DE19728966A1 - Bildgebendes Spektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein bildgebendes Spektrometer, insbesondere für den Einsatz in Endoskopen zur Diagnostik von Körpergewebe.

Bei bekannten Endoskopen wird weißes Licht mit Hilfe einer Faseroptik in die Körperhöhlen eingekoppelt, wo dann das einfallende Licht reflektiert, gestreut und absorbiert wird. Der reflektierte und gestreute Anteil wird auf einen faser­ optischen Bildleiter fokussiert. Der Bildleiter besteht üblicherweise aus mehre­ ren tausend Einzelfasern, die ein kohärentes Bild aus dem Körper übertragen. Dieses Bild wird dann durch ein endoskopisches Okular für einen Beobachter (z. B. den behandelnden Arzt) projiziert. Alternativ kann anstelle des Okulars eine Farbbildkamera verwendet werden, so daß die Reflexionsbilder (bei zu vernachlässigender Streuung) auf einem Farbbildschirm für einen Betrachter darstellbar sind. Mit den bekannten Endoskopen und den zuvor beschriebenen Abbildungstechniken können große invasive Tumore leicht und relativ zuver­ lässig diagnostiziert werden. Frühe, oberflächliche, nicht-invasive Karzinome bleiben jedoch oft unentdeckt.

Zur Vermeidung dieses Nachteils wurde die Verwendung tumormarkierender Farbstoffe vorgeschlagen(z. B. Porphyrin-Derivate). Einige der vorgeschlage­ nen Farbstoffe fluoreszieren und deren Fluoreszenz kann für Diagnosezwecke ausgewertet werden (Profio AE et. al., Med. Phys. 13; 717-721, 1986). Nachtei­ lig an den beschriebenen Verfahren sind die auftretenden Nebenwirkungen aufgrund der Farbstoffe oder der Trägersubstanzen.

Aus der US 4,930,516 ist ein Verfahren zur Erfassung von Tumoren bekannt, bei dem das Fluoreszenzspektrum einer Gewebeprobe erfaßt wird. Dabei wird ausgenutzt, daß es bei Tumorgewebe zu einer Verschiebung des Fluoreszenz-Peaks von 531 auf 521 nm kommt.

Aus der WO-A-90/10219 und der WO-A-86/02730 ist ein endoskopisches bild­ gebendes System für die Tumordiagnose bekannt. Dabei wird das Licht eines Faserbündels in vier Strahlengänge gespalten. In jedem Strahlengang ist ein unterschiedlicher Farbfilter angeordnet. Hinter den Farbfiltern werden die Strahlengänge auf einer intensivierten CCD-Kamera abgebildet. Das digitale Bild wird auf einem Bildschirm dargestellt, der ein Falschfarbbild ermittelt.

Bei allen beschriebenen Systemen stehen entweder nur ein Spektrogramm ohne Bildinformation oder maximal vier spektrale Bildinformationen zur Verfü­ gung. Die Verwendung von Prismen oder Farbfiltern setzt gleiche Strahlen­ gänge zur Abbildung der anteiligen Farbinformationen voraus. Infolge tech­ nisch ungelöster Probleme mit Mehrfachreflexionen der Prismen ist zur Zeit technisch keine Anordnung realisierbar, die mehr als vier Teilbilder mittels Strahlteiler erzeugt. Zur zuverlässigen Diagnose von Tumoren anhand einer Bildinformation sind jedoch mindestens 16 besser noch 32 spektral unter­ schiedliche Teilbilder nötig, die zeitgleich zu überlagern wären.

Solche bildgebenden Spektrometer sind aus der Luft- und Raumfahrttechnik bekannt. Da dort jedoch der Vorschub in der 2.-Dimension durch den Flugkör­ per selbst geleistet wird, werden üblicherweise hochauflösende Zeilenkameras verwendet, deren spektrale Informationen Zeile für Zeile abgerufen und zu dem entsprechenden Bild zusammengefügt werden. Da ein solcher Vorschub in der 2.-Dimension bei Endoskopen oder ähnlichen Anwendungsgebieten nicht systemimmanent ist, scheidet die Verwendung einer solchen zeilenförmigen Kamera schon von daher aus. Darüber hinaus sind solche Kameras für Dia­ gnosezwecke auch zu voluminös.

Weiter ist aus der US-4,678,332 eine Vorrichtung zur zeitgleichen Analyse des Spektrums eines Objektes bekannt, bei der die Strahlung eines Objektes mit­ tels einer Sammel-Optik in einen faseroptischen Querschnittswandler einge­ koppelt wird. Die nahezu linienförmige Ausgangsstrahlung wird mittels einer Kollimatoroptik auf ein Beugungsgitter abgebildet und spektral zerlegt und über eine weitere Optik auf einen matrixförmigen optischen Detektor abgebildet. Die Anordnung ist jedoch nicht zur spektralen Bildanalyse geeignet. Selbst bei Ausnutzung der Eigenbewegung des Objektes oder Verwendung von Scanner ist nur eine serielle spektrale Analyse der Bildelemente möglich. Insbesondere bei einer Fluoreszenzanalyse ist aufgrund der kurzen Belichtungszeiten somit eine spektrale Bildanalyse nicht möglich.

Aus der Zeitschrift "Photochemistry and Photobiology", 1996, 63 (5), 608-614 ist ein bildgebendes Spektrometer bekannt, bei dem mittels eines Sagnac-Inter­ ferometers Interferenzerscheinungen bei Überlagerung von Lichtwellen für Meß- und Beobachtungszwecke ausgewertet werden. Mit Hilfe eines Scan-Vor­ gangs wird ein Interferogramm auf einem CCD-Chip abgebildet. Eine nach­ folgende Fourier-Transformation ergibt dann ein Spektrum auf jedem Pixel. Die Bilderfassung mit Hilfe dieses Verfahrens dauert ca. 50 s. Hieran schließen sich noch 2 bis 4 Minuten Bildaufbereitungszeit an. Die gewonnenen Bilder enthalten 10 bis 30 Spektralinformationen pro Bildpixel und eignen sich sehr gut zur Unterscheidung von Objekten mit nur geringfügigen spektralen Unter­ schieden. Jedoch beschränkt die relativ langsame Bildaufbereitung die Anwen­ dung der Vorrichtung auf mikroskopische Messungen sowie zur Erfassung sich nur langsam oder nur kaum bewegender Objekte. Für die klinische Bilderfas­ sung ist das Verfahren bzw. die Vorrichtung daher ungeeignet. Darüber hinaus ist der optische und mechanische Aufbau der Vorrichtung sehr komplex und kostenintensiv.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein bildgebendes Spektrometer zu schaffen, mit dem nahezu simultan eine spektrale Bilderfas­ sung möglich ist, so daß dieses insbesondere für die Diagnostik von Tumorge­ webe geeignet ist.

Die Lösung des Problems ergibt sich durch die Merkmale des Patentanspru­ ches 1. Durch die eineindeutige Zuordnung eines Teilbereiches oder eines einzelnen spektralselektierenden Elementes zu jedem die optische Strahlung leitenden Element, so daß die Ausgangsstrahlung des oder der spektralselekti­ ven Elemente ohne Überlappungen auf einen ortsauflösenden, spektralemp­ findlichen, optischen Detektor abgebildet werden, ist eine nahezu eine simulta­ ne, spektrale Bilderfassung möglich ist. Die Vermeidung von Strahlenteilern, Schrittmotoren und Interferometern erlaubt einen kompakten und kostengün­ stigen Aufbau. Das bildgebende Spektrometer ist nicht nur zur Erfassung klei­ ner Unterschiede in den Fluoreszenzspektrometern geeignet, sondern auch zur Erfassung diskreter Reflexions-/Streuungsunterschiede im Reflexionsmo­ dus, da die Farbtrennung wesentlich schärfer als die des menschlichen Auges oder einer handelsüblichen Farbkamera ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltun­ gen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:

Fig. 1 eine schematische Perspektivdarstellung des bildgebenden Spektrometers,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Faser mit dem zugehörigen Abschnitt des ortsauflösenden, spektralempfindlichen, optischen Detektors,

Fig. 3 einen beispielhaften Verlauf der spektralen Verteilung einer Faser gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische Teildraufsicht auf eine optische Faserplatte mit zugeordneten Blenden,

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine Anordnung mit einer ersten und zweiten Blendenplatte,

Fig. 6 eine Detail-Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 5 und

Fig. 7 eine schematische Perspektivdarstellung eines bildgebenden Spektrometers mit einem Mikrolinsenarray.

Das bildgebende Spektrometer 1 umfaßt einen faseroptischen Querschnitts­ wandler, bestehend aus einer Vielzahl einzelner Fasern 3, ein Spektralzerle­ geelement 4, eine Kollimatoroptik 5 und einen ortsauflösenden, spektralemp­ findlichen, optischen Detektor 6. An dem dem Spektralzerlegeelement 4 abge­ wandten Faserende 7 sind die einzelnen Fasern 3 matrixförmig dicht gepackt angeordnet. An dem dem Spektralzerlegeelement 4 zugewandten Faserende 8 sind die Fasern 3 in im Abstand d beabstandeten Reihen angeordnet. Der Ab­ stand d ist gerade so gewählt, daß sich die vertikal erstreckende spektrale Zerlegung einer Faser 3 nicht mit der spektralen Zerlegung einer darunter an­ geordneten Faser 3 überschneidet. Vorzugsweise werden die Fasern 3 einer Reihe nicht Stoß an Stoß angeordnet, um bei der Ausrichtung der Fasern eine gewisse Toleranz zu erhalten, da ansonsten eine nicht vollständig parallele Ausrichtung zu einer Überschneidung der spektralen Verteilung einer Reihe führen würde. Die am Faserende 7 eingekoppelte optische Strahlung wird über die einzelnen Fasern 3 zum anderen Faserende 8 übertragen und auf das Spektralzerlegeelement 4 abgestrahlt. Das Spektralzerlegeelement 4 zerlegt die optische Strahlung einer jeden Faser 3 in seine spektralen Anteile, idealer­ weise in einen Strich. Die spektralen Verteilungen einer jeden Faser 3 werden dann von der Kollimatoroptik 5 überlappungsfrei auf den ortsauflösenden, spektralempfindlichen, optische Detektor 6 abgebildet, wodurch eine simultane spektrale Bilderfassung erreicht wird. Der ortsauflösende, spektralempfindliche, optische Detektor 6 ist vorzugsweise als CCD-Matrix ausgebildet. Verfügbare CCD-Chips verfügen über bis 1,2 Millionen CCD-Elemente, die jeweils bis zu 30 Spektralinformationen unterscheiden können. Wird jedem CCD-Element eine Spektralinformation der spektralen Verteilung einer Faser 3 zugeordnet, so verbleiben 40.000 CCD-Elemente für die örtliche Auflösung. Da die Faser­ anzahl herkömmlicher Endoskope sich zwischen 3.000 bis 30.000 bewegt verursacht die Vorrichtung keinen örtlichen Auflösungsverlust.

Bei einer Verwendung des bildgebenden Spektrometers 1 in einem Endoskop kann prinzipiell der vorhandene Bildleiter anstelle des zuvor beschriebenen faseroptischen Querschnittswandlers 2 verwendet werden. Da jedoch die übli­ chen Faserdurchmesser der Bildleiter nur wenige µm betragen, ist deren Be­ arbeitung sehr aufwendig. Daher wird der Bildleiter des Endoskops mittels ei­ nes beugungsbegrenzenden Objektivs mit dem faseroptischen Querschnitts­ wandler 2 optisch gekoppelt. Der Faserdurchmesser einer Faser 3 des faser­ optischen Querschnittswandlers 2 beträgt ca. 250 µm und läßt sich erheblich einfacher nachbearbeiten. Der faseroptische Querschnittswandler 2 wird dazu an seinen Faserenden aufgeschnitten, poliert und z. B. in einem feinmecha­ nischen Gestell Faser für Faser angeordnet.

Bei der Verwendung spezieller Bildleiter ist die eindeutige Zuordnung von ei­ nem Faserende zum anderen bereits durch die Konstruktion gewährleistet. Da diese Bildleiter jedoch sehr kostenintensiv in der Herstellung sind, kann auch auf einfache Glasfaserkabel zurückgegriffen werden. Bei diesen einfachen Glasfaserkabeln geht zwar aufgrund der Verdrillung die Zuordnung von einem Faserende zum anderen verloren, dies kann aber durch bekannte Kalibrie­ rungsmethoden kompensiert werden. Hierzu wird mit Hilfe eines verfahrbaren Mikrometertisches jede Einzelfaser mittels eines fokussierten Diodenlasers be­ leuchtet und die korrespondierenden Lichtaustrittsflächen werden in einer zu­ geordneten Tabelle erfaßt (Look-up-table, LUT), so daß ein Rechner die Bild­ information in Echtzeit rekonstruiert und für den Betrachter sichtbar machen kann.

Das bildgebende Spektrometer ist sowohl zur Erfassung kleiner Unterschiede in den Fluoreszenzspektren, als auch zur Erfassung diskreter Reflexions-/Streu­ ungsunterschiede im Reflexionsmodus geeignet. Wird vor oder hinter dem faseroptischen Querschnittswandler 2 ein UV-Blausperrfilter angeordnet, so ist mit dem bildgebenden Spektrometer 1 die gleichzeitige Erfassung von Reflexions- und Fluoreszenzinformationen möglich. Der UV-Blausperrfilter trennt das UV-Anregungslicht vom weißen Anregungslicht, so daß die abwech­ selnde Erfassung von 2-D-Fluoreszenz- und Reflexionsspektren möglich ist. Falls die auftretende Lichtstärke nicht ausreichend groß genug ist, kann das bildgebende Spektrometer 1 mit einem Multikanalplattenverstärker betrieben werden. Neben der Bildverstärkung kann dadurch auch eine zeitliche Auflö­ sung der spektralen Bildinformationen erreicht werden. Eine andere Möglich­ keit zur Erzielung einer zeitlichen Auflösung der spektralen Bildinformation ist die direkte Modulation des optischen Detektors 6. Der Vorteil der simultanen Zeitauflösung ist die Erfassung unterschiedlicher Fluoreszenzabklingzeiten bei relativ kleinen direkten spektralen Unterschieden.

In der Fig. 2 ist ein Teilbereich des als CCD-Matrix ausgebildeten optischen Detektors 6 dargestellt. Die optische Strahlung einer Faser 3 wird mittels des Spektralzerlegeelements 4 (hier nicht dargestellt) spektral zerlegt und auf die jeder Faser 3 zugeordneten CCD-Elemente 9 abgebildet, wobei hier zur Über­ sicht nur acht CCD-Elemente 9 dargestellt sind. Jedes CCD-Element 9 beinhal­ tet eine Ortsinformation, nämlich die der ihm zugehörigen Faser 3 und eine Spektralinformation. Die Summe aller zu einer Faser 3 gehörigen CCD-Ele­ mente 9 ergibt dann eine Spektralverteilungskurve 10 gemäß Fig. 3, wobei die Kurve so viele Datenpunkte wie CCD-Elemente 9 aufweist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des bildgebenden Spektrometers 1 zur endos­ kopischen Anwendung wird das bildgebende Spektrometer 1 an einen vorhan­ denen Teaching-Anschluß gekoppelt. Dieser Teaching-Anschluß dient norma­ lerweise zur Beobachtung des endoskopischen Eingriffs durch Studenten oder Assistenz-Ärzte. Somit kann die Bildanalyse parallel zur Arbeit des Arztes ab­ laufen. Zudem kann dann die Vorrichtung als Modul ausgebildet werden, die, einmal justiert, immer wieder entfernt werden kann, so daß die Vorrichtung nicht zusammen mit dem Endoskop desinfiziert zu werden braucht.

In der Fig. 4 ist eine Teildraufsicht auf eine optische Faserplatte 11 dargestellt, wobei aus Gründen der Übersicht nur fünf Fasern 3 dargestellt sind. Gegenüber Faserbündeln lassen sich derartige optische Faserplatten 11 mit sehr geringen mechanischen Toleranzen fertigen. Die Fasern 3, die einen lichtleitenden Be­ reich 12 und einen Mantelbereich 13 (Cladding) aufweisen, sind dabei Stoß an Stoß in der optischen Faserplatte 11 angeordnet. Das Verhältnis zwischen lichtleitendem Bereich 12 und dem Mantelbereich 13 ist bei handelsüblichen Faserplatten 11 ca. eins zu eins, d. h. bei einer Faser 3 mit 100 µm Durchmes­ ser weist der lichtleitende Bereich 12 einen Durchmesser von 50 µm auf. Damit stellt sich ein Abstand von 50 µm zwischen zwei lichtleitenden Bereichen 12 ein. Prinzipiell könnten diese 50 µm bereits dazu benutzt werden die Spektral­ informationen einer Faser 3 entsprechend zu spreizen. Aufgrund der unver­ meidlichen Toleranzen reduziert sich der zur Verfügung stehende Bereich je­ doch, so daß derzeit eine direkte Zerlegung und Abbildung zu aufwendig ist.

Daher wird zwischen der optischen Faserplatte 11 und dem Spektralzerlege­ element 4 eine Blendenplatte angeordnet, in die z. B. mittels eines Laser­ schneidverfahrens rechteckförmige Schlitze 14 eingearbeitet werden. Die Ab­ messungen des Schlitzes 14 betragen dabei z. B. 50×2 µm. Dabei ist jeder Faser 3 der optischen Faserplatte 11 genau eine Blende zugeordnet, wobei die Blende vorzugsweise zentrisch zur zugehörigen Faser 3 angeordnet ist. Da­ durch vergrößert sich der für die spektrale Spreizung zur Verfügung stehende Bereich 15 ca. um das 20fache, wobei jedoch aufgrund unvermeidlicher me­ chanischer Toleranzen der Blendenplatte bzw. der Schlitze 14 eine gewisse Sicherheitsreserve eingehalten werden muß.

In der Fig. 5 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform dargestellt, bei der die die optische Strahlung leitenden Elemente als Mikrolinsenarray 16 ausge­ bildet sind, wobei das zu erfassende Bild mittels einer nicht dargestellten Optik auf das Mikrolinsenarray abgebildet wird. Die Mikrolinsen sind vorzugsweise als Zylinderlinsen ausgebildet. Hinter dem Mikrolinsenarray 16 ist eine erste Blendenplatte 17 mit einer Vielzahl von Blenden angeordnet. Dabei ist jeder Linse 18 genau eine Blende zugeordnet. Die einzelnen Linsen 18 fokussieren ihren jeweiligen Bildpunkt auf ihre zugeordnete Blende. Hinter der Blenden­ platte 17 ist ein Transmissionsgitter 19 angeordnet, an dem die optische Strah­ lung spektral zerlegt wird. Zur Unterdrückung von Beugungsmaxima höherer Ordnung ist hinter dem Transmissionsgitter 19 eine zweite Blendenplatte 20 angeordnet. Zur scharfen Abbildung der spektralzerlegten optischen Strahlung auf den optischen Detektor 6 ist zwischen der zweiten Blendenplatte 20 und dem optischen Detektor 6 eine Kollimatoroptik 5 angeordnet, die durch zwei Mikrolinsenarrays 21, 22 gebildet wird. Vorzugsweise sind die Mikrolinsenarrays 16, 21, 22 als aktive LCD-Mikrolinsenarrays ausgebildet, deren optische Eigen­ schaften mittels einer Steuerspannung in gewissen Bereichen veränderbar ist, so daß nach dem Zusammenbau eine Nachjustierung möglich ist.

In der Fig. 7 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform dargestellt, wobei auf eine beugungsbegrenzende Eingangsoptik verzichtet werden kann. Dabei bil­ det ein Mikrolinsenarray 16 mit beispielsweise 5×4 Linsen 18 die Eingangs­ optik, wobei jede einzelne Linse 18 die volle Bildinformation des aufzuneh­ menden Objektes durch die empfangene Strahlung erhält. Die Linsen 18 sind beispielsweise als achromatische Linsen mit einem Durchmesser von 2 bis 3 mm und einer Brennweite von 10 bis 20 mm ausgebildet. Hinter dem Mikrolin­ senarray 16 sind Spektralfilter 23 angeordnet, die vorzugsweise ebenfalls in Form eines Arrays ausgebildet sind. Die vorzugsweise als Interferenzfilter aus­ gebildeten Spektralfilter 23 lassen jeweils nur ein bestimmten Spektralbereich transmittieren. Dadurch läßt sich das Gesamtbild jeweils für einen spektralen Bereich vollständig auf den zugehörigen Abschnitt auf dem optischen Detektor 6 abbilden, so daß das Gesamtbild insgesamt 20mal jeweils unterschiedlich spektralaufgelöst simultan erfaßt wird. Bei Verwendung handelsüblicher CCD-Matrizen mit 1200×1000 Pixeln verbleibt somit eine örtliche Auflösung von ca.

60 000 Pixeln. Die Bandbreite der Interferenzfilter beträgt ca. 5-20 nm, wobei für unterschiedliche Anwendungen verschiedene Filtersätze verwendbar sind.

Für die Ausgabe kann weiter vorgesehen sein, daß jeweils mehrere Spektral­ bilder zusammen ausgelesen werden, so daß ein entsprechendes Farbbild entsteht. Zur Unterdrückung von Streulicht werden das Mikrolinsenarray 16, die zugehörigen Spektralfilter 23 und der optische Detektor 6 in einem fächer­ förmigen Gehäuse 24 angeordnet, so daß die einzelnen Linsen 18 voneinan­ der optisch entkoppelt sind. Die Innenwände des Gehäuses 24 sind dazu ge­ schwärzt und/oder mikrostrukturiert, so daß das Absorptionsvermögen nahezu 1 ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Linsen 18 des Mikro­ linsenarrays 16 als Gradienten-Linsen ausgebildet. Bedingt durch die faser­ ähnliche Totalreflexion kann ein Übersprechen auch ohne mechanische Ent­ kopplung erreicht werden. Dadurch kann das Mikrolinsenarray 16 mittels einer passenden Adapterplatte direkt auf die CCD-Elemente aufgesetzt werden, wobei die zugehörigen Spektralfilter in der Adapterplatte angeordnet sind.

Bei Einsatz kleiner Achromate mit großer Brennweite, einer quadratisch seg­ mentierten Filterplatte mit beispielsweise 36 verschiedenen Filtern und einem Zoom-Objektiv ist eine variable Orts- und Spektralauflösung erreichbar. Dazu sind z. B. drei verschiedene Einstellungen möglich. In der ersten Einstellung wird die optische Strahlung eines mittig angeordneten RGB-Filtersatzes auf die CCD-Elemente abgebildet, was einer geringeren Spektralauflösung bei hoher Ortsauflösung entspricht. In einer zweiten Einstellung wird die optische Strah­ lung der 16 mittig angeordneten Filter auf die CCD-Elemente abgebildet so daß die Spektralauflösung vervierfacht wird, wohingegen die Ortsauflösung geviertelt wird. In einer dritten Einstellung werden dann alle 32 Filter abgebil­ det, also die Spektralauflösung weiter erhöht und die Ortsauflösung weiter re­ duziert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden zur ein­ facheren Abbildung mehrere CCD-Arrays verwendet, die vorzugsweise matrix­ förmig z. B. 4×4 angeordnet sind. Mit Hilfe einer angepaßten gelaserten Mehr­ fachlochblende kann die Anordnung des Faser-Arrays den bei Verwendung mehrerer CCD-Arrays zwangsläufig entstehenden optisch nicht aktiven Flächen angepaßt werden. Neben einem Verzicht auf teure beugungsbegrenz­ te Objektive ist ein weiterer Vorteil dieser Anordnung die erhebliche Zunahme der Lichtstärke, die mittels Bining von z. B. 4×4 CCD-Pixeln möglich ist (hier Faktor 16). Insbesondere für Fluoreszenzanwendung ist diese erhöhte Empfindlichkeit ohne Restlichtbildverstärkung oder Multikanalplattenverstärker sehr vorteilhaft.

Neben der besonders hervorgehobenen endoskopischen Anwendung läßt sich das bildgebende Spektrometer 1 in vielen anderen Gebieten, wie z. B. spektrale Kariotypisierung von Chromosomen, Erfassung von Schadstoffen in Luft, Wasser und Boden, Bodenaufklärung, Geldscheinanalyse, Erfassung ver­ blichener historischer Schriften, Müllsortierung bei gleichfarbigen Kunststoffen mit spektralen Unterschieden anwenden.

Claims (25)

1. Bildgebendes Spektrometer, umfassend eine Vielzahl von optische Strahlung leitenden Elementen, mindestens ein spektralselektierendes Element und einen ortsauflösenden, spektralempfindlichen optischen Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß den die optische Strahlung leitenden Elementen eineindeutig jeweils ein Teilbereich des spektralselektierenden Elementes oder ein einzelnes spektralselektierendes Element zugeordnet ist, so daß die spektralauf­ gelöste Ausgangsstrahlung des oder der spektralselektiven Elemente eineindeutig auf den spektralempfindlichen, optischen Detektors (6) ab­ bildbar ist.

2. Bildgebendes Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die optische Strahlung leitenden Elemente als Mikrolinsenarray (16) ausgebildet sind, wobei jeder Linse (18) ein als Spektralfilter (23) ausgebildetes spektralselektierendes Element zugeordnet ist.

3. Bildgebendes Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikrolinsenarray (16) als aktives, spannungsgesteuertes LCD-Mikrolinsenarray ausgebildet ist.

4. Bildgebendes Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spektralfilter (23) als Interferenzfilter ausgebildet sind.

5. Bildgebendes Spektrometer nach einem der vorangegangenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die optische Strahlung lei­ tenden Elemente und das spektralselektierende Element in einem Ge­ häuse (24) optisch entkoppelt angeordnet sind.

6. Bildgebendes Spektrometer nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen (18) als Gradienten-Linsen ausgebildet sind.

7. Bildgebendes Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die optische Strahlung leitenden Elemente als Fasern (3) eines Bildleiters und das spektralselektive Element als Spektralzerlegeelement (4) ausgebildet sind und die dem Spektralzerlegeelement (4) zugewand­ ten lichtleitenden Bereiche (12) der Fasern (3) in definierten Abständen zueinander angeordnet sind, so daß jeweils durch das Spektralzerlege­ element (4) erzeugte Spektralbereiche (15) einer Faser (3) auf für den jeweiligen Spektralbereich der Faser (3) eindeutig zugeordnete Bereiche des ortsauflösenden, spektralempfindlichen, optischen Detektors (6) abbildbar ist.

8. Bildgebendes Spektrometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die dem Spektralzerlegeelement (4) zugewandten Faserenden (8) der Fasern (3) in definierten Abständen zueinander angeordnet sind.

9. Bildgebendes Spektrometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Fasern (3) mit ihren den Spektralzerlegelement (4) zugewandten Faserenden (8) matrix-, zeilen- oder reihenförmig in einem Gestell angeordnet sind.

10. Bildgebendes Spektrometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Fasern (3) mit ihren dem Spektralzerlegeelement (4) zugewandten Faserenden (8) mittels eines Bindemittels miteinander verbunden sind.

11. Bildgebendes Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den die optische Strahlung leitenden Elementen und dem spektralselektiven Element eine erste Blendenplatte (17) mit einer Viel­ zahl von Blenden angeordnet ist, wobei jedem die optische Strahlung leitenden Element eineindeutig eine Blende der Blendenplatte (17) zugeordnet ist.

12. Bildgebendes Spektrometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Blenden als rechteckförmige Schlitze (14) ausgebildet sind.

13. Bildgebendes Spektrometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die die optische Strahlung leitenden Elemente als Fasern (3) eines Bildleiters, als eine optische Faserplatte (11) oder als Mikrolin­ senarray (16) ausgebildet sind.

14. Bildgebendes Spektrometer nach einem der Ansprüche 7 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß das Spektralzerlegeelement (4) als Gitter (19) oder als Prisma ausgebildet ist.

15. Bildgebendes Spektrometer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß dem Transmissionsgitter (19) eine zweite Blendenplatte (20) nachgeordnet ist.

16. Bildgebendes Spektrometer nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsauflösende, spektralempfind­ liche, optische Detektor (6) als CCD-Matrix oder CCD-Zeile ausgebildet ist.

17. Bildgebendes Spektrometer nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsauflösende spektralempfind­ liche, optische Detektor (6) aus einer Vielzahl matrixförmig angeordneter CCD-Matrizen oder CCD-Zeilen gebildet ist.

18. Bildgebendes Spektrometer nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich­ net, daß vor den CCD-Matrizen oder CCD-Zeilen eine Mehrfachloch­ blende angeordnet ist.

19. Bildgebendes Spektrometer nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem spektralselektiven Element und dem optischen Detektor (6) eine Kollimatoroptik (5) ange­ ordnet ist.

20. Bildgebendes Spektrometer nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kollimatoroptik (5) durch zwei Mikrolinsenarrays (21, 22) gebildet wird.

21. Bildgebendes Spektrometer nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß dem bildgebenden Spektrometer (1) ein UV-Blausperrfilter zugeordnet ist, der wahlweise zuschaltbar ausge­ bildet ist.

22. Bildgebendes Spektrometer nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß dem bildgebenden Spektrometer (1) ein Multikanalplattenverstärker zugeordnet ist.

23. Bildgebendes Spektrometer nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der ortsauflösende, spektralempfind­ liche optische Detektor (6) modulierbar ausgebildet ist.

24. Bildgebendes Spektrometer nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Strahlung mittels einer beugungsbegrenzenden Optik in die die optische Strahlung leitenden Elemente einkoppelbar sind.

25. Bildgebendes Spektrometer nach einem der vorangegangenen Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das bildgebende Spektrometer (1) als an ein Endoskop ankoppelbares Modul ausgebildet ist.