WO2012146398A1 - Tragbares optisches analysegerät - Google Patents

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WO2012146398A1
WO2012146398A1 PCT/EP2012/001887 EP2012001887W WO2012146398A1 WO 2012146398 A1 WO2012146398 A1 WO 2012146398A1 EP 2012001887 W EP2012001887 W EP 2012001887W WO 2012146398 A1 WO2012146398 A1 WO 2012146398A1
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PCT/EP2012/001887
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Volker Grosser
Andreas GERRITZEN
Erik Jung
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Definitions

  • the invention relates to a mobile optical analyzer.
  • a variety of analyzers for analyzing organic or non-organic samples using optical methods are known in the art.
  • Prominent examples are fluorescence microscopes in which samples are usually illuminated with light in the UV or visible spectral range and in which light scattered from an illuminated area of the sample or emitted as a result of fluorescence excitation is detected and analyzed by means of optical detectors. In this way, for example, an emission spectrum of the examined sample can be determined or an image of the sample can be recorded.
  • Known fluorescence microscopes offer many methods of analysis, but are relatively expensive, expensive to operate and require a labor-intensive sample preparation. In particular, they are usually heavy (eg they have a weight of more than 10 kg) and thus not portable.
  • known portable optical analyzers offer usually very few optical analysis methods, for example, the recording of an emission spectrum of a sample with only low temporal and spectral resolution.
  • the present invention is therefore an object of the invention to develop an optical analysis device that is portable, as easy to use and inexpensive as possible, but at the same time provides a user as large a variety of different optical analysis methods available, so that it in one possible wide range of applications is as flexible and versatile as possible.
  • a mobile optical analyzer comprises a first light source for illuminating a first area with first illumination light, a second light source for illuminating a second area with second illumination light, wherein the second area is a partial area of the first area, a device for capturing an image of the first area, an analysis detector for analyzing analysis light scattered and / or reflected and / or emitted from the second region, at least one first photoconductive element disposed between the second region and the analysis detector and configured to at least propagate the analysis light on a path from the second region to the analysis detector partially to lead a data processing unit which is set up to at least temporarily store and / or forward and / or evaluate data recorded with the device for recording the image and / or with the analysis detector, and a housing within which or on which the first light source, the second light source, the device for capturing the image of the first region, the first photoconductive element and the data processing unit are each arranged.
  • the first region is typically a portion of a surface of an organic sample, such as a food or plant, human or animal tissue. However, non-organic samples can also be analyzed with the analyzer.
  • the first area has a roughly round shape with a diameter of a few centimeters.
  • the second area may be much smaller than the first area.
  • the second region may have an approximately round shape, wherein a diameter of the second region may be less than a few mm, preferably less than 1 mm.
  • Both the light detected by the apparatus for capturing the image of the first region and the analysis light may comprise the first illumination light scattered or reflected on the sample and / or the second illumination light scattered or reflected by the sample. Additionally or alternatively, the analysis light may also include luminescent light due to electronic stimuli in the sample coming from the first
  • Illumination light and / or caused by the second illumination light comprises fluorescent light and, to a lesser extent, phosphorescent light.
  • Scattering processes which play a role in the scattering of the first and second illumination light at the sample, mainly include Rayleigh scattering and Raman scattering.
  • a wavelength of the analysis light may therefore be the same, larger or smaller than wavelengths of the first and / or the second illumination light.
  • a first imaging element may be provided to focus the first illumination light in the first region.
  • the first imaging element is a lens.
  • the first imaging element can also be an optical element for manipulating a light polarization.
  • a second imaging element is also between the second area and one the second Area-facing end of the first photoconductive member, the task of which is to couple the emitted from the second region, reflected or scattered analysis light effectively coupled into the first photoconductive element.
  • the first photoconductive element is a first optical fiber.
  • the first light-conducting element will therefore be referred to throughout as the first optical fiber in the following, but this expression is intended to explicitly include any light-conducting element.
  • the second imaging element is typically a lens. If the mobile optical analyzer has the first and the second imaging element, these too are preferably arranged inside the housing or on the housing.
  • the data recorded by the image-capturing device are amounts of energy or numbers of photons emitted at a time of acquisition within a recording time interval of portions of the first range and detected by the apparatus for capturing the image.
  • the device for recording the image is set up to detect light in a spectral range extending from about 350 nm to about 1 ⁇ m.
  • the data recorded with the analysis detector is an amount of energy or a number of photons which are emitted from the second area at an analysis time within an analysis time interval and detected by the analysis detector.
  • the analysis detector is set up to associate the analysis light detected by it with one or more spectral regions.
  • the analysis detector may be configured to distinguish light of different polarization. For this purpose, e.g. at a light entrance of the analysis detector, an optical element which manipulates a polarization of the analysis light by e.g. only s or only p-polarized transmitted light.
  • this is a mobile optical analyzer is intended to mean that the analyzer is conveniently portable and manageable by a single person.
  • the mobile optical analyzer has a weight that is less than 2 kg.
  • the weight of the mobile optical analyzer is but less than 1 kg.
  • the weight of the portable optical analyzer may also be less than 10 kg or less than 5 kg.
  • a height, a length and a width of the housing of the mobile optical analyzer are each at most 40 cm.
  • the length, the height and the width of the housing are each less than 30 cm.
  • the height, the length and the width of the housing are less than 20 cm.
  • the analyzer is therefore particularly compact and easy to handle by a single person.
  • the analyzer provides a variety of analytical methods for examining organic samples.
  • the first light source illuminating the first area with the first illumination light
  • the second light source illuminating the second area with the second illumination light and the analysis detector being set up to detect and analyze the analysis light scattered, reflected or emitted from the second area, it is possible for the analysis light to be of intensity and spectral To investigate properties in more detail.
  • a recording of the first area by the device for recording the image and that the detection and the analysis of the analysis light by the analysis detector can take place simultaneously.
  • an emission spectrum of the first light source is a white light spectrum.
  • the first light source can emit light in a spectral range from 400 nm to 700 nm. This is intended to mean that an emission value (for example an intensity) in the abovementioned spectral range is at least 10% of a maximum emission value in the stated spectral range.
  • the first light source may be formed, for example, as a white light LED.
  • the first light source can also be eg a blue, a green and a red LED whose light is mixed to white light. Because the emission spectrum of the first light source is a white light spectrum, a large number of molecules and / or polymers can be excited to fluoresce.
  • a power of the first illumination light emitted by the first light source may be at least 1 mW, preferably at least 10 mW, particularly preferably at least
  • the second light source comprises a laser, preferably a diode laser.
  • a power of the second illumination light emitted by the second light source may amount to at least 0.1 mW, preferably at least 1 mW, particularly preferably at least 10 mW.
  • the laser can be operated continuously or pulsed. If the laser is operated pulsed, then a pulse length may be in the ns range, in the ps range or in the fs range.
  • a pulse rate can be between a few kHz and about 100 MHz.
  • a wavelength of the second illumination light emitted from the laser may be in a wavelength region between about 350 nm and about 800 nm.
  • a choice of the wavelength of the second illumination light emitted by the laser can be effected as a function of the sample to be examined.
  • the second illumination light generated by the laser can be emitted at a predetermined wavelength and at a high intensity.
  • Diode lasers are particularly inexpensive and are available in a preferably compact design.
  • laser illumination is essential. The intensity and / or the polarization and / or the pulse rate and / or the pulse duration and / or the wavelength of the second illumination light may e.g. be varied in the course of recording a series of measurements.
  • the device for capturing the image of the first region comprises an image detector with a multiplicity of image detector elements arranged next to one another in a pixel-like manner. and a third imaging element disposed between the first area and the image detector.
  • the image detector is preferably designed as a CCD chip or as a CMOS camera chip.
  • a detection surface of the image detector may be, for example, 0.5 cm * 0.5 cm.
  • the individual image detector elements of the image detector are preferably square and have, for example, an edge length of 20 ⁇ m.
  • CCD chips and CMOS camera chips are inexpensive, have a good detection efficiency in a wide spectral range and can be read out quickly. For example, an image pickup rate of the image detector may be several hundreds of Hz.
  • the third imaging element can be used as a lens, a microlens or the like. be educated.
  • the analysis detector comprises a spectrometer which is set up to split the analysis light into different spectral components and in each case to determine at least one relative intensity of the spectral components.
  • the analysis detector can be used as a grating spectrometer or as
  • the analysis detector can be designed to analyze analysis light in a spectral range between 300 nm and 1 pm.
  • the spectral components are spectral intervals with a length of less than 10 nm, preferably less than 5 nm, particularly preferably less than 1 nm.
  • An exposure time of the spectrometer may be less than 1 ms, preferably less than 100 ⁇ .
  • the analysis detector can also be arranged inside the housing or on the housing. However, the analysis detector can also be located outside the analyzer and be arranged separately from it.
  • the data processing unit comprises a memory chip and / or a data interface and / or a microcontroller and / or a microprocessor and / or an FPGA.
  • the data processing unit may include an input unit and an output unit.
  • the input unit can be designed, for example, as a keyboard or as a touch screen.
  • the output unit can also be designed as a screen or as a touch screen. Via the output unit, data recorded with the mobile optical analyzer can be displayed to a user.
  • the mobile optical analyzer can be connected to an electronic computing device, such as a computer.
  • the data interface can also be designed as a transmitting and receiving unit.
  • the first and the second light source can be controlled.
  • the first and second light sources may be turned on and off and / or an intensity of the light emitted by the first and second light sources may be adjusted.
  • the device for recording the image and the analysis detector can also be controlled via the data processing unit.
  • the data recorded with the analysis detector and / or with the device for recording the image is forwarded to the data processing unit.
  • the analyzer can also have a power supply unit, for example a battery. Likewise, it may have a connection for an external power supply.
  • the mobile optical analysis device has a second photoconductive element that is configured to at least partially guide the second illumination light on a path from the second light source to the second region.
  • the second photoconductive element may be formed as a second optical fiber.
  • the second photoconductive element will be referred to throughout as a second optical fiber.
  • this expression is intended to explicitly include any light-conducting element.
  • the second illumination light emitted by the second light source is preferably coupled into the second optical fiber by means of a first coupling lens.
  • a fourth imaging element is provided between an end of the second optical fiber facing the second region and the second region in order to focus the second illumination light into the sample to be examined and in this way generate particularly high intensities of the second illumination light or on the sample. Due to the fact that the second illumination light is guided on the way from the second light source to the second area at least partially by the second optical fiber, an arrangement of the second light source within the housing or on the housing is particularly flexible selectable. If a use of the second optical fiber is provided, it is particularly advantageous if the first optical fiber and the second optical fiber are each combined in a cable at least at one end facing the first region. The diameter of such a cable is for example a few mm.
  • the ends of the first and second optical fibers facing the first region are thus arranged at a small distance of eg a few mm or less from each other. If the second illumination light emerges from a fiber end of the second fiber facing the first region and illuminates the second region, then the analysis light scattered in the second region on or from the sample is coupled into the first optical fiber with high efficiency, with high efficiency and supplied to the analysis detector.
  • the cable does not have to be a cable in the strict sense.
  • a sheath of the cable may for example be made of elastic plastic, hard plastic, metal or ceramic. It is crucial that the first and the second optical fiber are brought together tightly in the cable, so that in particular the ends of the first and the second optical fiber facing the first region are arranged at a small distance from each other.
  • the ends of the first and the second optical fiber facing the first region are combined in the cable, it is particularly advantageous if at least one end of the cable facing the first region is movable such that the second region within the first region is arbitrary is positionable.
  • the cable can also be movable as a whole. In this way, the second area can travel over the first area, i. be rasterized. This allows spectral properties to be determined throughout the first range.
  • the third region is a partial region of the first region and wherein the third region at least partially overlaps with the second region.
  • the third light source is designed as a laser, preferably as a diode laser. So that can third light source to the same properties as the second light source. In particular, therefore, the third light source can be operated continuously or pulsed.
  • a power of the third illumination light emitted by the third light source may likewise be at least 0.1 mW, preferably at least IQ mW, particularly preferably at least 510 mW.
  • a wavelength of the third illumination light emitted from the third light source may be in a wavelength range between about 350 nm and about 700 nm.
  • the third light source is designed as a laser, so it is particularly advantageous if a third optical fiber is provided which is adapted to at least partially guide the third illumination light on the way from the third light source to the third region.
  • any other light-conducting element may be provided.
  • an end of this third optical fiber facing the first region may also be combined with the first and the second optical fibers in the cable. Since the ends of the second and third optical fibers facing the first region are immediately adjacent in this case, the second and third regions almost coincide. It can also be provided that the third optical fiber and the second optical fiber are merged by means of fusion splicing, so that both optical fibers are identical at the end facing the first region. In this case, the second and third regions coincide with great accuracy.
  • a further analysis detector which comprises at least one avalanche photodiode (APD) and / or at least one electron multiplier tube (PMT) and / or at least one phototransistor and / or at least one photoresistor as the detector element.
  • the additional analysis detector provides additional analysis functionality for analyzing the analysis light.
  • the analysis light scattered, reflected or emitted from the second and / or the third region can be supplied to the further analysis detector via at least one fourth optical fiber.
  • a wavelength-selective element for example a longpass filter, a shortpass filter, a bandpass filter or an interference filter can be provided.
  • a wavelength-selective element for example a longpass filter, a shortpass filter, a bandpass filter or an interference filter.
  • different wavelength-selective elements can be provided on the ends of the fibers facing the further analysis detector.
  • the further analysis detector becomes a multi-channel detector.
  • a first APD may be designed to detect only blue light
  • a third APD to detect only red light.
  • the further analysis detector can thus have a considerably improved time resolution compared with the analysis detector and the image detector.
  • a time resolution of the further analysis detector may be less than a 1 ns, preferably less than 100 ps.
  • the second and / or the third light source are operated pulsed, it is thus possible, for example, to determine fluorescence decay times. These can be determined by a drop in the electrical voltage which can be tapped on the photodetector used in the further analysis detector.
  • a power of the analysis light detected by the analysis detector or the analysis light detected by the further analysis detector is a few W or a few mW. This value depends on the intensity of the illumination light and, above all, on the nature of the sample being examined.
  • FIG. 1 is a schematic side view of a first embodiment of a mobile optical analyzer according to the invention and a sample examined with the analyzer,
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the mobile optical analyzer with the sample to be examined from Fig. 1, as well
  • FIG. 3 shows a section through a measuring head of the analysis device from FIG. 1, specifically along a sectional plane shown in FIG. 1.
  • the analyzer 1 comprises a first light source 2 in the form of a plurality of white light LEDs (see FIG. 3). An emission spectrum of the light source 2 is thus a white light spectrum.
  • the first light source 2 is set up to illuminate a first area 3 of the sample 32 with the first illumination light.
  • the sample 32 is located at a distance of about 2 cm from an end 33 of the analyzer 1.
  • the first region 3 is a part of the surface of the meat sample 32 facing the analyzer 1.
  • the region 3 is approximately round and has a diameter 34 of about 2 cm.
  • the area 3 is illuminated by the first light source 2 in approximately homogeneous.
  • the white light LEDs of the first light source 2 each have a power of about 100 mW.
  • the white light spectrum of the light source 2 extends over a wavelength range from about 400 nm to about 700 nm.
  • the analyzer 1 has a second light source 4 and a third light source 22.
  • the second light source 4 and the third light source 22 are each formed as a diode laser.
  • the second light source 4 emits second illuminating light at a wavelength of 488 nm.
  • a power of the second illuminating light emitted from the second light source 4 is 30 mW.
  • the second light source 4 is operated pulsed.
  • a pulse rate of the second light source 4 is 80 MHz and a pulse length of a single pulse is about 100 ps.
  • the second light source 4 mainly serves to excite fluorescence in the sample 32.
  • the third light source 22 emits third illumination light at a wavelength of 560 nm.
  • a power of the third illumination light emitted from the third light source 22 is 40 mW.
  • the third light source 22 is continuously operated (cw).
  • the second illumination light emitted by the second light source 4 is coupled into an optical fiber 15 via a first coupling lens 38.
  • the second illumination light occurs at a first area 3 facing
  • the second illumination light is focused by means of a focusing lens 36 into a second region 5.
  • the second region 5 is also a part of the surface of the first region 3.
  • the second region 5 is thus also a part of the surface of the sample 32.
  • the second region 5 is approximately round and has a diameter of a little less than 1 mm.
  • the second light source 4 is thus set up to illuminate the second area 5 with the second illumination light.
  • the optical fiber 15 is arranged to at least partially guide the second illumination light on the way from the second light source 4 to the second region 5.
  • the third illumination light emitted by the third light source 22 is also coupled into an optical fiber 27 via a coupling lens 35. At an end 37 of the fiber 27 facing the first region 3, the third illumination light emerges from the fiber 27 and becomes like the second one
  • the third illumination light illuminates a third region 23.
  • the third region 23 is a partial region of the first region 3 and overlaps at least partially with the second region 5.
  • the third region 23 is approximately round and has a diameter of approximately 1 mm.
  • the third light source 22 is thus set up to illuminate the third area 23 with the third illumination light.
  • a core of the optical fibers 15 and 27 each has a diameter of about 200 ⁇ .
  • the fibers 15 and 27 each transmit an intensity component of about 80% of the second and third illumination light coupled into them.
  • the third illumination light is primarily for inducing Raman scattering in the third region 23 of the sample 32.
  • the analyzer 1 further comprises an analysis detector 8 for detecting and for analyzing analysis light scattered, reflected or emitted from the second region 5 and / or from the third region 23.
  • the scattering and / or reflection and / or emission of the analysis light is achieved by the illumination of the sample 32 with the first illumination light and / or with the second illumination light and / or with the third
  • Lighting light causes.
  • the scattering of the analysis light can be based on scattering processes such as Rayleigh scattering and / or Raman scattering.
  • the emission of the analysis light may be due to fluorescence excitation.
  • the analysis light emitted from the second region 5 and / or from the third region 23 is coupled by the focusing lens 36 into optical fibers 9a, 9b, 9c and 9d.
  • the optical fibers 9a to 9d are arranged and arranged between the second region 5 and the third region 23 and the analysis detector 8, respectively, the analysis light on the way from the second
  • Area 5 and the third area 23 to the analysis detector 8 at least partially. Also cores of the optical fibers 9a to 9d each have a diameter of several 100 ⁇ .
  • the optical fibers 9a to 9d are connected to the analysis detector 8 via a fiber connector array (not shown).
  • the analysis detector 8 is designed as a grating spectrometer. Thus, the analysis detector 8 is set up to split the analysis light supplied to it via the optical fibers 9a to 9d into various spectral components and in each case to determine at least one relative intensity of the spectral components. In the present example, the analysis detector 8 is arranged to record a spectrum of the analysis light having a resolution of about 0.5 nm. A recording of this spectrum usually takes less than $ 100.
  • the analyzer 1 further comprises an imaging element 6 designed as a lens and an image detector 7.
  • the imaging element 6 is set up to image the first area 3 of the sample 32 illuminated by the first illumination light onto the image detector 7.
  • the image detector 7 is set up to take a picture of the first area 3.
  • the image detector 7 comprises a plurality of pixel-like juxtaposed Slodetektorele- ments and is formed in the present example as a CCD chip. It is also conceivable that the image detector 7 is designed as a CMOS camera chip.
  • a detection area of the image detector 7 is about 0.5 cm * 0.5 cm.
  • the image detector 7 is set up to detect light in a spectral range between about 300 nm and about 1 ⁇ .
  • a detection efficiency of the image detector 7 is at least 50% at room temperature.
  • the individual pixels of the image detector 7 designed as a CCD chip have an edge length of 20 ⁇ .
  • the image detector 7 is arranged to take color images.
  • the acquisition of an image of the relatively large first area 3 by means of the imaging element 6 and with the aid of the image detector 7 serves to enable a user of the analyzer 1, e.g. for documentation purposes, to make an overview of a condition of the surface of the sample 32 in the first region 3.
  • the image detector 7 detects in particular from the first area 3 scattered first illumination light, second illumination light and third illumination light. The one with the second
  • Illuminated light illuminated second region 5 and the illuminated with the third illumination light third region 23 are clearly visible in the image taken with the image detector 7 image of the first region 3. With the aid of the image detector 7 it can thus be determined where in the first region 3 the second region 5 and the third region 23 are positioned at a given point in time. In particular, a recording of the image of the first area 3 with the image detector 7 and an analysis of the analysis light with the analysis detector 8 can take place simultaneously.
  • the analyzer 1 further comprises a further analysis detector 24 which has a first avalanche photodiode 25a, a second avalanche photodiode 25b and a third avalanche photodiode 25c.
  • a further analysis detector 24 which has a first avalanche photodiode 25a, a second avalanche photodiode 25b and a third avalanche photodiode 25c.
  • the APDs 25a, 25b and 25c are connected to optical fibers 29a, 29b, 29c, 29d and 29e.
  • the analysis light scattered and / or reflected and / or emitted from the second region 5 and from the third region 23 is transmitted via the
  • Focusing lens 36 coupled not only in the fibers 9a to 9d, but also in the optical fibers 29a to 29e.
  • the optical fibers 29a to 29e disposed between the second region 5 and the third region 23 and the further analysis detector 24 are accordingly arranged Analyze light on a path from the second region 5 and the third region 23 to the other analysis detector 24 at least partially lead.
  • the optical fibers 29a and 29b are connected to the APD 25a
  • the optical fibers 29c and 29d are connected to the APD 25b
  • the optical fiber 29e is connected to the APD 25c.
  • Different optical bandpass filters are arranged at the input of the APDs 25a to 25c so that the APDs 25a to 25c each detect in a different spectral range.
  • the APD 25a detects only blue light in a spectral range from 400 to 450 nm.
  • With the APD 25b only green light in a spectral range of 500 to 550 nm is detected.
  • With the APD 25c only red light in a spectral range of 600 to 700 nm is detected.
  • the further analysis detector 24 thus also serves for the detection and analysis of the analysis light scattered and / or reflected and / or emitted from the second region 5 and from the third region 23. Opposite the analysis detector
  • the further analysis detector 24 has a significantly improved time resolution. With the further analysis detector 24 it is possible, for example, to determine fluorescence decay times. This occurs in connection with the pulsed fluorescence excitation by the second light source 4. A time resolution of the further analysis detector 24 here is less than 100 ps.
  • the first light source 2, the second light source 4, the third light source 22, the image detector 7, the analysis detector 8 and the further analysis detector 24 are each connected via electrical lines 45 to a data processing unit 10.
  • the data processing unit 10 comprises a memory chip 12 which is set up to store data recorded at least temporarily with the analysis detector 8, with the further analysis detector 24 and with the image detector 7. Furthermore, the data processing unit 10 has a data interface 13. This is in the present example as
  • the data processing unit 10 furthermore has a microprocessor 14. To the The location of the microprocessor 14 may also be a microcontroller or an FPGA. The microprocessor 14 is designed to evaluate data recorded with the image detector 7 and / or with the analysis detector 8 and / or with the further analysis detector 24 and stored in the memory chip 12. The evaluation of the data may include, for example, a graphical representation of the data.
  • the data processing unit 10 further comprises an input and output unit 40 embodied as a sensor screen. On the latter, a user can, for example, be shown data recorded with the analyzer 1.
  • the user Via the input and output unit 40, it is also possible for the user to control the light sources 2, 4 and 22, the image detector 7 and the analysis detectors 8 and 24.
  • an intensity of the first illumination light and / or the second illumination light and / or the third illumination light can be set via the input and output unit 40.
  • the input and output unit 40 can also be used to set a repetition rate of the pulsed second light source 4. It is also possible to set an exposure time of the image detector 7 and / or of the analysis detector 8 designed as a grating spectrometer via the input and output unit 40. Finally, it is possible to control a time resolution of the further analysis detector 24.
  • the optical fibers 9a to 9d, 15, 27 and 29a to 29e are combined at a first end facing the first region in a cable 18, which is formed here of metal.
  • the cable 18 is also referred to as an optode.
  • the cable 18 has an outer diameter of a few millimeters.
  • the combined in the cable 18 optical fibers extend within the cable 18 so immediately next to each other. A distance between each two extending within the cable 18 optical fibers is thus at most a few millimeters, preferably less than 1 mm. In this way, it is guaranteed that the analysis light scattered and / or emitted from the second region 5 and from the third region 23 is efficiently coupled into the optical fibers 9a to 9d and 29a to 29e provided for detection.
  • the cable 18 is movable such that the second region 5 and the third region 23 are arbitrarily positionable within the first region 3 (see also Fig. 3). In this case, the cable 18 is moved perpendicular to a direction in which the second and the third illumination light emerge from the cable 18.
  • the cable 18 can be moved in steps of about 10 nm. However, a step size of the movement of the cable 18 can also be significantly larger, for example, a few 100 ⁇ .
  • the analyzer 1 has a piezoactuator, not shown here. It is also possible to use a linear electric motor or another moving element for this purpose.
  • the first light source 2 the second light source 4, the image detector 7, the analysis detector 8, the further analysis detector 24, the data processing unit
  • the optical fibers 9a-d, 15, 27 and 29a-e, the imaging element 6 and the focusing lens 36 are disposed within a housing 11 which is part of the analyzer 1. It is also conceivable that one or more of the aforementioned components are not arranged inside the housing 11 but on the housing 11, e.g. on the outside.
  • Part of the housing 11 forms a body part IIa of the housing 11 and a second part of the housing 11 forms a measuring head IIb.
  • the measuring head IIb is the sample to be examined 32, in particular so the illuminated first area 3 faces.
  • the analysis detector 8 and / or the further analysis detector 24 can be designed as components separate from the housing 11 and can be portable per se.
  • the analysis detector 8 and / or the further analysis detector 24 are then z. B. arranged in a different housing from the housing 11 and connectable to the housing 11 arranged in the components of the analyzer 1 via light-conducting elements such as optical fibers and electrical lines.
  • the housing 11 serves to protect and lock the components of the analyzer 1 arranged inside the housing 11.
  • the housing 11 is mainly made of plastic. Likewise, it can at least partially made of aluminum or other metals or metal alloys be.
  • the analyzer 1 has a weight of about 1 kg and is therefore particularly easy to use by one person.
  • a length 46 of the analyzer 1 is about 20 cm.
  • a width 47 and a height of the analyzer 1 not shown in FIG. 1 are each about 15 cm. These dimensions can each be smaller by a factor of 2 to 3.
  • the first light source 2, the image detector 7 and the first region 3 facing fiber outputs of the optical fibers 9a-d, 15, 27 and 29a-d are arranged approximately in a plane. Deviations from an arrangement of these components in a plane amount to at most a few cm. These deviations may also be less than 1 cm or less than a few mm.
  • the optical fibers set up for illumination and for receiving the analysis light are arranged on the same side of the sample 32 to be examined.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the analyzer 1. Recurring features are each provided with identical reference numerals.
  • the second embodiment of the analyzer 1 shown in FIG. 2 differs from the first embodiment shown in FIG. 1 only in that the optical fiber 15 guiding the second illumination light is at a point 41 with the optical fiber 27 which is the optical fiber 27 third
  • Illuminating light is fused by fusion splicing.
  • the fiber 27 thus performs not only the third illumination light, but also the second illumination light.
  • the second region 5 and the third region 23 coincide with great accuracy in this second embodiment of the analysis device 1, for which reason the third region 23 is shown in FIG. 2 merely.
  • FIG. 3 shows a section through the measuring head IIb along the sectional plane 42 shown in FIG.
  • a cross section of the measuring head IIb is approximately round with a diameter of about 3 to 4 cm.
  • the light source 2 comprises four identical white light LEDs, each arranged in an edge area of the measuring head IIb and with respect to a Mit- Tel matterss the cross section of the measuring head IIb are aligned approximately symmetrically.
  • a substantially homogeneous illumination of the first region 3 is achieved with the first illumination light emitted by the first light source 2.
  • the cable 18 can be seen, in which the optical fibers 15, 27, 9a to 9d and 29a to 29e are arranged.
  • the distances between the fibers 15 and 27 and optical fibers 9a to 9d and 29a to 29e are each less than 1 mm.
  • the recording of the analysis light through the optical fibers 9a to 9d and 29a to 29e takes place in this way particularly efficiently.
  • the cable 18 movable along lateral directions 20 and 21 is thus aligned in any position so that the analysis light can be optimally detected.
  • the cable 18 is freely positionable along the lateral directions 20 and 21 within a region 43.
  • Two optical fibers, each marked with a cross, are blind fibers which are not used to illuminate the sample 32 nor to receive the analysis light and to relay the analysis light to one of the detectors 7, 8 or 24.

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Abstract

Beschrieben wird ein mobiles optisches Analysegerät (1), umfassend eine erste Lichtquelle (2) zum Beleuchten eines ersten Bereiches (3) mit erstem Beleuchtungslicht, eine zweite Lichtquelle (4) zum Beleuchten eines zweiten Bereiches (5) mit zweitem Beleuchtungslicht, wobei der zweite Bereich (5) ein Teilbereich des ersten Bereiches (3) ist, eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Bildes des ersten Bereiches, einen Analysedetektor (8) zum Analysieren von aus dem zweiten Bereich (5) gestreutem und/oder reflektierten und/oder emittiertem Analyselicht, mindestens eine zwischen dem zweiten Bereich (5) und dem Analysedetektor (8) angeordnetes erstes lichtleitendes Element, das eingerichtet ist, das Analyselicht auf einem Weg von dem zweiten Bereich (5) zum Analysedetektor (8) wenigstens teilweise zu führen, eine Datenverarbeitungseinheit (10), die eingerichtet ist, mit dem Bilddetektor (7) und/oder mit dem Analysedetektor (8) aufgenommene Daten wenigstens zeitweise zu speichern und/oder weiterzuleiten und/oder auszuwerten, sowie ein Gehäuse (11), innerhalb dessen oder an dem die erste Lichtquelle (2), die zweite Lichtquelle (4), die Vorrichtung zur Aufnahme des Bildes des ersten Bereiches, das erste lichtleitende Element und die Datenverarbeitungseinheit (10) jeweils angeordnet sind.

Description

TRAGBARES OPTI SCHES ANALYSEGERÄT
Die Erfindung betrifft ein mobiles optisches Analysegerät.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Analysegeräten zum Analysieren organischer oder nichtorganischer Proben mithilfe optischer Methoden bekannt. Prominente Beispiele bilden Fluoreszenzmikroskope, bei denen Proben in der Regel mit Licht im UV- oder im sichtbaren Spektralbereich beleuchtet und bei denen aus einem beleuchteten Bereich der Probe gestreutes oder infolge von Fluoreszenzanregung emittiertes Licht mittels optischer Detektoren detektiert und analysiert wird. Auf diese Weise kann beispielweise ein Emissionsspektrum der untersuchten Probe bestimmt oder ein Bild der Probe aufgenommen werden. Bekannte Fluoreszenzmikroskope bieten viele Analysemethoden, sind jedoch vergleichsweise teuer, aufwendig zu bedienen und erfordern eine arbeitsintensive Probenpräparation. Insbesondere sind sie meistens schwer (z.B. haben sie ein Gewicht von mehr als 10 kg) und damit nicht portabel. Bekannte portable optische Analysegeräte dagegen bieten meistens nur sehr wenige optische Analysemethoden, beispielsweise die Aufnahme eines Emissionsspektrums einer Probe mit nur geringer zeitlicher und spektraler Auflösung.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein optisches Analysegerät zu entwickeln, das tragbar, möglichst einfach zu bedienen und möglichst kostengünstig ist, einem Benutzer dabei aber gleichzeitig eine möglichst große Vielzahl von verschiedenen optischen Analysemethoden zur Verfügung stellt, so dass es in einem möglichst weiten Bereich von Anwendungen möglichst flexibel und vielseitig einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein mobiles optisches Analysegerät gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Ein mobiles optisches Analysegerät umfasst eine erste Lichtquelle zum Beleuchten eines ersten Bereiches mit erstem Beleuchtungslicht, eine zweite Lichtquelle zum Beleuchten eines zweiten Bereiches mit zweitem Beleuchtungslicht, wobei der zweite Bereich ein Teilbereich des ersten Bereiches ist, eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Bildes des ersten Bereiches, einen Analysedetektor zum Analysieren von aus dem zweiten Bereich gestreutem und/oder reflektierten und/oder emittiertem Analyselicht, mindestens ein zwischen dem zweiten Bereich und dem Analysedetektor angeordnetes erstes lichtleitendes Element, das eingerichtet ist, das Analyselicht auf einem Weg von dem zweiten Bereich zum Analysedetektor wenigstens teilweise zu führen, eine Datenverarbeitungseinheit, die eingerichtet ist, mit der Vorrichtung zur Aufnahme des Bildes und/oder mit dem Analysedetektor aufgenommene Daten wenigstens zeitweise zu speichern und/oder weiterzuleiten und/oder auszuwerten, sowie ein Gehäuse, innerhalb dessen oder an dem die erste Lichtquelle, die zweite Lichtquelle, die Vorrichtung zur Aufnahme des Bildes des ersten Bereiches, das erste lichtleitende Element und die Datenverarbeitungseinheit jeweils angeordnet sind.
Bei dem ersten Bereich handelt es sich typischerweise um einen Teil einer Oberfläche einer organischen Probe, wie beispielsweise eines Lebensmittels oder eines pflanzlichen, menschlichen oder tierischen Gewebes. Mit dem Analysegerät können jedoch auch nichtorganische Proben untersucht werden. Typischerweise hat der erste Bereich eine in etwa runde Form mit einem Durchmesser von wenigen Zentimetern. Der zweite Bereich kann wesentlich kleiner sein als der erste Bereich. So kann auch der zweite Bereich eine in etwa runde Form haben, wobei ein Durchmesser des zweiten Bereichs weniger als einige mm, vorzugsweise weniger als 1 mm betragen kann.
Sowohl das von der Vorrichtung zur Aufnahme des Bildes des ersten Bereiches detektierte Licht als auch das Analyselicht können das an der Probe gestreute oder reflektierte erste Beleuchtungslicht und/oder das an der Probe gestreute oder reflektierte zweite Beleuchtungslicht umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann das Analyselicht auch Lumineszenzlicht umfassen, das auf elektronische Anregungen in der Probe zurückgeht, die von dem ersten
Beleuchtungslicht und/oder von dem zweiten Beleuchtungslicht hervorgerufen werden. Dabei umfasst das Lumineszenzlicht vor allem Fluoreszenzlicht und in einem geringeren Umfang Phosphoreszenzlicht. Streuprozesse, die bei der Streuung des ersten und des zweiten Beleuchtungslichts an der Probe eine Rolle spielen, umfassen vor allem Rayleigh-Streuung und Raman- Streuung. Eine Wellenlänge des Analyselichtes kann daher gleich, größer oder kleiner sein als Wellenlängen des ersten und/oder des zweiten Beleuchtungslichtes.
Zwischen der ersten Lichtquelle und dem ersten Bereich kann ein erstes abbildendes Element vorgesehen sein, um das erste Beleuchtungslicht in den ersten Bereich zu fokussieren. Typischerweise handelt es sich bei dem ersten abbildenden Element um eine Linse. Bei dem ersten abbildenden Element kann es sich auch um ein optisches Element zur Manipulation einer Lichtpolarisation handeln. Auch zwischen dem zweiten Bereich und einem dem zweiten Bereich zugewandten Ende des ersten lichtleitenden Elements kann ein zweites abbildendes Element vorgesehen sein, dessen Aufgabe es ist, das aus dem zweiten Bereich emittierte, reflektierte oder gestreute Analyselicht effektiv in das erste lichtleitende Element einzukoppeln. Typischerweise ist das erste lichtleitende Element eine erste optische Faser. Der Einfachheit halber wird das erste lichtleitende Element daher im Folgenden durchgehend als erste optische Faser bezeichnet, dieser Ausdruck soll jedoch explizit jedes beliebige lichtleitende Element umfassen. Auch bei dem zweiten abbildenden Element handelt es sich typischerweise um eine Linse. Sofern das mobile optische Ana- lysegerät das erste und das zweite abbildende Element aufweist, sind auch diese vorzugsweise innerhalb des Gehäuses oder an dem Gehäuse angeordnet.
Bei den von der Vorrichtung zur Aufnahme des Bildes aufgenommenen Daten handelt es sich um Energiemengen oder um Anzahlen von Photonen, die zu einem Aufnahmezeitpunkt innerhalb eines Aufnahmezeitintervalls von Teilbereichen des ersten Bereichs ausgesendet und von der Vorrichtung zur Aufnahme des Bildes detektiert werden. Typischerweise ist die Vorrichtung zur Aufnahme des Bildes eingerichtet, Licht in einem Spektralbereich zu detektie- ren, der sich von etwa 350 nm bis zu etwa 1 μιτι erstreckt. Bei den mit dem Analysedetektor aufgenommenen Daten handelt es sich um eine Energiemenge oder um eine Anzahl von Photonen, die zu einem Analysezeitpunkt innerhalb eines Analysezeitintervalls aus dem zweiten Bereich ausgesendet und von dem Analysedetektor detektiert werden. Zusätzlich ist der Analysedetektor eingerichtet, das von ihm detektierte Analyselicht einem oder mehreren Spektralbereichen zuzuordnen. Außerdem kann der Analysedetektor eingerichtet sein, Licht unterschiedlicher Polarisation zu unterscheiden. Zu diesem Zweck kann z.B. an einem Lichteingang des Analysedetektors ein optisches Element vorgesehen sein, das eine Polarisation des Analyselichtes manipuliert, indem es z.B. nur s- oder nur p-polarisiertes Licht transmittiert.
Die Tatsache, dass es sich vorliegend um ein mobiles optisches Analysegerät handelt, soll bedeuten, dass das Analysegerät von einer einzelnen Person bequem tragbar und handhabbar ist. Beispielsweise umfasst diese Aussage, dass das mobile optische Analysegerät ein Gewicht hat, welches kleiner ist als 2 kg. Vorzugsweise beträgt das Gewicht des mobilen optischen Analysegeräts je- doch weniger als 1 kg. Das Gewicht des mobilen bzw. tragbaren optischen Analysegerätes kann auch kleiner sein als 10 kg oder kleiner als 5 kg. Zusätzlich betragen eine Höhe, eine Länge und eine Breite des Gehäuses des mobilen optischen Analysegeräts jeweils höchstens 40 cm. Vorzugsweise betragen die Länge, die Höhe und die Breite des Gehäuses jedoch jeweils weniger als 30 cm. Besonders vorzugsweise betragen die Höhe, die Länge und die Breite des Gehäuses weniger als 20 cm.
Das Analysegerät ist also besonders kompakt und gut von einer einzelnen Per- son handhabbar. Zusätzlich stellt das Analysegerät eine Vielzahl von Analysemethoden zur Untersuchung von organischen Proben bereit. Dadurch, dass die erste Lichtquelle den ersten Bereich mit dem ersten Beleuchtungslicht beleuchtet ist es möglich, ein vollständiges Bild des ersten Bereichs aufzunehmen. Dadurch, dass die zweite Lichtquelle den zweiten Bereich mit dem zweiten Beleuchtungslicht beleuchtet und dass der Analysedetektor eingerichtet ist, das aus dem zweiten Bereich gestreute, reflektierte oder emittierte Analyselicht zu detektieren und zu analysieren, ist es möglich, das Analyselicht hinsichtlich seiner Intensität und seiner spektralen Eigenschaften näher zu untersuchen. Insbesondere ist es vorgesehen, dass eine Aufnahme des ersten Bereichs durch die Vorrichtung zur Aufnahme des Bildes und dass die Detekti- on und die Analyse des Analyselichts durch den Analysedetektor gleichzeitig erfolgen können. Auf diese Weise ist es möglich, den zusätzlich mit dem zweiten Beleuchtungslicht beleuchteten zweiten Bereich, der ein Teilbereich des ersten Bereichs ist, in dem aufgenommenen Bild des ersten Bereichs zu identi- fizieren. Auf diese Weise können mit dem Analysedetektor bestimmte spektrale Eigenschaften der Probe einem Bereich in dem aufgenommenen Bild des ersten Bereiches zugeordnet werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Emissionsspektrum der ersten Lichtquelle ein Weißlichtspektrum. Die erste Lichtquelle kann Licht in einem Spektralbereich von 400 nm bis 700 nm emittieren. Dies soll bedeuten, dass ein Emissionswert (beispielsweise eine Intensität) in dem genannten Spektralbereich jeweils mindestens 10% eines maximalen Emissionswertes in dem genannten Spektralbereich beträgt. Zur Erzeugung eines derartigen Spektrums kann die erste Lichtquelle z.B. als Weißlicht-Leuchtdiode ausgebildet sein. Die erste Lichtquelle kann jedoch auch z.B. eine blaue, eine grüne und eine rote Leuchtdiode umfassen, deren Licht zu weißem Licht gemischt wird. Dadurch, dass das Emissionsspektrum der ersten Lichtquelle ein Weißlichtspektrum ist, kann eine Vielzahl von Molekülen und/oder Polymeren zur Fluoreszenz angeregt werden. Ebenso kann eine Vielzahl von Streuprozessen induziert und genutzt werden. Insbesondere die Bildaufnahme des ersten Bereichs mit der Vorrichtung zur Aufnahme des Bildes ist auf diese Weise besonders flexibel, da Bilder einer Vielzahl unterschiedlicher Proben jeweils mit guter Qualität aufgenommen werden können. Eine Leistung des von der ersten Lichtquelle emittierten ersten Beleuchtungslichtes kann mindestens 1 mW, vorzugsweise mindestens 10 mW, besonders vorzugsweise mindestens
100 mW betragen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die zweite Lichtquelle einen Laser, vorzugsweise einen Diodenlaser. Eine von der zweiten Lichtquelle emittierte Leistung des zweiten Beleuchtungslichts kann mindestens 0,1 mW, vorzugsweise mindestens 1 mW, besonders vorzugsweise mindestens §10 mW betragen. Der Laser kann kontinuierlich oder gepulst betrieben werden. Wird der Laser gepulst betrieben, so kann eine Pulslänge im ns-Bereich, im ps-Bereich oder im fs-Bereich liegen. Eine Pulsrate kann zwi- sehen einigen KHz und etwa 100 MHz betragen. Eine Wellenlänge des von dem Laser emittierten zweiten Beleuchtungslichts kann in einem Wellenlängenbereich zwischen etwa 350 nm und etwa 800 nm liegen. Eine Wahl der Wellenlänge des von dem Laser emittierten zweiten Beleuchtungslichts kann in Abhängigkeit von der zu untersuchenden Probe erfolgen. Dadurch, dass die zweite Lichtquelle als Laser ausgebildet ist, kann das von dem Laser erzeugte zweite Beleuchtungslicht mit einer vorgegebenen Wellenlänge und mit hoher Intensität emittiert werden. Diodenlaser sind besonders kostengünstig und sind in bevorzugt kompakter Bauweise erhältlich. Zum Beobachten von Ra- man-Spektren ist eine Beleuchtung mit Lasern unbedingt erforderlich. Die Intensität und/oder die Polarisation und/oder die Pulsrate und/oder die Pulsdauer und/oder die Wellenlänge des zweiten Beleuchtungslichtes kann z.B. im Verlaufe der Aufnahme einer Messreihe variiert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vor- richtung zur Aufnahme des Bildes des ersten Bereiches einen Bilddetektor mit einer Vielzahl von pixelartig nebeneinander angeordneten Bilddetektorele- menten sowie ein zwischen dem ersten Bereich und dem Bilddetektor angeordnetes drittes abbildendes Element. Vorzugsweise ist der Bilddetektor dabei als CCD-Chip oder als CMOS-Kamerachip ausgebildet. Eine Detektions- fläche des Bilddetektors kann beispielsweise 0,5 cm * 0,5 cm betragen. Die einzelnen Bilddetektorelemente des Bilddetektors sind vorzugsweise quadratisch und haben beispielsweise eine Kantenlänge von 20 μηι. CCD-Chips und CMOS-Kamerachips sind kostengünstig, weisen in einem weiten Spektralbereich eine gute Detektionseffizienz auf und können schnell ausgelesen werden. Beispielsweise kann eine Bildaufnahmerate des Bilddetektors einige 100 Hz betragen. Das dritte abbildende Element kann als Linse, als Mikrolinse o.ä. ausgebildet sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Analysedetektor ein Spektrometer, das eingerichtet ist, das Analyselicht in verschiedene spektrale Komponenten aufzuspalten und jeweils wenigstens eine relative Intensität der spektralen Komponenten zu bestimmen. Beispielsweise kann der Analysedetektor als Gitterspektrometer oder als
Prismenspektrometer ausgebildet sein. Der Analysedetektor kann ausgebildet sein, Analyselicht in einem Spektralbereich zwischen 300 nm und 1 pm zu analysieren. Bei den spektralen Komponenten handelt es sich um spektrale Intervalle mit einer Länge von weniger als 10 nm, vorzugsweise von weniger als 5 nm, besonders vorzugsweise von weniger als 1 nm. Eine Belichtungszeit des Spektrometers kann weniger als 1 ms, vorzugsweise weniger als 100 ε betragen. Auch der Analysedetektor kann innerhalb des Gehäuses oder an dem Gehäuse angeordnet sein. Der Analysedetektor kann sich aber auch außerhalb der Analysegerätes befinden und von diesem getrennt angeordnet sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Datenverarbeitungseinheit einen Speicherchip und/oder eine Datenschnittstelle und/oder einen Mikrocontroller und/oder einen Mikroprozessor und/oder einen FPGA. Zusätzlich kann die Datenverarbeitungseinheit eine Eingabeeinheit und eine Ausgabeeinheit aufweisen. Die Eingabeeinheit kann beispielsweise als Tastatur oder als Sensorbildschirm ausgebildet sein. Auch die Ausgabeeinheit kann als Bildschirm oder als Sensorbildschirm ausgebildet sein. Über die Ausgabeeinheit können mit dem mobilen optischen Analysegerät aufgenommene Daten einem Benutzer angezeigt werden. Über die Daten- Schnittstelle kann das mobile optische Analysegerät an eine elektronische Rechenvorrichtung, beispielsweise einen Computer, angeschlossen werden. Die Datenschnittstelle kann auch als Sende- und Empfangseinheit ausgebildet sein. Auf diese Weise können mit dem mobilen optischen Analysegerät aufgenommene Daten drahtlos an andere Geräte übertragen werden. Mittels der Datenverarbeitungseinheit können die erste und die zweite Lichtquelle gesteuert werden. Beispielsweise können die erste und die zweite Lichtquelle ein- und ausgeschaltet werden und/oder es kann eine Intensität des von der ersten und der zweiten Lichtquelle emittierten Lichts eingestellt werden. Auch die Vorrichtung zur Aufnahme des Bildes und der Analysedetektor sind über die Datenverarbeitungseinheit steuerbar. Die mit dem Analysedetektor und/oder mit der Vorrichtung zur Aufnahme des Bildes aufgenommen Daten werden an die Datenverarbeitungseinheit weitergeleitet. Das Analysegerät kann auch eine Energieversorgungseinheit, beispielsweise eine Batterie aufweisen. Ebenso kann es einen Anschluss für eine externe Stromversorgung aufweisen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das mobile optische Analysegerät ein zweites lichtleitendes Element auf, das eingerichtet ist, das zweite Beleuchtungslicht auf einem Weg von der zweiten Lichtquelle zum zweiten Bereich wenigstens teilweise zu führen. Dabei kann das zweite lichtleitende Element als zweite optische Faser ausgebildet sein. Der Einfachheit halber wird auch das zweite lichtleitende Element im Weiteren durchgehend als zweite optische Faser bezeichnet. Dieser Ausdruck soll jedoch explizit jedes beliebige lichtleitende Element umfassen. Vorzugsweise wird das von der zweiten Lichtquelle emittierte zweite Beleuchtungslicht dabei mittels einer ersten Koppellinse in die zweite optische Faser eingekoppelt. Es kann vorgesehen sein, dass zwischen einem dem zweiten Bereich zugewandten Ende der zweiten optischen Faser und dem zweiten Bereich ein viertes abbildendes Element vorgesehen ist, um das zweite Beleuchtungslicht in die zu untersuchende Probe zu fokussieren und auf diese Weise besonders hohe Intensitäten des zweiten Beleuchtungslichts in oder auf der Probe zu erzielen. Dadurch, dass das zweite Beleuchtungslicht auf dem Weg von der zweiten Lichtquelle zum zweiten Bereich wenigstens teilweise von der zweiten optischen Faser geführt wird, ist eine Anordnung der zweiten Lichtquelle innerhalb des Gehäuses oder an dem Gehäuse besonders flexibel wählbar. Sofern eine Verwendung der zweiten optischen Faser vorgesehen ist, ist es besonders vorteilhaft, wenn die erste optische Faser und die zweite optische Faser jeweils wenigstens an einem dem ersten Bereich zugewandten Ende in einem Kabel zusammengefasst sind. Der Durchmesser eines derartigen Kabels beträgt beispielsweise wenige mm. Die dem ersten Bereich zugewandten Enden der ersten und der zweiten optischen Faser sind auf diese Weise in einem geringen Abstand von z.B. wenigen mm oder weniger voneinander angeordnet. Tritt das zweite Beleuchtungslicht aus einem dem ersten Bereich zuge- wandten Faserende der zweiten Faser aus und beleuchtet den zweiten Bereich, so wird das in dem zweiten Bereich an oder aus der Probe gestreute, reflektierte oder emittierte Analyselicht mit hoher Effizienz in die erste optische Faser eingekoppelt und dem Analysedetektor zugeführt. Bei dem Kabel muss es sich nicht um ein Kabel im eigentlichen Sinne handeln. Eine Hülle des Kabels kann beispielsweise aus elastischem Kunststoff, aus hartem Kunststoff, aus Metall oder aus Keramik gebildet sein. Entscheidend ist, dass die erste und die zweite optische Faser in dem Kabel eng zusammengeführt werden, so dass insbesondere die dem ersten Bereich zugewandten Enden der ersten und der zweiten optischen Faser in geringem Abstand voneinander angeordnet sind.
Sofern die dem ersten Bereich zugewandten Enden der ersten und der zweiten optischen Faser in dem Kabel zusammengefasst sind, ist es besonders vorteilhaft, wenn wenigstens ein dem ersten Bereich zugewandtes Ende des Ka- bels derart bewegbar ist, dass der zweite Bereich innerhalb des ersten Bereiches beliebig positionierbar ist. Das Kabel kann auch insgesamt bewegbar sein. Auf diese Weise kann der zweite Bereich über den ersten Bereich verfahren, d.h. gerastert werden. Damit können spektrale Eigenschaften im gesamten ersten Bereich bestimmt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine dritte Lichtquelle zum Beleuchten eines dritten Bereiches mit drittem
Beleuchtungslicht vorgesehen, wobei der dritte Bereich ein Teilbereich des ersten Bereiches ist und wobei der dritte Bereich mit dem zweiten Bereich mindestens teilweise überlappt. Vorteilhafterweise ist auch die dritte Lichtquelle als Laser, vorzugsweise als Diodenlaser ausgebildet. Damit können der dritten Lichtquelle dieselben Eigenschaften zukommen wie der zweiten Lichtquelle. Insbesondere kann also auch die dritte Lichtquelle kontinuierlich oder gepulst betrieben werden. Eine Leistung des von der dritten Lichtquelle emittierten dritten Beleuchtungslichts kann ebenfalls mindestens 0,1 mW, vor- zugsweise mindestens IQ mW, besonders vorzugsweise mindestens 510 mW betragen. Auch eine Wellenlänge des von der dritten Lichtquelle emittierten dritten Beleuchtungslichts kann in einem Wellenbereich zwischen ca. 350 nm und ca. 700 nm liegen. Wenn auch die dritte Lichtquelle als Laser ausgebildet ist, so ist es besonders vorteilhaft, wenn eine dritte optische Faser vorgesehen ist, die eingerichtet ist, das dritte Beleuchtungslicht auf dem Weg von der dritten Lichtquelle zum dritten Bereich wenigstens teilweise zu führen. Anstelle der dritten optischen Faser kann jedes andere beliebige lichtleitende Element vorgesehen sein. Insbesondere kann auch ein dem ersten Bereich zugewandtes Ende dieser dritten optischen Faser mit der ersten und der zweiten opti- sehen Faser in dem Kabel zusammengefasst sein. Da die dem ersten Bereich zugewandten Enden der zweiten und der dritten optischen Faser in diesem Fall unmittelbar benachbart sind, fallen der zweite und der dritte Bereich beinahe vollständig zusammen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die dritte optische Faser und die zweite optische Faser mittels Fusionsspleißen zusam- mengeführt werden, so dass beide optischen Fasern an dem dem ersten Bereich zugewandten Ende identisch sind. In diesem Fall fallen der zweite und der dritte Bereich mit großer Genauigkeit zusammen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein weiterer Analysedetektor vorgesehen, der mindestens eine Lawinenfotodiode (APD) und/oder mindestens eine Elektronenvervielfacherröhre (PMT) und/oder mindestens einen Fototransistor und/oder mindestens einen Fotowiderstand als Detektorelement umfasst. Mit dem weiteren Analysedetektor werden zusätzliche Analysefunktionalitäten zur Analyse des Analyselichts bereitgestellt. Das aus dem zweiten und/oder dem dritten Bereich gestreute, reflektierte oder emittierte Analyselicht kann dem weiteren Analysedetektor über mindestens eine vierte optische Faser zugeführt werden. An einem dem weiteren Analysedetektor zugewandten Ende der vierten optischen Faser oder vor einem Lichteingang des weiteren Analysedetektors kann ein wellenlängenselek- tives Element, beispielsweise ein Langpassfilter, ein Kurzpassfilter, ein Bandpassfilter oder ein Interferenzfilter vorgesehen sein. In dem Fall, dass mehrere vierte optische Fasern vorgesehen sind, die das Analyselicht jeweils einem anderen Detektorelement des weiteren Analysedetektors zuzuführen eingerichtet sind, können an den dem weiteren Analysedetektor zugewandten Enden dieser Fasern jeweils unterschiedliche wellenlängenselektive Elemente vorgesehen sein. Auf diese Weise wird der weitere Analysedetektor zu einem Vielkanaldetektor. So kann beispielsweise eine erste APD nur zum Detektieren von blauem Licht, eine zweite APD nur zum Detektieren von grünem Licht und eine dritte APD nur zum Detektieren von rotem Licht ausgebildet sein. Der weitere Analysedetektor kann damit eine gegenüber dem Analysedetektor und dem Bilddetektor erheblich verbesserte Zeitauflösung aufweisen. Eine Zeitauflösung des weiteren Analysedetektors kann beispielsweise weniger als eine 1 ns, vorzugsweise weniger als 100 ps betragen. Insbesondere wenn die zweite und/oder die dritte Lichtquelle gepulst betrieben werden, ist es damit möglich z.B. Fluoreszenzabklingzeiten zu bestimmen. Diese können über einen Abfall der elektrischen Spannung ermittelt werden, die an dem in dem weiteren Analysedetektor verwendeten Fotodetektor abgreifbar ist. Typischerweise beträgt eine Leistung des von dem Analysedetektor oder des von dem weiteren Analysedetektor detektierten Analyselichtes einige W oder einige mW. Dieser Wert ist von einer Intensität des Beleuchtungslichtes und daneben vor allem auch von einer Beschaffenheit der jeweils untersuchten Probe abhängig-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mobilen optischen Analysegeräts sowie eine mit dem Analysegerät untersuchte Probe,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des mobilen optischen Analysegeräts mit der zu untersuchenden Probe aus Fig. 1, sowie
Fig. 3 einen Schnitt durch einen Messkopf des Analysegerätes aus Fig. 1, und zwar entlang einer in der Fig. 1 dargestellten Schnittebene.
Fig. 1 zeigt ein mobiles optisches Analysegerät 1 und eine mit dem Analysege- rät 1 untersuchte Probe 32. Bei der Probe 32 handelt es sich um eine Fleischprobe. Diese ist in den Fign. 1 und 2 für Illustrationszwecke im Gegensatz zu dem Analysegerät 1 nicht in einer reinen Seitenansicht, sondern in einer Schrägansicht wiedergegeben. Bei einer in den Fign. 1 und 2 dargestellten Oberfläche der Probe 32 soll es sich also um die dem Analysegerät 1 zugewandte Oberfläche der Probe 32 handeln. Die Probe 32 soll beispielsweise auf ihre Qualität hin untersucht werden. Das Analysegerät 1 umfasst eine erste Lichtquelle 2 in Form mehrerer Weißlicht-LEDs (siehe Fig. 3). Ein Emissionsspektrum der Lichtquelle 2 ist also ein Weißlichtspektrum. Fig. 3 ist zu ent- nehmen, dass das Analysegerät 1 vier derartige Weißlicht-LEDs aufweist, von denen in der in Fig. 1 gezeigten Seitenansicht jedoch nur eine zu erkennen ist. Die erste Lichtquelle 2 ist eingerichtet, einen ersten Bereich 3 der Probe 32 mit erstem Beleuchtungslicht zu beleuchten. Die Probe 32 befindet sich in einem Abstand von etwa 2 cm von einem Ende 33 des Analysegeräts 1. Bei dem ersten Bereich 3 handelt es sich um einen Teil der dem Analysegerät 1 zugewandten Oberfläche der Fleischprobe 32. Der Bereich 3 ist in etwa rund und hat einen Durchmesser 34 von etwa 2 cm. Der Bereich 3 wird von der ersten Lichtquelle 2 in etwa homogen ausgeleuchtet. Die Weißlicht-LEDs der ersten Lichtquelle 2 haben jeweils eine Leistung von etwa 100 mW. Das Weiß- lichtspektrum der Lichtquelle 2 erstreckt sich über einen Wellenlängenbereich von etwa 400 nm bis etwa 700 nm.
Neben der ersten Lichtquelle 2 weist das Analysegerät 1 eine zweite Lichtquelle 4 und eine dritte Lichtquelle 22 auf. Die zweite Lichtquelle 4 und die dritte Lichtquelle 22 sind jeweils als Diodenlaser ausgebildet. In dem vorliegenden
Beispiel emittiert die zweite Lichtquelle 4 zweites Beleuchtungslicht bei einer Wellenlänge von 488 nm. Eine Leistung des von der zweiten Lichtquelle 4 emittierten zweiten Beleuchtungslichts beträgt 30 mW. Die zweite Lichtquelle 4 wird gepulst betrieben. Dabei beträgt eine Pulsrate der zweiten Lichtquelle 4 80 MHz und eine Pulslänge eines einzelnen Pulses beträgt etwa 100 ps. In dem vorliegenden Beispiel dient die zweite Lichtquelle 4 vor allem der Anregung von Fluoreszenz in der Probe 32.
Die dritte Lichtquelle 22 emittiert drittes Beleuchtungslicht bei einer Wellen- länge von 560 nm. Eine Leistung des von der dritten Lichtquelle 22 emittierten dritten Beleuchtungslichts beträgt 40 mW. Die dritte Lichtquelle 22 wird kon- tinuierlich betrieben (cw).
Das von der zweiten Lichtquelle 4 emittierte zweite Beleuchtungslicht wird über eine erste Koppellinse 38 in eine optische Faser 15 eingekoppelt. Das zweite Beleuchtungslicht tritt an einem dem ersten Bereich 3 zugewandten
Ende 17 der optischen Faser 15 aus der optischen Faser 15 aus. Sodann wird das zweite Beleuchtungslicht mittels einer Fokussierlinse 36 in einen zweiten Bereich 5 fokussiert. Der zweite Bereich 5 ist ein Teilbereich des ersten Bereichs 3. Auch der zweite Bereich 5 ist also ein Teil der Oberfläche der Probe 32. Der zweite Bereich 5 ist in etwa rund und hat einen Durchmesser von etwas weniger als 1 mm. Die zweite Lichtquelle 4 ist also eingerichtet, den zweiten Bereich 5 mit dem zweiten Beleuchtungslicht zu beleuchten. Dabei ist die optische Faser 15 eingerichtet, das zweite Beleuchtungslicht auf dem Weg von der zweiten Lichtquelle 4 zum zweiten Bereich 5 wenigstens teilweise zu füh- ren.
Auch das von der dritten Lichtquelle 22 emittierte dritte Beleuchtungslicht wird über eine Koppellinse 35 in eine optische Faser 27 eingekoppelt. An einem dem ersten Bereich 3 zugewandten Ende 37 der Faser 27 tritt das dritte Beleuchtungslicht aus der Faser 27 aus und wird wie das zweite
Beleuchtungslicht mit Hilfe der Fokussierlinse 36 auf die Oberfläche der Probe 32 fokussiert. Dort beleuchtet das dritte Beleuchtungslicht einen dritten Bereich 23. Der dritte Bereich 23 ist ein Teilbereich des ersten Bereiches 3 und überlappt mindestens teilweise mit dem zweiten Bereich 5. Auch der dritte Bereich 23 ist in etwa rund und hat einen Durchmesser von etwa 1 mm. Die dritte Lichtquelle 22 ist also eingerichtet, den dritten Bereich 23 mit dem dritten Beleuchtungslicht zu beleuchten.
Ein Kern der optischen Fasern 15 und 27 hat jeweils einen Durchmesser von etwa 200 μιτι. Die Fasern 15 und 27 transmittieren jeweils einen Intensitätsanteil von etwa 80% des in sie eingekoppelten zweiten und dritten Beleuchtungslichts. In dem vorliegenden Beispiel dient das dritte Beleuchtungslicht vornehmlich dem Induzieren von Raman-Streuung im dritten Bereich 23 der Probe 32.
Das Analysegerät 1 umfasst ferner einen Analysedetektor 8 zum Detektieren und zum Analysieren von Analyselicht, welches aus dem zweiten Bereich 5 und/oder aus dem dritten Bereich 23 gestreut, reflektiert oder emittiert wird. Die Streuung und/oder Reflexion und/oder Emission des Analyselichtes wird durch die Beleuchtung der Probe 32 mit dem ersten Beleuchtungslicht und/oder mit dem zweiten Beleuchtungslicht und/oder mit dem dritten
Beleuchtungslicht bewirkt. Der Streuung des Analyselichts können Streuprozesse wie beispielsweise die Rayleigh-Streuung und/oder die Raman-Streuung zugrunde liegen. Die Emission des Analyselichts kann beispielsweise auf Fluoreszenzanregung zurückgehen.
Das aus dem zweiten Bereich 5 und/oder aus dem dritten Bereich 23 ausgesendete Analyselicht wird durch die Fokussierlinse 36 in optische Fasern 9a, 9b, 9c und 9d eingekoppelt. Die optischen Fasern 9a bis 9d sind zwischen dem zweiten Bereich 5 bzw. dem dritten Bereich 23 und dem Analysedetektor 8 angeordnet und eingerichtet, das Analyselicht auf dem Weg von dem zweiten
Bereich 5 und dem dritten Bereich 23 zum Analysedetektor 8 wenigstens teilweise zu führen. Auch Kerne der optischen Fasern 9a bis 9d haben jeweils einen Durchmesser von einigen 100 μιτι. Die optischen Fasern 9a bis 9d sind über ein Faserstecker-Array an den Analysedetektor 8 angeschlossen (nicht gezeigt).
Der Analysedetektor 8 ist als Gitterspektrometer ausgebildet. Damit ist der Analysedetektor 8 eingerichtet, das ihm über die optischen Fasern 9a bis 9d zugeführte Analyselicht in verschiedene spektrale Komponenten aufzuspalten und jeweils wenigstens eine relative Intensität der spektralen Komponenten zu bestimmen. In dem vorliegenden Beispiel ist der Analysedetektor 8 eingerichtet, ein Spektrum des Analyselichts mit einer Auflösung von etwa 0,5 nm aufzunehmen. Eine Aufnahme dieses Spektrums dauert gewöhnlich weniger als 100 $.
Das Analysegerät 1 weist ferner ein als Linse ausgebildetes abbildendes Element 6 und einen Bilddetektor 7 auf. Das abbildende Element 6 ist eingerichtet, den mit dem ersten Beleuchtungslicht beleuchteten ersten Bereich 3 der Probe 32 auf den Bilddetektor 7 abzubilden. Der Bilddetektor 7 ist eingerich- tet, ein Bild des ersten Bereichs 3 aufzunehmen. Der Bilddetektor 7 umfasst eine Vielzahl von pixelartig nebeneinander angeordneten Bilddetektorele- menten und ist in dem vorliegenden Beispiel als CCD-Chip ausgebildet. Ebenso ist es denkbar, dass der Bilddetektor 7 als CMOS-Kamerachip ausgebildet ist. Eine Detektionsfläche des Bilddetektors 7 beträgt etwa 0,5 cm * 0,5 cm. Der Bilddetektor 7 ist eingerichtet, Licht in einem Spektralbereich zwischen etwa 300 nm und etwa 1 μιη zu detektieren. Eine Detektionseffizienz des Bilddetektors 7 beträgt bei Raumtemperatur wenigstens 50%. Die einzelnen Pixel des als CCD-Chip ausgebildeten Bilddetektors 7 haben eine Kantenlänge von 20 μιτι. Der Bilddetektor 7 ist eingerichtet, farbige Bilder aufzunehmen.
Die Aufnahme eines Bildes des relativ großen ersten Bereichs 3 mit Hilfe des abbildenden Elements 6 und mit Hilfe des Bilddetektors 7 dient einem Benutzer des Analysegerätes 1 dazu, sich z.B. zu Dokumentationszwecken einen Überblick über eine Beschaffenheit der Oberfläche der Probe 32 in dem ersten Bereich 3 zu machen. Der Bilddetektor 7 detektiert dabei insbesondere aus dem ersten Bereich 3 gestreutes erstes Beleuchtungslicht, zweites Beleuchtungslicht und drittes Beleuchtungslicht. Der mit dem zweiten
Beleuchtungslicht beleuchtete zweite Bereich 5 und der mit dem dritten Beleuchtungslicht beleuchtete dritte Bereich 23 sind in dem mit dem Bilddetektor 7 aufgenommenen Bild des ersten Bereichs 3 gut zu erkennen. Mit Hilfe des Bilddetektors 7 kann also festgestellt werden, wo in dem ersten Bereich 3 der zweite Bereich 5 und der dritte Bereich 23 zu einem gegebenen Zeitpunkt positioniert sind. Insbesondere können eine Aufnahme des Bildes des ersten Bereichs 3 mit dem Bilddetektor 7 und eine Analyse des Analyselichts mit dem Analysedetektor 8 gleichzeitig erfolgen.
Das Analysegerät 1 umfasst ferner einen weiteren Analysedetektor 24, der eine erste Lawinenfotodiode 25a, eine zweite Lawinenfotodiode 25b und eine dritte Lawinenfotodiode 25c aufweist. An die Stelle der APDs 25a, 25b und 25c können jeweils z.B. auch PMTs treten. Über Faserstecker 26 sind die APDs 25a, 25b und 25c mit optischen Fasern 29a, 29b, 29c, 29d und 29e verbunden. Das aus dem zweiten Bereich 5 und aus dem dritten Bereich 23 gestreute und/oder reflektierte und/oder emittierte Analyselicht wird über die
Fokussierlinse 36 nicht nur in die Fasern 9a bis 9d, sondern auch in die optischen Fasern 29a bis 29e eingekoppelt. Die zwischen dem zweiten Bereich 5 und dem dritten Bereich 23 und dem weiteren Analysedetektor 24 angeordneten optischen Fasern 29a bis 29e sind demnach eingerichtet, das Analyselicht auf einem Weg von dem zweiten Bereich 5 und dem dritten Bereich 23 zum weiteren Analysedetektor 24 wenigstens teilweise zu führen.
In dem vorliegenden Beispiel sind die optischen Fasern 29a und 29b mit der APD 25a, die optischen Fasern 29c und 29d mit der APD 25b sowie die optische Faser 29e mit der APD 25c verbunden. Am Eingang der APDs 25a bis 25c sind jeweils verschiedene optische Bandpassfilter angeordnet, so dass die APDs 25a bis 25c jeweils in einem unterschiedlichen spektralen Bereich detek- tieren. Hier wird mit der APD 25a nur blaues Licht in einem Spektralbereich von 400 bis 450 nm detektiert. Mit der APD 25b wird nur grünes Licht in einem Spektralbereich von 500 bis 550 nm detektiert. Mit der APD 25c wird nur rotes Licht in einem Spektralbereich von 600 bis 700 nm detektiert. Auch der weitere Analysedetektor 24 dient also der Detektion und Analyse des aus dem zweiten Bereich 5 und aus dem dritten Bereich 23 gestreuten und/oder reflek- tierten und/oder emittierten Analyselichts. Gegenüber dem Analysedetektor
8 weist der weitere Analysedetektor 24 eine erheblich verbesserte Zeitauflösung auf. Mit dem weiteren Analysedetektor 24 ist es beispielsweise möglich, Fluoreszenzabklingzeiten zu bestimmen. Dies geschieht im Zusammenhang mit der gepulsten Fluoreszenzanregung durch die zweite Lichtquelle 4. Eine Zeitauflösung des weiteren Analysedetektors 24 beträgt hier weniger als 100 ps.
Die erste Lichtquelle 2, die zweite Lichtquelle 4, die dritte Lichtquelle 22, der Bilddetektor 7, der Analysedetektor 8 und der weitere Analysedetektor 24 sind jeweils über elektrische Leitungen 45 mit einer Datenverarbeitungseinheit 10 verbunden. Die Datenverarbeitungseinheit 10 umfasst einen Speicherchip 12, der eingerichtet ist, mit dem Analysedetektor 8, mit dem weiteren Analysedetektor 24 und mit dem Bilddetektor 7 aufgenommene Daten wenigstens zeitweise zu speichern. Ferner weist die Datenverarbeitungseinheit 10 eine Datenschnittstelle 13 auf. Diese ist in dem vorliegenden Beispiel als
USB-Schnittstelle ausgebildet. Über die USB-Schnittstelle können in dem Speicherchip 12 gespeicherte Daten an weitere Geräte übermittelt werden. Es ist auch denkbar, dass die Datenschnittstelle 13 als Sende- und Empfangseinheit ausgebildet ist. In diesem Fall kann eine Weiterleitung von in dem Speicher- chip 12 gespeicherten Daten an weitere Geräte drahtlos erfolgen. Die Datenverarbeitungseinheit 10 weist weiterhin einen Mikroprozessor 14 auf. An die Stelle des Mikroprozessors 14 kann auch ein MikroController oder ein FPGA treten. Der Mikroprozessor 14 ist ausgebildet, mit dem Bilddetektor 7 und/oder mit dem Analysedetektor 8 und/oder mit dem weiteren Analysedetektor 24 aufgenommene und in dem Speicherchip 12 gespeicherte Daten auszuwerten. Das Auswerten der Daten kann beispielsweise eine grafische Darstellung der Daten umfassen. Die Datenverarbeitungseinheit 10 umfasst weiterhin eine als Sensorbildschirm ausgebildete Eingabe- und Ausgabeeinheit 40. Auf dieser können einem Benutzer beispielsweise mit dem Analysegerät 1 aufgenommene Daten angezeigt werden.
Über die Eingabe- und Ausgabeeinheit 40 ist es dem Benutzer ferner möglich, die Lichtquellen 2, 4 und 22, den Bilddetektor 7 und die Analysedetektoren 8 und 24 anzusteuern. Beispielsweise kann über die Eingabe- und Ausgabeeinheit 40 eine Intensität des ersten Beleuchtungslichts und/oder des zweiten Beleuchtungslichts und/oder des dritten Beleuchtungslichts eingestellt werden. Über die Eingabe- und Ausgabeeinheit 40 kann auch eine Repetitionsrate der gepulst betriebenen zweiten Lichtquelle 4 eingestellt werden. Auch ist es möglich, über die Eingabe- und Ausgabeeinheit 40 eine Belichtungszeit des Bilddetektors 7 und/oder des als Gitterspektrometer ausgebildeten Analysedetektors 8 einzustellen. Schließlich ist es möglich, eine Zeitauflösung des weiteren Analysedetektors 24 zu kontrollieren.
Die optischen Fasern 9a bis 9d, 15, 27 sowie 29a bis 29e sind an einem dem ersten Bereich zugewandten Ende in einem Kabel 18 zusammengefasst, welches hier aus Metall gebildet ist. Das Kabel 18 wird auch als Optode bezeichnet. Das Kabel 18 hat einen Außendurchmesser von wenigen Millimetern. Die in dem Kabel 18 zusammengefassten optischen Fasern verlaufen innerhalb des Kabels 18 also unmittelbar nebeneinander. Ein Abstand zwischen je zwei innerhalb des Kabels 18 verlaufenden optischen Fasern beträgt also höchstens wenige Millimeter, vorzugsweise weniger als 1 mm. Auf diese Weise wird garantiert, dass das aus dem zweiten Bereich 5 und aus dem dritten Bereich 23 gestreute und/oder emittierte Analyselicht effizient in die zur Detektion vorgesehenen optischen Fasern 9a bis 9d und 29a bis 29e eingekoppelt wird.
Das Kabel 18 ist derart bewegbar, dass der zweite Bereich 5 und der dritte Bereich 23 innerhalb des ersten Bereichs 3 beliebig positionierbar sind (siehe auch Fig. 3). Dabei wird das Kabel 18 senkrecht zu einer Richtung bewegt, in der das zweite und das dritte Beleuchtungslicht aus dem Kabel 18 austreten. Durch Abrastern des ersten Bereichs mit dem zweiten Bereich 5 und dem dritten Bereich 23 in Verbindung mit einer Analyse des aus dem zweiten Bereich 5 und dem dritten Bereich 23 emittierten und/oder reflektierten und/oder gestreuten Analyselichts ist es möglich, eine spektrale Karte des gesamten ersten Bereichs 3 zu erstellen. Das Kabel 18 kann in Schritten von etwa 10 nm bewegt werden. Eine Schrittweite der Bewegung des Kabels 18 kann jedoch auch deutlich größer sein, z.B. einige 100 μηι. Zum Bewegen des Kabels 18 weist das Analysegerät 1 einen hier nicht gezeigten Piezoaktuator auf. Ebenso ist es möglich, zu diesem Zweck einen elektrischen Linearmotor oder ein anderes bewegendes Element zu verwenden.
Die erste Lichtquelle 2, die zweite Lichtquelle 4, der Bilddetektor 7, der Analy- sedetektor 8, der weitere Analysedetektor 24, die Datenverarbeitungseinheit
10, die optischen Fasern 9a-d, 15, 27 sowie 29a-e, das abbildende Element 6 und die Fokussierlinse 36 sind innerhalb eines Gehäuses 11 angeordnet, welches Teil des Analysegerätes 1 ist. Es ist auch denkbar, dass eine oder mehrere der zuvor genannten Komponenten nicht innerhalb des Gehäuses 11, sondern an dem Gehäuse 11 angeordnet sind, z.B. an dessen Außenseite. Ein erster
Teil des Gehäuses 11 bildet einen Rumpfteil IIa des Gehäuses 11 und ein zweiter Teil des Gehäuses 11 bildet einen Messkopf IIb. Der Messkopf IIb ist der zu untersuchenden Probe 32, insbesondere also dem beleuchteten ersten Bereich 3 zugewandt. Insbesondere können bei einer abgewandelten Ausfüh- rungsform des hier beschriebenen Analysegerätes 1 der Analysedetektor 8 und/oder der weitere Analysedetektor 24 als von dem Gehäuse 11 getrennte Komponenten ausgebildet und jeweils für sich tragbar sein. Der Analysedetektor 8 und/oder der weitere Analysedetektor 24 sind dann z. B. in einem von dem Gehäuse 11 verschiedenen weiteren Gehäuse angeordnet und mit den im Gehäuse 11 angeordneten Komponenten des Analysegerätes 1 über lichtleitende Elemente wie optische Fasern und elektrische Leitungen verbindbar.
Das Gehäuse 11 dient dem Schutz und der Arretierung der innerhalb des Gehäuses 11 angeordneten Komponenten des Analysegerätes 1. Das Gehäuse 11 ist hauptsächlich aus Kunststoff gefertigt. Ebenso kann es mindestens teilweise aus Aluminium oder anderen Metallen bzw. Metalllegierungen gefertigt sein. In der schematischen Darstellung der Fig. 1 nicht gezeigt ist, dass an dem Gehäuse 11 mindestens ein Griff angeordnet oder in das Gehäuse 11 integriert ist. Der Griff erleichtert eine Handhabung des Analysegerätes 1 durch den Benutzer. Das Analysegerät 1 hat ein Gewicht von etwa 1 kg und ist da- durch besonders einfach von einer Person bedienbar. Eine Länge 46 des Analysegerätes 1 beträgt etwa 20 cm. Eine Breite 47 und eine in Fig. 1 nicht gezeigte Höhe des Analysegerätes 1 betragen jeweils etwa 15 cm. Diese Abmessungen können jeweils auch um einen Faktor 2 bis 3 kleiner sein. Am der Probe 32 zugewandten Ende 33 des Analysegerätes 1 sind die erste Lichtquelle 2, der Bilddetektor 7 und dem ersten Bereich 3 zugewandte Faserausgänge der optischen Fasern 9a-d, 15, 27 sowie 29a-d in etwa in einer Ebene angeordnet. Abweichungen von einer Anordnung dieser Komponenten in einer Ebene betragen höchstens einige cm. Diese Abweichungen können auch weniger als 1 cm oder weniger als einige mm betragen. Insbesondere sind die zum Beleuch- ten und die zum Aufnehmen des Analyselichtes eingerichteten optischen Fasern auf derselben Seite der zu untersuchenden Probe 32 angeordnet.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform des Analysegerätes 1. Wiederkehrende Merkmale sind dabei jeweils mit identischen Bezugszeichen versehen. Die in der Fig. 2 gezeigte zweite Ausführungsform des Analysegerätes 1 unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform lediglich dadurch, dass die optische Faser 15, welche das zweite Beleuchtungslicht führt, an einem Punkt 41 mit der optischen Faser 27, die das dritte
Beleuchtungslicht führt, durch Fusionsspleißen fusioniert ist. In einem zwi- sehen dem Punkt 41 und dem dem ersten Bereich 3 zugewandten Faserende der Faser 27 führt die Faser 27 also nicht nur das dritte Beleuchtungslicht, sondern auch das zweite Beleuchtungslicht. Entsprechend fallen der zweite Bereich 5 und der dritte Bereich 23 bei dieser zweiten Ausführungsform des Analysegerätes 1 mit großer Genauigkeit zusammen, weshalb in Fig. 2 ledig- lieh der dritte Bereich 23 dargestellt ist.
In Fig. 3 ist ein Schnitt durch den Messkopf IIb entlang der in Fig. 1 gezeigten Schnittebene 42 dargestellt. Ein Querschnitt des Messkopfes IIb ist in etwa rund mit einem Durchmesser von etwa 3 bis 4 cm. Deutlich zu erkennen ist, dass die Lichtquelle 2 vier identische Weißlicht-LEDs umfasst, die jeweils in einem Randbereich des Messkopfes IIb angeordnet und bezüglich eines Mit- telpunktes des Querschnitts des Messkopfes IIb in etwa symmetrisch ausgerichtet sind. Durch diese Anordnung wird eine weitgehend homogene Beleuchtung des ersten Bereiches 3 mit dem von der ersten Lichtquelle 2 emittierten ersten Beleuchtungslicht erreicht. Ungefähr in der Mitte des Querschnitts des Messkopfes IIb ist das Kabel 18 zu erkennen, in dem die optischen Fasern 15, 27, 9a bis 9d und 29a bis 29e angeordnet sind. Abstände zwischen den Fasern 15 und 27 und optischen Fasern 9a bis 9d bzw. 29a bis 29e betragen jeweils weniger als 1mm. Die Aufnahme des Analyselichtes durch die optischen Fasern 9a bis 9d und 29a bis 29e erfolgt auf diese Weise besonders effizient. Das entlang lateralen Richtungen 20 und 21 bewegliche Kabel 18 ist damit in jeder Position so ausgerichtet, dass das Analyselicht optimal detektiert werden kann. Das Kabel 18 ist entlang der lateralen Richtungen 20 und 21 innerhalb eines Bereiches 43 frei positionierbar. Zwei jeweils mit einem Kreuz markierte optische Fasern sind blinde Fasern, die weder zur Beleuchtung der Probe 32 noch zur Aufnahme des Analyselichtes und zum Weiterleiten des Analyselichtes an einen der Detektoren 7, 8 oder 24 benutzt wird.

Claims

Patentansprüche
Tragbares optisches Analysegerät (1), umfassend eine erste Lichtquelle (2) zum Beleuchten eines ersten Bereiches (3) mit erstem Beleuchtungslicht, eine zweite Lichtquelle (4) zum Beleuchten eines zweiten Bereiches (5) mit zweitem Beleuchtungslicht, wobei der zweite Bereich (5) ein Teilbereich des ersten Bereiches (3) ist, eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Bildes des ersten Bereiches (3), einen Analysedetektor (8) zum Analysieren von aus dem zweiten Bereich (5) gestreutem und/oder reflektiertem und/oder emittiertem Analyselicht, mindestens ein zwischen dem zweiten Bereich (5) und dem Analysedetektor (8) angeordnetes erstes lichtleitendes Element, das eingerichtet ist, das Analyselicht auf einem Weg von dem zweiten Bereich (5) zum Analysedetektor (8) wenigstens teilweise zu führen, eine Datenverarbeitungseinheit (10), die eingerichtet ist, mit der Vorrichtung zur Aufnahme des Bildes und/oder mit dem Analysedetektor (8) aufgenommene Daten wenigstens zeitweise zu speichern und/oder weiterzuleiten und/oder auszuwerten, sowie ein Gehäuse (11), innerhalb dessen oder an dem die erste Lichtquelle (2), die zweite Lichtquelle (4), die Vorrichtung zur Aufnahme des Bildes des ersten Bereiches, das erste lichtleitende Element und die Datenverarbeitungseinheit (10) jeweils angeordnet sind.
Tragbares optisches Analysegerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Emissionsspektrum der ersten Lichtquelle (2) ein Weißlichtspektrum ist.
3. Tragbares optisches Analysegerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Lichtquelle (4) einen Laser, vorzugsweise einen Diodenlaser umfasst.
4. Tragbares optisches Analysegerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Aufnahme des Bildes des ersten Bereiches einen Bilddetektor (7) mit einer Vielzahl von pixelartig nebeneinander angeordneten Bilddetektorelementen sowie ein zwischen dem ersten Bereich und dem Bilddetektor (7) angeordnetes abbildendes Element (6) umfasst, wobei der Bilddetektor (7) vorzugsweise als CCD-Chip oder als CMOS-Kamerachip ausgebildet ist.
5. Tragbares optisches Analysegerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Analysedetektor (8) ein Spektrometer umfasst, das eingerichtet ist, das Analyselicht in verschiedene spektrale Komponenten aufzuspalten und jeweils wenigstens eine relative Intensität der spektralen Komponenten zu bestimmen.
6. Tragbares optisches Analysegerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinheit (10) einen Speicherchip (12) und/oder eine Datenschnittstelle (13) und/oder einen Mikrocontroller und/oder einen Mikroprozessor (14) und/oder einen FPGA umfasst.
7. Tragbares optisches Analysegerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein zweites lichtleitendes Element, das eingerichtet ist, das zweite Beleuchtungslicht auf dem Weg von der zweiten Lichtquelle (4) zum zweiten Bereich (5) wenigstens teilweise zu führen.
8. Tragbares optisches Analysegerät (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste lichtleitende Element und das zweite lichtleitende Element wenigstens an einem dem ersten Bereich (3) zugewandten Ende des ersten lichtleitendes Elements und des zweiten lichtleitenden Elements in einem Kabel (18) zusammengefasst sind. Tragbares optisches Analysegerät (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein dem ersten Bereich (3) zugewandtes Ende des Kabels (18) derart bewegbar ist, dass der zweite Bereich (5) innerhalb des ersten Bereiches (3) beliebig positionierbar ist.
Tragbares optisches Analysegerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine dritte Lichtquelle (22) zum Beleuchten eines dritten Bereiches (23) mit drittem Beleuchtungslicht, wobei der dritte Bereich (23) ein Teilbereich des ersten Bereiches (3) ist und mit dem zweiten Bereich (5) mindestens teilweise überlappt.
Tragbares optisches Analysegerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen weiteren Analysedetektor (24), der mindestens eine Lawinenfotodiode (25a, 25b, 25c) und/oder mindestens eine Elektronenvervielfacherröhre umfasst.
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