DE19836595B4 - Anordnung zur Messung von optischen Spektren - Google Patents

Abstract

Anordnung zur Messung und Auswertung von optischen Spektren, die einen optischen und einen elektronischen Teil enthält, wobei der optische Teil ein Spektrometer und ein Empfängerarray enthält und der elektronische Teil einen Mikroprozessor, einen Speicher und einen A/D-Wandler aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
– optischer und elektronischer Teil übereinander in einer Sandwich-Struktur angeordnet und als miniaturisierter Spektrenprozessor dauerhaft miteinander verbunden sind,
– der optische Teil in miniaturisierter raumsparender Bauweise als flacher quaderförmiger Grundkörper (2) so aufgebaut ist, dass der Lichteintritt des Spektrometers parallel zur Sandwich-Struktur durch eine Seitenfläche des Grundkörpers (2) erfolgt, wobei das eintretende Licht über ein spektral zerlegendes Gitter (3) und einen Spiegel auf das Empfängerarray (5) gerichtet ist, das Empfängerarray (5) parallel zur Verbindungsfläche der Sandwich-Struktur angebracht ist und das Bindeglied zwischen dem optischen und dem elektronischen Teil des Spektrenprozessors bildet, und
– der elektronische Teil ein elektronischer Schaltkreis (6) ist, der neben dem Empfängerarray...

Description

• Die Erfindung betrifft eine miniaturisierte Anordnung zur Messung von optischen Spektren. Sie setzt sich aus einem optischen und einem elektronischen Teil zusammen, die dauerhaft miteinander verbunden sind.
• Die Aufnahme von optischen Spektren erfolgt in zunehmendem Maße mit Hilfe von Zeilenspektrometern, bei denen der Eingangsspalt meistens faseroptisch ausgeführt, das dispersive Element als Gitter gestaltet ist und als Detektor ein Zeilenempfänger verwendet wird. Beispielhaft sei das Miniaturspektrometer MMS der Fa. Carl Zeiss genannt, bei dem ein kompakter und stabiler Aufbau durch die präzisionsoptische Bearbeitung eines transparenten Tragkörpers und der Anordnung von Eingangsspalt, Gitter und Empfängerzeile an den Frontflächen dieses Körpers geschaffen wird ( DE 40 38 638 ).
• Spektrometerkomponenten lassen sich durch Anwendung moderner Technologien der Mikrosystemtechnik in einer äußerst platzsparenden Weise herstellen. So nutzt beispielsweise das LIGA-Spektrometer der Fa. MicroParts GmbH eine planare Schichtwellenleiteranordnung, in der sich die Strahlung ausbreitet ( DE 195 43 729 ). Das Spektrometer ist derartig miniaturisiert, dass es über die elektrischen Anschlüsse des Zeilenempfängers kontaktiert. und gleichzeitig gehaltert werden kann. Es lässt sich auf Leiterplatten einsetzen, auf denen sich, das Mikrospektrometer umgebend, die zusätzlich notwendigen elektronischen Bauteile, wie Zeilenansteuerung, A/D-Wandler, Mikroprozessor und Speicher, befinden. Diese Grundanordnung variiert von Einsatzfall zu Einsatzfall nur wenig, nimmt aber durch ihren Aufbau auf der Leiterplatte im Gegensatz zum optischen Teil des Mikrospektrometers relativ viel Platz in Anspruch und erfordert einen beträchtlichen Entwicklungsaufwand.
• Ferner ist im Stand der Technik aus der DE 41 22 925 C2 ein optisches Spektrometer bekannt geworden, das eine spezielle Auswertung von Stoffen in Probenküvetten zum Inhalt hat. Dabei wird zur Beleuchtung jedoch ein Monochromator verwendet, der vor allem einen nachteilig hohen Platzbedarf und erheblichen apparativen Aufwand erfordert.
• In der US 4,560,275 ist ein tragbares Spektrometer beschrieben, das umgebungsabhängig kalibrierbar ist und dessen Auswerteelektronik aus einem Mikroprozessor, einer Speicher- sowie einer Ein- und Ausgabeeinheit besteht. Die dabei vorgesehene Auswertung von Mineralspektren in freier Natur erfolgt durch Vergleich mit gespeicherten Spektren bekannter Minerale. Nachteilig ist dabei die erhebliche Größe des Gerätes sowie die beschränkten Auswertemöglichkeiten auf Basis des Umfangs von gespeicherten Spektren, die dem Bediener visuell nur eine Ähnlichkeitsanalyse ermöglicht.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Messung und Auswertung von optischen Spektren zu finden, die bei kompakter miniaturisierter Bauweise von einem optischen Eingang über die Gewinnung spektrometrischer Daten bis zur Ausgabe anwenderspezifisch aufbereiteter Daten aus den Ergebnissen der spektralen Messungen zur Verfügung stellt, ohne dass der Anwender spezielle Kompetenz auf dem Gebiet der optischen spektralen Messtechnik benötigt.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung zur Messung und Auswertung von optischen Spektren, die einen optischen und einen elektronischen Teil enthält, wobei der optische Teil ein Spektrometer und ein Empfängerarray enthält und der elektronische Teil einen Mikroprozessor, einen Speicher und einen A/D-Wandler aufweist, dadurch gelöst, dass optischer und elektronischer Teil übereinander in einer Sandwich-Struktur angeordnet und als miniaturisierter Spektrenprozessor dauerhaft miteinander verbunden sind, dass der optische Teil in miniaturisierter raumsparender Bauweise als flacher quaderförmiger Grundkörper so aufgebaut ist, dass der Lichteintritt des Spektrometers parallel zur Sandwich-Struktur durch eine Seitenfläche des Grundkörpers erfolgt, wobei das eintretende Licht über ein spektral zerlegendes Gitter und einen Spiegel auf das Empfängerarray gerichtet ist, das Empfängerarray parallel zur Verbindungsfläche der Sandwich-Struktur angebracht ist und das Bindeglied zwischen dem optischen und dem elektronischen Teil des Spektrenprozessors bildet, und dass der elektronische Teil ein elektronischer Schaltkreis ist, der neben dem Empfängerarray den Mikroprozessor zur Steuerung des optischen Teils und zur Verarbeitung der Spektren sowie mindestens einen Speicher zur Speicherung von Spektrenoperationen und Referenzspektren aufweist, wobei im Speicher auch spezifische Fit-Parameter für verschiedene anwendungsbezogene Spektrenaufnahmen und deren Verarbeitung vorhanden sind.
• Vorteilhaft ist der Lichteintritt als ein an den Grundkörper gekitteter Lichtwellenleiter ausgeführt, so dass sich der Spektrenprozessor sehr flexibel an unterschiedliche optische Messbedingungen anpassen lässt. Der Lichtwellenleiter ist vorzugsweise eine Stufenindexfaser. Dabei erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn der Faserkern des Lichtwellenleiters direkt als Eingangsspalt für die spektrale Zerlegung verwendet wird.
• Das spektral zerlegende Gitter kann vorteilhaft als Reflexionsgitter oder als Transmissionsgitter ausgebildet sein. Zur Abbildung des vom Gitter spektral zerlegten Lichts auf das Empfängerarray ist ein umlenkender Spiegel vorgesehen.
• Das Empfängerarray ist vorteilhaft in Form einer Empfängerzeile, vorzugsweise als Photodioden- oder CCD-Array, ausgebildet.
• In unmittelbarer Nähe zu diesem optischen Aufbau befindet sich der elektronische Teil des Spektrenprozessors, der einschließlich des Empfängerarrays in herkömmlicher Herstellungstechnik für Schaltkreise, insbesondere in SMD-Technik auf PCB, Dickschichttechnik oder COB-Technik ausgeführt ist. In einer weitergehenden Ausführungsform ist der elektronische Teil einschließlich des Empfängerarrays in monolithischer Technik hergestellt. Darüber hinaus ist auch eine monolithische Integration des gesamten Spektrenprozessors mit Hilfe der bekannten Technologien der Mikroelektronik und Mikrooptik möglich.
• Die so miniaturisierte elektronische Schaltung enthält mindestens Komponenten für die Ansteuerung der Empfängerzeile, A/D-Wandler, Mikrocontroller, Taktgenerator, Speicher sowie eine elektronische Schnittstelle. Die exemplartypischen Werte des Spektrometers, wie spektrale Empfindlichkeit, Wellenlängenoffset und Fit-Parameter, sind vorzugsweise in einem Flash-ROM gespeichert.
• Im elektronischen Teil ist ein Mikroprozessor vorteilhaft so konfiguriert, dass er zur Steuerung des Taktregimes des Empfängerarrays mit dem A/D-Wandler, zur Ausführung spektraler Operationen, insbesondere des Vergleichs mit Referenzspektren, der Mittelwertbildung, Driftkompensation, Dunkelwertkorrektur und komplexerer mathematischer Operationen, sowie zur unabhängigen Ausgabe von beliebig wählbaren spektrometrischen Daten über wenigstens eine Schnittstelle vorgesehen ist, um einem Anwender ohne Kenntnisse auf dem Gebiet der Spektralmesstechnik die Nutzung solcher Daten zu ermöglichen.
• Weiterhin weist der elektronische Teil zweckmäßig Schnittstellen in Form von Anschlüssen, wie sie von elektronischen Schaltkreisen bekannt sind und die senkrecht an der Unterseite der Sandwich-Struktur angeordnet sind, auf. Dabei sind vorteilhaft eine elektrische Schnittstelle für die Stromversorgung des Spektrenprozessors sowie mindestens eine bidirektionale elektronische Schnittstelle vorhanden, wobei über die bidirektionale Schnittstelle der Austausch von binär codierten Daten seriell oder parallel zur Eingabe von gewünschten Messparametern, Spektrenoperationen und Triggerung der Messungen und zur Ausgabe von gemessenen oder verarbeiteten Spektren vorgesehen ist. Über die bidirektionale Schnittstelle werden zweckmäßig auch spezifische Messparameter, wie z.B. der gewünschte Wellenlängenbereich und die Integrationszeit, sowie Befehle zur Triggerung der Messung an den Mikroprozessor übertragen.
• Vorteilhaft sind optischer und elektronischer Teil des Spektrenprozessors in einem gemeinsamen, Umwelteinflüsse abschirmenden Gehäuse untergebracht. Vorzugsweise sind beide Teile im gemeinsamen Gehäuse miteinander vergossen. Dabei ist die Sandwich-Struktur zweckmäßig in einer solchen Bauhöhe ausgeführt, dass sie den üblichen Abstand von in parallelen Steckplätzen benachbarter Einschubleiterplatten nicht überschreitet.
• Bei Anwendungen der Spektralmessung besteht oftmals das Problem, gleichzeitig zum eigentlichen Messspektrum ein Referenzspektrum aufzunehmen zu müssen, z.B. bei Verwendung einer Blitzlampe. Vorteilhaft wird für einen solchen Fall der optische Teil zweikanalig ausgeführt. Dadurch können zwei Spektren gleichzeitig aufgenommen werden, die gemeinsam im elektronischen Teil verarbeitet und z.B. zueinander ins Verhältnis gesetzt werden. Darüber hinausgehend ist es auch möglich, den optischen Teil mit mehr als zwei Kanälen auszubilden. Dadurch können mehrere Messungen simultan durchgeführt werden, beispielsweise für bestimmte Anwendungen in der Analysenmesstechnik.
• Der Spektrenprozessor stellt ein kompaktes Bauelement dar, bei dem optischer und elektronischer Teil sehr gut aufeinander abgestimmt werden können. Das führt für den Anwender zu Vorteilen bezüglich der Parameter seines Gesamtsystems. Außerdem verbessert sich die Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Servicefreundlichkeit. Weiterhin können aufgrund der klar definierten Schnittstellen Anwender ohne spezielle Kompetenz auf optischem Gebiet den Spektrenprozessor in ihren Entwicklungen einsetzen.
• Ausführungsbeispiel
• Die erfindungsgemäße Anordnung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
• 1 den schematischen Aufbau des Spektrenprozessors
• 2 die wesentlichen Bestandteile des Spektrenprozessors Das Spektrometerbauelement besteht aus einer optischen und einer elektrischen Ebene. Beide sind zueinander justiert und dauerhaft miteinander verbunden. Der Spektrenprozessor wird vergossen oder in ein Gehäuse montiert, um ihn vor Umwelteinflüssen zu schützen.
• 1 zeigt die Bestandteile des Bauelementes. Der optische Eingang ist durch eine an den Grundkörper gekittete optische Stufenindexfaser 1 mit einem Kerndurchmesser von z. B. 100 μm ausgeführt. Dabei verläuft die Faserachse parallel zur Unterlage, z.B. einer Leiterplatte. Dadurch sind konstruktiv günstige Lösungen des Gesamtsystems möglich. Die Strahlung tritt in den optischen Teil des Spektrenprozessors ein. Entsprechend der Apertur der Faser breitet sich die Strahlung im Freiraum 2 aus und trifft auf ein Reflexionsgitter 3, an dem es in seine spektralen Bestandteile zerlegt und wieder in den Freiraum 2 reflektiert wird. Die Strahlung trifft schließlich, von einem Spiegel 4 umgelenkt, auf das Photodioden- oder CCD-Array 5. Dieser Empfänger bildet das Bindeglied zwischen dem optischen und dem elektronischen Teil des Bauelementes. Der optische Grundkörper ist justiert zum Zeilenarray angeordnet. Dieses befindet sich auf einem Träger in Form eines Dickschichtschaltkreises 6. Dieser Schaltkreis enthält einen A/D-Wandler 7, einen Microcontroller 8, einen Programm- und Datenspeicher 9 und weist eine serielle oder parallele Schnittstelle 10 auf, die in Form von Anschlüssen ausgeführt ist. Ebenso erfolgt über die Anschlüsse auch die Stromversorgung des Spektrenprozessors. Durch diese Konstruktion ist das Bauelement auf Leiterplatten und anderen Trägern direkt einsetzbar. Die Bauform ist derart gewählt, daß auch eine Anwendung bei Einschubleiterplatten möglich ist. Der Fasereingang ist senkrecht zu den Anschlüssen angeordnet und die Bauhöhe übersteigt den gewöhnlichen Abstand zwischen zwei Leiterkarten, z. B. 10 .. 15 mm, nicht.
• In 2 sind die wesentlichen Bestandteile des Spektrenprozessors nochmals im Blockschaltbild dargestellt.
• Das Herzstück des elektronischen Teils ist der Prozessor. Er steuert das Taktregime der Zeile und den ADU, ermöglicht spektrale Operationen, wie den Vergleich mit Referenzspektren, Mittelwertbildung, Driftkompensation, Dunkelwertkorrektur sowie komplexere mathematische Operationen. Dadurch wird dem Anwender der Aufwand für derartige, auf dem Gebiet der Spektralmeßtechnik häufig angewandten grundlegenden Berechnungen, in der Spektrometerkomponente abgenommen. Im prozessorinternen Parameterspeicher werden die spektrometerspezifischen Fit-Parameter jeder Komponente gespeichert, so daß die Meßergebnisse bereits wellenlängenrichtig vorliegen. Im zusätzlichen RAM können gemessene oder berechnete Daten zwischenzeitlich gespeichert werden, bis sie von der Peripherie weiterverarbeitet werden. Die Verbindung zur Peripherie erfolgt über eine genormte bidirektionale serielle oder parallele Schnittstelle bzw. über DMA. Neben der Ausgabe der vorverarbeiteten Meßergebnisse können über die Schnittstelle die erforderlichen Meßparameter, wie Wellenlängenbereich und Integrationszeit, sowie gewünschte Spektrenoperationen mittels eines einfachen Befehlssatzes eingegeben werden. Beispielsweise läßt sich mit einer kurzen Befehlsfolge die Differenz von zwei aufeinanderfolgend gemessenen Spektren ermitteln. Damit kann man z.B. die Dunkelstromkorrektur durchführen und sofort das korrigierte Signal weiterverarbeiten.

Claims (18)

1. Anordnung zur Messung und Auswertung von optischen Spektren, die einen optischen und einen elektronischen Teil enthält, wobei der optische Teil ein Spektrometer und ein Empfängerarray enthält und der elektronische Teil einen Mikroprozessor, einen Speicher und einen A/D-Wandler aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – optischer und elektronischer Teil übereinander in einer Sandwich-Struktur angeordnet und als miniaturisierter Spektrenprozessor dauerhaft miteinander verbunden sind, – der optische Teil in miniaturisierter raumsparender Bauweise als flacher quaderförmiger Grundkörper (2) so aufgebaut ist, dass der Lichteintritt des Spektrometers parallel zur Sandwich-Struktur durch eine Seitenfläche des Grundkörpers (2) erfolgt, wobei das eintretende Licht über ein spektral zerlegendes Gitter (3) und einen Spiegel auf das Empfängerarray (5) gerichtet ist, das Empfängerarray (5) parallel zur Verbindungsfläche der Sandwich-Struktur angebracht ist und das Bindeglied zwischen dem optischen und dem elektronischen Teil des Spektrenprozessors bildet, und – der elektronische Teil ein elektronischer Schaltkreis (6) ist, der neben dem Empfängerarray (5) den Mikroprozessor (8) zur Steuerung des optischen Teils und zur Verarbeitung der Spektren sowie mindestens einen Speicher (9) zur Speicherung von Spektrenoperationen und Referenzspektren aufweist, wobei im Speicher (9) auch spezifische Fit-Parameter für verschiedene anwendungsbezogene Spektrenaufnahmen und deren Verarbeitung vorhanden sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichteintritt als ein an den Grundkörper (2) gekitteter Lichtwellenleiter (1) ausgeführt ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (1) eine Stufenindexfaser ist.
4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (1) direkt als Eingangsspalt für die spektrale Zerlegung eingesetzt ist.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral zerlegende Gitter (3) als Reflexionsgitter ausgebildet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral zerlegende Gitter (3) als Transmissionsgitter ausgebildet ist.
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfängerarray (5) in Form einer Empfängerzeile, vorzugsweise als Photodioden- oder CCD-Array, ausgebildet ist.
8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Teil des Spektrenprozessors einschließlich des Empfängerarrays (5) in herkömmlicher Herstellungstechnik für Schaltkreise (6), insbesondere in SMD-Technik auf PCB, Dickschichttechnik oder COB-Technik ausgeführt ist
9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Teil des Spektrenprozessors einschließlich des Empfängerarrays (5) und des Mikroprozessors (8) in monolithischer Technik hergestellt ist.
10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spektrenprozessor aus elektronischem und optischem Teil in monolithischer Integration mittels Technologien der Mikroelektronik und Mikrooptik hergestellt ist.
11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im elektronischen Teil der Mikroprozessor (8) so konfiguriert ist, dass er zur Steuerung des Taktregimes des Empfängerarrays (5) und des A/D-Wandlers (7), zur Ausführung spektraler Operationen, insbesondere des Vergleichs mit Referenzspektren, der Mittelwertbildung, Driftkompensation, Dunkelwertkorrektur oder komplexer mathematischer Operationen, sowie zur unabhängigen Ausgabe von beliebig wählbaren spektrometrischen Daten über wenigstens eine Schnittstelle (10) vorgesehen ist, um einem Anwender ohne Kenntnisse auf dem Gebiet der Spektralmesstechnik die Nutzung solcher Daten zu ermöglichen.
12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Teil Schnittstellen (10) in Form von Anschlüssen, wie sie von elektronischen Schaltkreisen (6) bekannt sind und die senkrecht an der Unterseite der Sandwich-Struktur angeordnet sind, aufweist.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Schnittstelle für die Stromversorgung des Spektrenprozessors sowie mindestens eine elektronische bidirektionale Schnittstelle (10) vorhanden sind, wobei über die bidirektionale Schnittstelle (10) der Austausch von binär codierten Daten seriell oder parallel zur Eingabe von gewünschten Messparametern, Spektrenoperationen und Triggerung der Messungen und zur Ausgabe von gemessenen oder verarbeiteten Spektren vorgesehen ist.
14. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sandwich-Struktur aus optischem und elektronischen Teil des Spektrenprozessors in einem gemeinsamen, Umwelteinflüsse abschirmenden Gehäuse untergebracht sind.
15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sandwich-Struktur aus optischem und elektronischen Teil in einem gemeinsamen Gehäuse miteinander vergossen sind.
16. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sandwich-Struktur des Spektrenprozessors in einer solchen Bauhöhe ausgeführt ist, dass sie den üblichen Abstand von in parallelen Steckplätzen benachbarten Einschubleiterplatten nicht überschreitet.
17. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Teil zwei separate Spektralkanäle aufweist, mit denen ein Mess- und ein Referenzspektrum gleichzeitig aufgenommen und im elektronischen Teil verarbeitet werden und zueinander ins Verhältnis gesetzt werden können.
18. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Teil mehr als zwei Spektralkanäle aufweist, mit denen zeitlich parallele Messungen durchgeführt werden können.