweise ein Diagramm 200, das eine Beziehung zwischen der an das Interferometer 104 angelegten Eingangsspannung V_in die an das Interferometer 104 angelegt wird, und der entsprechenden Wellenlänge des vom Interferometer 104 ausgegebenen Lichts für ein Spektrometersystem mit einem abstimmbaren Interferometer auf MEMS-Basis. In diesem Beispiel würde das Anlegen einer Eingangsspannung V_in Anlegen einer Eingangsspannung an das Interferometer 104 würde in diesem Beispiel dazu führen, dass Licht mit einem Wellenlängenbereich mit einer mittleren Wellenlänge von etwa 1550 nm ausgegeben wird, während andere Lichtwellenlängen außerhalb dieses Bereichs im Wesentlichen nicht vom Interferometer ausgegeben werden. In diesem Beispiel kann die Beziehung durch die Gleichung angenähert werden: $V^{2} = [\frac{2 k}{ε_{0} ε_{α} A} x {(T - x)}^{2}],$
wobei k eine Federkonstante ist, x die Wellenlängenänderung (z. B. eine Verschiebung des Hohlraums des Interferometers) ist, ε₀ die Dielektrizitätskonstante des Vakuums ist, ε_a die relative statische Dielektrizitätskonstante ist, A ist die Fläche der gleichen parallelen Platten des Interferometers, V ist die zwischen den Elektroden angelegte Spannung, und T ein Parameter ist, der mit der Geometrie und der elektrischen Permittivität des betrachteten Mediums zusammenhängt (z. B, $T = g - t_{d} (1 - \frac{ε_{a}}{ε_{b}}),$
wobei g die Dicke des Hohlraums ohne angelegte Spannung ist und t_d die Dicke der Schicht über der Elektrode ist, mit einer relativen statischen Permittivität von ε_b).
In einigen Ausführungsformen kann die Leistung eines Interferometers jedoch auch von der Temperatur der Umgebung abhängen. Dementsprechend kann ein Interferometer als Reaktion auf eine bestimmte Eingangsspannung aufgrund von Temperaturschwankungen in der Umgebung Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen ausgeben. Diese Schwankungen können die Genauigkeit und/oder Präzision der Messungen eines Spektrometersystems beeinträchtigen, insbesondere wenn das Spektrometersystem in unterschiedlichen Umgebungen und/oder in einer ungeregelten Umgebung eingesetzt wird. So kann beispielsweise eine elektronische Steuervorrichtung (110) zwar vorgeben, dass eine bestimmte Lichtwellenlänge zur Messung an den Detektor (108) übertragen wird, doch kann stattdessen eine andere Lichtwellenlänge übertragen werden, was zu Abweichungen bei den Messungen und/oder Fehlern bei der Interpretation dieser Messungen führt.
Als Beispiel zeigt ein Diagramm 210, das eine Beziehung zwischen (i) der an das Interferometer 104 angelegten Eingangsspannung V_in die an das Interferometer 104 angelegt wird, und (ii) der entsprechenden mittleren Wellenlänge des Wellenlängenbereichs des vom Interferometer 104 ausgegebenen Lichts in Bezug auf 7 verschiedene Temperaturen im Bereich von -40° C und 85°C (-40° C, -20° C, 5° C, 25° C, 45° C, 65° C und 85° C). Wie in dargestellt, kann ein Interferometer als Reaktion auf eine bestimmte Eingangsspannung V_in kann ein Interferometer als Reaktion auf eine bestimmte Eingangsspannung Licht in verschiedenen Wellenlängenbereichen ausgeben, die von der Temperatur abhängen. Daher können die Messergebnisse aufgrund von Temperaturschwankungen während und zwischen den einzelnen Messungen variieren.
In einigen Fällen kann sich die Leistung eines Interferometers über seine Lebensdauer hinweg verändern. Wenn das Interferometer altert, ändert sich beispielsweise die Beziehung zwischen der an das Interferometer angelegten Eingangsspannung V_in die an das Interferometer 104 angelegt wird, und der entsprechenden mittleren Wellenlänge des Wellenlängenbereichs des vom Interferometer 104 ausgegebenen Lichts verschieben oder „driften“ kann. „Daher können die resultierenden Messungen aufgrund des Alters des Geräts variieren.
Um seine Leistung zu verbessern, kann das Spektrometersystem seine Probenmessungen selbst kalibrieren, um diesen Schwankungen Rechnung zu tragen. Ein Beispiel für ein Spektrometersystem 100 zur Durchführung von Selbstkalibrierungen ist in dargestellt.
Das Spektrometersystem 100 umfasst eine Lichtquelle 102 mit zwei lichtemittierenden Elementen 302a und 302b. Jedes der lichtemittierenden Elemente 302a und 302b kann beispielsweise eine oder mehrere Glühlampen, Leuchtdioden (LEDs), oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSELs), organische Leuchtdioden (OLEDs) oder andere Vorrichtungen umfassen, die selektiv Licht erzeugen.
Die lichtemittierenden Elemente 302a und 302b können so konfiguriert werden, dass sie Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen und/oder mit unterschiedlichen Spektralverteilungen emittieren. Beispielsweise kann das lichtemittierende Element 302a so konfiguriert sein, dass es Referenzlicht mit einer bekannten Spektralverteilung emittiert (z. B. Licht mit einer oder mehreren bekannten Intensitätsspitzen, die einer oder mehreren bekannten Frequenzen im Frequenzbereich entsprechen). Das von dem lichtemittierenden Element 302a emittierte Referenzlicht kann verwendet werden, um Referenzmessungen zur Kalibrierung von Probenmessungen zu erhalten. In einigen Fällen kann das lichtemittierende Element 302a ein oder mehrere breitbandige lichtemittierende Elemente und ein oder mehrere Filter enthalten, die dem emittierten Licht eine bestimmte Spektralverteilung verleihen.
Ein Beispiel für die spektrale Verteilung 400 des Referenzlichts ist in dargestellt. In diesem Beispiel enthält die Spektralverteilung 400 acht Intensitätsspitzen 402a-402h (z. B. lokale Maxima und/oder lokale Minima), die jeweils einer bestimmten Frequenz im Frequenzbereich entsprechen. In einigen Fällen können einige oder alle Peaks der Spektralverteilung gleichmäßig zueinander verteilt sein. Obwohl in eine Spektralverteilung 400 des Referenzlichts dargestellt ist, handelt es sich hierbei lediglich um ein Beispiel. In der Praxis können auch andere Spektralverteilungen des Referenzlichts verwendet werden, entweder zusätzlich zu oder anstelle der in gezeigten.
Das lichtemittierende Element 302b emittiert Licht, das für die Durchführung von Probenmessungen geeignet ist (z. B. Messungen einer Probe, wie eines Objekts oder eines anderen Gegenstands). In einigen Fällen kann das lichtemittierende Element 302b breitbandiges Licht emittieren (z. B. weißes oder neutrales Licht mit einer breiten optischen Bandbreite und/oder eine Emission, die der Emission eines schwarzen Körpers ähnlich ist oder sich dieser annähert, wie z. B. die Emission eines Glühfadens). In einigen Fällen kann das von dem lichtemittierenden Element 302b emittierte Licht weniger intensive Spitzen und/oder weniger Spitzen im Vergleich zu dem von dem lichtemittierenden Element 302a emittierten Referenzlicht aufweisen.
Das Spektrometersystem 100 umfasst auch ein Sensormodul 150 mit einem Gehäuse 304, das einen Hohlraum 304 und eine Öffnung 306 definiert. Einige oder alle Komponenten des in dargestellten Sensormoduls 150 können den in dargestellten ähnlich sein. Beispielsweise kann das Sensormodul 150 einen Detektor 108, der innerhalb des Hohlraums 304 (z. B. auf einem Substrat 308) angeordnet ist, und ein Interferometer 104, das innerhalb des Hohlraums zwischen der Öffnung 306 und dem Detektor 108 (z. B. auf dem Substrat 308) angeordnet ist, umfassen. Das Spektrometersystem 100 umfasst auch eine elektronische Steuervorrichtung 110 und eine Spannungsquelle 106. Zur besseren Veranschaulichung wurden bestimmte Komponenten des Spektrometersystems 100 in weggelassen.
In einem Betriebsbeispiel des Sensormoduls 150 sendet das lichtemittierende Element 302a Referenzlicht aus (z. B. in Richtung einer Probe 114). Zumindest ein Teil des Referenzlichts, das von der Probe reflektiert und/oder durch sie hindurchgelassen wird, wandert durch die Öffnung 306 und fällt auf das Interferometer 104. Basierend auf einer von der Spannungsquelle 106 erzeugten Eingangsspannung überträgt das Interferometer 104 selektiv eine Teilmenge des zurückkehrenden Referenzlichts (z. B. zurückkehrendes Referenzlicht innerhalb einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs) an den Detektor 108. Der Detektor 108 misst die Eigenschaften der Teilmenge des zurückkehrenden Referenzlichts und liefert die Messungen an die elektronische Steuereinrichtung 110.
Da das ausgesendete Referenzlicht bestimmte bekannte Merkmale aufweist (z. B. eine oder mehrere bekannte Intensitätsspitzen, die einer oder mehreren bekannten Frequenzen im Frequenzbereich entsprechen), kann auch die Teilmenge des zurückkehrenden Referenzlichts bestimmte bekannte Merkmale aufweisen. Beispielsweise kann die Teilmenge des zurückkehrenden Referenzlichts auch mindestens eine Teilmenge der Intensitätsspitzen des ausgesandten Referenzlichts aufweisen.
Die Messungen der Teilmenge des zurückkehrenden Referenzlichts können zur Kalibrierung der Leistung des Spektrometersystems verwendet werden. Beispielsweise kann die elektronische Steuereinrichtung 110 die Messungen des zurückkehrenden Referenzlichts vom Detektor 108 erhalten und die Messungen mit den bekannten Eigenschaften des Referenzlichts vergleichen (z. B. vorbestimmte Eigenschaften, die in einem Datensatz einer Speichereinrichtung aufgezeichnet sind). Bei Abweichungen (z. B. wenn die gemessenen Intensitätsspitzen nicht mit den bekannten Intensitätsspitzen des Referenzlichts übereinstimmen) kann die elektronische Steuereinrichtung 110 die Messdaten so kalibrieren, dass sie die bekannten Eigenschaften des Referenzlichts besser widerspiegeln (z. B. unter Verwendung eines oder mehrerer mathematischer Anpassungsalgorithmen oder -verfahren). Beispielsweise können eine oder mehrere Anpassungsfunktionen bestimmt werden, die die gemessene Spektralverteilung des zurückkehrenden Referenzlichts so transformieren, dass sie im Wesentlichen mit einer erwarteten Spektralverteilung des zurückkehrenden Referenzlichts übereinstimmt oder ihr auf andere Weise ähnlicher ist (z. B. entsprechend den bekannten Eigenschaften des Referenzlichts). In einigen Fällen kann die Kalibrierung mit Hilfe einer oder mehrerer Regressionstechniken, wie z. B. polynomialer Regression, durchgeführt werden. In einigen Fällen kann die Kalibrierung gespeichert werden (z. B. in einem Datensatz eines Speichergeräts), um sie später wieder abrufen und verwenden zu können.
Diese Kalibrierungen können auf eine oder mehrere Probenmessungen angewendet werden, um die Genauigkeit und/oder Präzision der Probenmessungen eines Spektrometersystems zu verbessern. Beispielsweise kann das Spektrometersystem das lichtemittierende Element 302b verwenden, um Probenlicht (z. B. breitbandiges Licht) in Richtung der Probe 114 zu emittieren. Zumindest ein Teil des Probenlichts, das von der Probe reflektiert und/oder durch sie hindurchgelassen wird, gelangt durch die Öffnung 306 und fällt auf das Interferometer 104. Basierend auf einer von der Spannungsquelle 106 erzeugten Eingangsspannung überträgt das Interferometer 104 selektiv eine Teilmenge des zurückkehrenden Probenlichts (z. B. zurückkehrendes Probenlicht innerhalb einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs) zum Detektor 108. Der Detektor 108 misst die Eigenschaften der Teilmenge des Probenreferenzlichts und liefert die Messwerte an die elektronische Steuereinrichtung 110. Die elektronische Steuereinrichtung 110 kann die eine oder mehrere zuvor bestimmte Anpassungsfunktionen anwenden, um die gemessene Spektralverteilung des zurückkommenden Probenlichts in eine kalibrierte Spektralverteilung umzuwandeln. In einigen Fällen kann die elektronische Steuervorrichtung 110 im Wesentlichen dieselben oder ähnliche Regressionstechniken und Anpassungsparameter anwenden, wie sie bei der Kalibrierung des Referenzlichts verwendet werden (z. B. polynomiale Regression).
In einigen Fällen kann das Spektrometersystem Messungen von Referenzlicht durchführen, bevor es eine oder mehrere Messungen von Probenlicht durchführt. Beispielsweise kann das Spektrometersystem eine oder mehrere Messungen von Referenzlicht vornehmen und auf der Grundlage der Messungen eine geeignete Kalibrierung bestimmen. Das Spektrometersystem kann anschließend eine oder mehrere Messungen von Probenlicht vornehmen und die gleiche oder eine ähnliche Kalibrierung auf jede der Messungen von Probenlicht anwenden. In einigen Fällen kann das Spektrometersystem vor jeder Messung von Probenlicht eine Messung von Referenzlicht durchführen (z. B. so, dass vor jeder Messung von Probenlicht eine neue Kalibrierung bestimmt wird). In einigen Fällen kann das Spektrometersystem in regelmäßigen Abständen eine Messung des Referenzlichts vornehmen (z. B. vor jeder N₁ Anzahl von Messungen des Probenlichts und/oder alle N₂ Minuten, so dass eine neue Kalibrierung bestimmt und für jede N₁ Messung des Probenlichts und/oder alle N₂ Minuten). In einigen Fällen kann das Spektrometersystem eine Messung des Referenzlichts vornehmen, wenn das Gerät eingeschaltet oder in Betrieb genommen wird (z. B. als Teil eines Startvorgangs), und die ermittelte Kalibrierung auf eine oder mehrere nachfolgende Probenmessungen anwenden.
In einigen Fällen kann das Spektrometersystem Messungen von Referenzlicht im Anschluss an eine oder mehrere Messungen von Probenlicht vornehmen. So kann das Spektrometersystem beispielsweise eine oder mehrere Messungen des Probenlichts vornehmen und anschließend eine geeignete Kalibrierung auf der Grundlage einer oder mehrerer Messungen des Referenzlichts bestimmen. Das Spektrometersystem kann die ermittelte Kalibrierung rückwirkend auf die eine oder die mehreren zuvor erhaltenen Messungen des Probenlichts anwenden.
In dem in dargestellten Beispiel sendet das lichtemittierende Element 302a Referenzlicht in Richtung der Probe 114, die ihrerseits einen Teil des Referenzlichts in Richtung des Detektors 108 reflektiert und/oder durchlässt. Dies muss jedoch nicht immer der Fall sein. In einigen Ausführungsformen kann ein lichtemittierendes Element 302a Referenzlicht direkt oder im Wesentlichen direkt in Richtung des Detektors 108 emittieren. zeigt als Beispiel ein weiteres Spektrometersystem 500. Das Spektrometersystem 500 ähnelt im Allgemeinen dem in dargestellten Spektrometersystem 300. In diesem Beispiel ist das lichtemittierende Element 302a jedoch so konfiguriert, dass es das Referenzlicht so lenkt, dass es auf den Detektor 108 auftrifft, ohne zuvor von einer Probe 114 reflektiert und/oder durch diese hindurchgelassen zu werden. In einigen Fällen kann dies mit Hilfe eines Lichtleiters 502 (z. B. einem oder mehreren Lichtleitern, Linsen oder anderen optischen Elementen, die am Gehäuse vorgesehen sind) erreicht werden, der das lichtemittierende Element 302a und den Detektor 108 optisch koppelt.
Beispiel-Prozesse
Ein Beispielprozess 600 für die Verwendung eines Spektrometersystems ist in dargestellt. Das Verfahren 600 kann durchgeführt werden, um eine spektrale Verteilung von Licht zu messen, das von einer Probe reflektiert und/oder durch sie hindurchgelassen wird. In einigen Ausführungsformen kann der Prozess 600 von einem oder mehreren der in den , und dargestellten Spektrometersysteme und/oder Sensormodule durchgeführt werden.
Bei dem Verfahren 600 wird ein erstes Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich in Richtung eines Objekts ausgestrahlt (Schritt 602). In einigen Ausführungsformen kann das erste Licht breitbandiges Licht sein. Wie in dargestellt, kann das erste Licht von einer Lichtquelle 102 in Richtung einer Probe 114 emittiert werden. Ein weiteres Beispiel, das sich auf und bezieht, ist, dass das erste Licht von einem lichtemittierenden Element 302b in Richtung einer Probe 114 emittiert werden kann.
Das erste von der Person reflektierte Licht wird gemessen (Schritt 604). Beispielsweise kann das von der Probe 114 reflektierte erste Licht vom Sensormodul 150 gemessen werden (z. B. mit dem Interferometer 104 und dem Detektor 108 gemessen und von der elektronischen Steuereinrichtung 110 verarbeitet werden) (siehe ).
Zweites Licht mit einer Vielzahl von Emissionsspitzen innerhalb des Wellenlängenbereichs wird emittiert (Schritt 606). In einigen Ausführungsformen können die Wellenlängen der mehreren Emissionsspitzen gleichmäßig verteilt sein. Ein Beispiel für die spektrale Verteilung des sekundären Lichts ist beispielsweise in dargestellt.
Das zweite Licht wird gemessen (Schritt 608). In einigen Ausführungsformen kann das zweite Licht in Richtung des Objekts emittiert werden und das zweite Licht, das vom Objekt reflektiert wird, gemessen werden. Beispielsweise kann das zweite Licht von einem lichtemittierenden Element 302a in Richtung einer Probe 114 emittiert werden, und das von der Probe 114 reflektierte zweite Licht kann von dem Sensormodul 150 gemessen werden (z. B. mit dem Interferometer 104 und dem Detektor 108).
In einigen Ausführungsformen kann das zweite Licht in Richtung eines Lichtleiters abgestrahlt werden, und das vom Lichtleiter abgestrahlte zweite Licht kann gemessen werden. Beispielsweise kann das zweite Licht von einem lichtemittierenden Element 302a in Richtung des Lichtleiters 502 emittiert werden, und das zweite Licht kann von dem Sensormodul 150 gemessen werden (z. B. mit dem Interferometer 104 und dem Detektor 108).
Auf der Grundlage des gemessenen ersten Lichts und des gemessenen zweiten Lichts werden spektrale Informationen über das Objekt bestimmt (Schritt 610). In einigen Implementierungen kann das Bestimmen der spektralen Informationen bezüglich des Subjekts das Identifizieren von einem oder mehreren Emissionspeaks der Vielzahl von Emissionspeaks in dem gemessenen zweiten Licht und das Transformieren einer Darstellung des gemessenen ersten Lichts basierend auf dem identifizierten einen oder mehreren Emissionspeaks umfassen. Die Darstellung des gemessenen ersten Lichts kann einen Datensatz enthalten, der die spektralen Komponenten des gemessenen ersten Lichts angibt.
In einigen Implementierungen kann die Bestimmung der spektralen Informationen über das Subjekt die Bestimmung einer Differenz zwischen dem gemessenen zweiten Licht und dem gemessenen ersten Licht und die Umwandlung einer Darstellung des gemessenen ersten Lichts auf der Grundlage der Differenz umfassen. Die Darstellung des gemessenen ersten Lichts kann einen Datensatz enthalten, der die spektralen Komponenten des gemessenen ersten Lichts angibt.
Beispielhafte Verfahren zur Bestimmung der spektralen Informationen (z. B. einschließlich Transformationsverfahren) werden in Bezug auf die beschrieben.
Beispiel-Systeme
Einige Implementierungen der in dieser Spezifikation beschriebenen Gegenstände und Vorgänge können in digitalen elektronischen Schaltungen oder in Computersoftware, Firmware oder Hardware, einschließlich der in dieser Spezifikation offengelegten Strukturen und ihrer strukturellen Äquivalente, oder in Kombinationen aus einem oder mehreren von ihnen implementiert werden. Beispielsweise können in einigen Ausführungsformen eine oder mehrere Komponenten der Spektrometersysteme 100, 300 und 500 und/oder des Sensormoduls 150 (z. B. die elektronische Steuervorrichtung 110) durch digitale elektronische Schaltungen oder durch Computersoftware, Firmware oder Hardware oder durch Kombinationen aus einem oder mehreren davon implementiert werden. In einem anderen Beispiel kann der in gezeigte Prozess unter Verwendung digitaler elektronischer Schaltungen oder in Computersoftware, Firmware oder Hardware oder in Kombinationen aus einem oder mehreren von ihnen implementiert werden.
Einige der in dieser Spezifikation beschriebenen Implementierungen können als eine oder mehrere Gruppen oder Module digitaler elektronischer Schaltungen, Computersoftware, Firmware oder Hardware oder in Kombinationen von einem oder mehreren davon implementiert werden. Obwohl verschiedene Module verwendet werden können, muss nicht jedes Modul einzeln sein, und mehrere Module können auf derselben digitalen elektronischen Schaltung, Computersoftware, Firmware oder Hardware oder einer Kombination davon implementiert werden.
Einige der in dieser Spezifikation beschriebenen Implementierungen können als ein oder mehrere Computerprogramme implementiert werden, d. h. als ein oder mehrere Module von Computerprogrammanweisungen, die auf einem Computerspeichermedium kodiert sind, um von einem Datenverarbeitungsgerät ausgeführt zu werden oder den Betrieb eines solchen zu steuern. Ein Computerspeichermedium kann ein computerlesbares Speichergerät, ein computerlesbares Speichersubstrat, ein Speicherarray oder -gerät mit wahlfreiem oder seriellem Zugriff oder eine Kombination aus einem oder mehreren dieser Medien sein oder darin enthalten sein. Auch wenn ein Computerspeichermedium kein übertragenes Signal ist, kann ein Computerspeichermedium eine Quelle oder ein Ziel von Computerprogrammanweisungen sein, die in einem künstlich erzeugten übertragenen Signal kodiert sind. Das Computerspeichermedium kann auch aus einer oder mehreren separaten physischen Komponenten oder Medien (z. B. mehrere CDs, Disketten oder andere Speichervorrichtungen) bestehen oder darin enthalten sein.
Der Begriff „Datenverarbeitungsgerät“ umfasst alle Arten von Geräten, Vorrichtungen und Maschinen zur Verarbeitung von Daten, darunter beispielsweise einen programmierbaren Prozessor, einen Computer, ein System auf einem Chip oder mehrere oder Kombinationen der vorgenannten Geräte. Das Gerät kann spezielle Logikschaltungen enthalten, z. B. ein FPGA (Field Programmable Gate Array) oder ein ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Das Gerät kann zusätzlich zur Hardware auch Code enthalten, der eine Ausführungsumgebung für das betreffende Computerprogramm schafft, z. B. Code, der eine Prozessor-Firmware, einen Protokollstapel, ein Datenbankverwaltungssystem, ein Betriebssystem, eine plattformübergreifende Laufzeitumgebung, eine virtuelle Maschine oder eine Kombination aus einem oder mehreren dieser Elemente darstellt. Das Gerät und die Ausführungsumgebung können verschiedene Computermodell-Infrastrukturen realisieren, z. B. Webdienste, verteiltes Rechnen und Grid-Computing-Infrastrukturen.
Ein Computerprogramm (auch als Programm, Software, Softwareanwendung, Skript oder Code bezeichnet) kann in jeder Form von Programmiersprache geschrieben werden, einschließlich kompilierter oder interpretierter Sprachen, deklarativer oder prozeduraler Sprachen. Ein Computerprogramm kann, muss aber nicht, einer Datei in einem Dateisystem entsprechen. Ein Programm kann in einem Teil einer Datei gespeichert werden, die auch andere Programme oder Daten enthält (z. B. ein oder mehrere Skripte, die in einem Auszeichnungssprachendokument gespeichert sind), in einer einzigen Datei, die dem betreffenden Programm gewidmet ist, oder in mehreren koordinierten Dateien (z. B. Dateien, die ein oder mehrere Module, Unterprogramme oder Teile von Code speichern). Ein Computerprogramm kann zur Ausführung auf einem Computer oder auf mehreren Computern bereitgestellt werden, die sich an einem Standort befinden oder über mehrere Standorte verteilt und über ein Kommunikationsnetz miteinander verbunden sind.
Einige der in dieser Spezifikation beschriebenen Prozesse und logischen Abläufe können von einem oder mehreren programmierbaren Prozessoren ausgeführt werden, die ein oder mehrere Computerprogramme ausführen, um Aktionen auszuführen, indem sie auf Eingabedaten einwirken und Ausgaben erzeugen. Die Prozesse und logischen Abläufe können auch von speziellen Logikschaltungen, z. B. einem FPGA (Field Programmable Gate Array) oder einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit), ausgeführt werden, und die Vorrichtung kann auch als solche implementiert werden.
Zu den Prozessoren, die sich für die Ausführung eines Computerprogramms eignen, gehören beispielsweise sowohl allgemeine als auch spezielle Mikroprozessoren sowie Prozessoren aller Arten von Digitalrechnern. Im Allgemeinen empfängt ein Prozessor Befehle und Daten aus einem Festwertspeicher oder einem Speicher mit wahlfreiem Zugriff oder beidem. Ein Computer umfasst einen Prozessor zur Durchführung von Aktionen in Übereinstimmung mit Anweisungen und einen oder mehrere Speicher zur Speicherung von Anweisungen und Daten. Ein Computer kann auch ein oder mehrere Massenspeichergeräte zum Speichern von Daten, z. B. Magnetplatten, magnetooptische Platten oder optische Platten, enthalten oder operativ gekoppelt sein, um Daten von diesen zu empfangen oder an diese zu übertragen, oder beides. Ein Computer muss jedoch nicht über solche Vorrichtungen verfügen. Zu den für die Speicherung von Computerprogrammanweisungen und -daten geeigneten Geräten gehören alle Formen von nichtflüchtigen Speichern, Medien und Speichergeräten, darunter beispielsweise Halbleiterspeichergeräte (z. B. EPROM, EEPROM, Flash-Speichergeräte und andere), Magnetplatten (z. B. interne Festplatten, Wechselplatten und andere), magnetooptische Platten sowie CD-ROM- und DVD-ROM-Platten. Der Prozessor und der Speicher können durch spezielle Logikschaltungen ergänzt werden oder in diese integriert sein.
Um eine Interaktion mit dem Benutzer zu ermöglichen, können Vorgänge auf einem Computer ausgeführt werden, der über eine Anzeigevorrichtung (z. B. einen Monitor oder eine andere Art von Anzeigevorrichtung) zur Darstellung von Informationen für den Benutzer sowie über eine Tastatur und eine Zeigevorrichtung (z. B. eine Maus, einen Trackball, ein Tablet, einen berührungsempfindlichen Bildschirm oder eine andere Art von Zeigevorrichtung) verfügt, über die der Benutzer Eingaben in den Computer machen kann. Auch andere Arten von Geräten können für die Interaktion mit dem Benutzer verwendet werden; so kann die Rückmeldung an den Benutzer in jeder Form von sensorischer Rückmeldung erfolgen, z. B. visuell, auditiv oder taktil, und die Eingaben des Benutzers können in jeder Form empfangen werden, einschließlich akustischer, sprachlicher oder taktiler Eingaben. Darüber hinaus kann ein Computer mit einem Benutzer interagieren, indem er Dokumente an ein vom Benutzer verwendetes Gerät sendet und von diesem empfängt, z. B. durch Senden von Webseiten an einen Webbrowser auf einem Client-Gerät des Benutzers als Reaktion auf vom Webbrowser empfangene Anforderungen.
Ein Computersystem kann ein einzelnes Computergerät oder mehrere Computer umfassen, die in der Nähe oder im Allgemeinen entfernt voneinander betrieben werden und in der Regel über ein Kommunikationsnetz miteinander kommunizieren. Beispiele für Kommunikationsnetze sind ein lokales Netz („LAN“) und ein Weitverkehrsnetz („WAN“), ein Inter-Netzwerk (z. B. das Internet), ein Netz mit einer Satellitenverbindung und Peer-to-Peer-Netze (z. B. Ad-hoc-Peer-to-Peer-Netze). Eine Beziehung zwischen Client und Server kann dadurch entstehen, dass Computerprogramme auf den jeweiligen Computern laufen und eine Client-Server-Beziehung zueinander haben.
zeigt ein Beispiel für ein Computersystem 700, das einen Prozessor 710, einen Speicher 720, ein Speichergerät 730 und ein Eingabe-/Ausgabegerät 740 umfasst. Jede der Komponenten 710, 720, 730 und 740 kann z. B. über einen Systembus 750 miteinander verbunden sein. In einigen Ausführungsformen kann das Computersystem 700 dazu verwendet werden, den Betrieb eines Spektrometers zu steuern. Beispielsweise kann die in den , und dargestellte elektronische Steuervorrichtung 110 ein Computersystem 700 enthalten, um den Betrieb einer oder mehrerer Komponenten eines Spektrometers zu steuern und/oder Messdaten zu verarbeiten. Der Prozessor 710 ist in der Lage, Anweisungen zur Ausführung innerhalb des Systems 700 zu verarbeiten. In einigen Ausführungsformen ist der Prozessor 710 ein Single-Thread-Prozessor, ein Multi-Thread-Prozessor oder eine andere Art von Prozessor. Der Prozessor 7710 ist in der Lage, Anweisungen zu verarbeiten, die im Speicher 720 oder auf dem Speichergerät 730 gespeichert sind. Der Speicher 720 und das Speichergerät 730 können Informationen innerhalb des Systems 700 speichern.
Das Eingabe-/Ausgabegerät 740 ermöglicht Eingabe-/Ausgabeoperationen für das System 700. In einigen Implementierungen kann die Eingabe-/Ausgabevorrichtung 740 eine oder mehrere Netzwerkschnittstellenvorrichtungen, z. B. eine Ethernet-Karte, eine serielle Kommunikationsvorrichtung, z. B. einen RS-232-Anschluss, und/oder eine drahtlose Schnittstellenvorrichtung, z. B. eine 802.11-Karte, ein 3G-Funkmodem, ein 4G-Funkmodem, ein 5G-Funkmodem usw. umfassen. In einigen Implementierungen kann das Eingabe-/Ausgabegerät Treibergeräte umfassen, die so konfiguriert sind, dass sie Eingabedaten empfangen und Ausgabedaten an andere Eingabe-/Ausgabegeräte senden, z. B. Tastatur, Drucker und Anzeigegeräte 760. In einigen Implementierungen können mobile Computergeräte, mobile Kommunikationsgeräte und andere Geräte verwendet werden.
Diese Spezifikation enthält viele Details, die jedoch nicht als Einschränkung des Umfangs der Ansprüche zu verstehen sind, sondern als Beschreibung von Merkmalen, die für bestimmte Beispiele spezifisch sind. Bestimmte Merkmale, die in dieser Spezifikation im Zusammenhang mit separaten Implementierungen beschrieben werden, können auch kombiniert werden. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, die im Zusammenhang mit einer einzigen Implementierung beschrieben werden, auch in mehreren Ausführungsformen separat oder in jeder geeigneten Unterkombination implementiert werden.
Es wurde eine Reihe von Ausführungsformen beschrieben. Dennoch können verschiedene Änderungen vorgenommen werden, ohne dass der Geist und der Anwendungsbereich der Erfindung verlassen werden. Dementsprechend fallen auch andere Ausführungsformen in den Anwendungsbereich der Ansprüche.

Claims

Ein System umfassend: eine erste Lichtquelle; eine zweite Lichtquelle; einen Fotodetektor und ein elektronisches Steuergerät, das dazu dient: die erste Lichtquelle veranlassen, ein erstes Licht innerhalb eines Wellenlängenbereichs in Richtung eines Objekts zu emittieren; mit Hilfe des Fotodetektors das erste vom Objekt reflektierte Licht messen; die zweite Lichtquelle veranlassen, zweites Licht zu emittieren, wobei das zweite Licht eine Vielzahl von Emissionsspitzen innerhalb des Wellenlängenbereichs umfasst; mit Hilfe des Fotodetektors das zweite Licht zu messen; und auf der Grundlage des gemessenen ersten Lichts und des gemessenen zweiten Lichts Spektralinformationen über das Objekt zu bestimmen.
Das System nach Anspruch 1, wobei das erste Licht Breitbandlicht ist.
Das System nach Anspruch 1, wobei die Wellenlängen der mehreren Emissionsspitzen gleichmäßig verteilt sind.
Das System nach Anspruch 1, wobei die elektronische Steuervorrichtung so betrieben werden kann, dass sie die Spektralinformationen bezüglich des Subjekts bestimmt, indem sie: Identifizierung eines oder mehrerer Emissionspeaks der Vielzahl von Emissionspeaks im gemessenen zweiten Licht; und Umwandlung einer Darstellung des gemessenen ersten Lichts auf der Grundlage der identifizierten einen oder mehreren Emissionsspitzen.
Das System nach Anspruch 4, wobei die Darstellung des gemessenen ersten Lichts einen Datensatz umfasst, der die spektralen Komponenten des gemessenen ersten Lichts angibt.
Das System nach Anspruch 1, wobei die elektronische Steuervorrichtung die spektrale Information über das Subjekt bestimmen kann, indem sie: Bestimmen einer Differenz zwischen dem gemessenen zweiten Licht und dem gemessenen ersten Licht; und Umwandlung einer Darstellung des gemessenen ersten Lichts auf der Grundlage der Differenz.
Das System nach Anspruch 6, wobei die Darstellung des gemessenen ersten Lichts einen Datensatz umfasst, der die Spektralkomponenten des gemessenen ersten Lichts angibt.
Das System nach Anspruch 1, wobei die elektronische Steuervorrichtung betreibbar ist, um: die zweite Lichtquelle veranlassen, das zweite Licht in Richtung des Objekts zu emittieren, und mit Hilfe des Fotodetektors das zweite vom Objekt reflektierte Licht messen.
Das System nach Anspruch 1, wobei die elektronische Steuervorrichtung betreibbar ist, um: die zweite Lichtquelle veranlassen, das zweite Licht in Richtung eines Lichtleiters zu emittieren, der optisch mit dem Photodetektor gekoppelt ist, und mit Hilfe des Fotodetektors das zweite vom Lichtleiter abgestrahlte Licht messen.
Das System nach Anspruch 1, wobei die zweite Lichtquelle einen oder mehrere dielektrische Beschichtungsfilter und ein breitbandiges lichtemittierendes Element umfasst.
Das System nach Anspruch 10, wobei das breitbandige lichtemittierende Element eine Glühlampe umfasst.
Das System nach Anspruch 1, das ferner ein Host-Gerät umfasst, und wobei die erste Lichtquelle, die zweite Lichtquelle, der Fotodetektor und die elektronische Steuervorrichtung zumindest teilweise in der Host-Vorrichtung angeordnet sind.
Das System nach Anspruch 12, wobei das Host-Gerät mindestens ein Smartphone oder ein tragbares Gerät ist.
Ein Verfahren, das Folgendes umfasst: ein erstes Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich in Richtung eines Objekts aussenden; Messung des ersten vom Motiv reflektierten Lichts; Aussenden von zweitem Licht, wobei das zweite Licht eine Vielzahl von Emissionsspitzen innerhalb des Wellenlängenbereichs umfasst; die Messung des zweiten Lichts; und Bestimmung von Spektralinformationen über das Objekt auf der Grundlage des gemessenen ersten Lichts und des gemessenen zweiten Lichts.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei das erste Licht Breitbandlicht ist.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Wellenlängen der mehreren Emissionsspitzen gleichmäßig verteilt sind.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Bestimmen der Spektralinformation bezüglich des Subjekts umfasst: Identifizierung eines oder mehrerer Emissionspeaks der Vielzahl von Emissionspeaks im gemessenen zweiten Licht; und Umwandlung einer Darstellung des gemessenen ersten Lichts auf der Grundlage der identifizierten einen oder mehreren Emissionsspitzen.
Das Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Darstellung des gemessenen ersten Lichts einen Datensatz umfasst, der die spektralen Komponenten des gemessenen ersten Lichts angibt.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Bestimmen der Spektralinformation bezüglich des Subjekts umfasst: Bestimmen einer Differenz zwischen dem gemessenen zweiten Licht und dem gemessenen ersten Licht; und Umwandlung einer Darstellung des gemessenen ersten Lichts auf der Grundlage der Differenz.
Das Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Darstellung des gemessenen ersten Lichts einen Datensatz umfasst, der die spektralen Komponenten des gemessenen ersten Lichts angibt.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Aussenden von zweitem Licht das Aussenden des zweiten Lichts in Richtung des Subjekts umfasst, und wobei die Messung des zweiten Lichts die Messung des vom Objekt reflektierten zweiten Lichts umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Emittieren des zweiten Lichts das Emittieren des zweiten Lichts in Richtung eines Lichtleiters umfasst, und wobei die Messung des zweiten Lichts die Messung des zweiten Lichts umfasst, das von dem Lichtleiter emittiert wird.