WO2012163751A1 - Spektroskopische messverfahren und entsprechende messeinrichtungen - Google Patents

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WO2012163751A1
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Nico Correns
Michael Rode
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Carl Zeiss Microscopy Gmbh
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    • G01N21/359—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using near infrared light

Definitions

  • the present invention relates to a spectroscopic measuring device and corresponding spectroscopic measuring methods.
  • a spectroscopic measuring device is generally understood to mean a measuring device by means of which a sample can be irradiated with light and light emitted by the sample in response thereto can be detected.
  • Such spectroscopic measuring devices can be used for example in so-called online measurements, in which a product is continuously examined in the course of production.
  • harvested agricultural products can be examined in a harvester, wherein the harvested products - possibly after a pretreatment, such as crushing - move past the spectroscopic measuring device.
  • Another type of measurement are so-called offline measurements, in which a sample is taken out of the production process, for example, and is introduced into a measuring device.
  • One way of minimizing the effects of such errors is averaging, such as averaging over several individually taken measurements or averaging over a larger measurement range, for example, by illuminating the sample in a larger area, which corresponds to optical integration. Also, a longer measurement on a moving sample, which has substantially the same integrating effect, is possible.
  • the total error of the mean value is less than the total error of the individual faulty measurement. However, it is usually still significantly larger than the total error of a single measurement, which is free from the aforementioned systematic errors.
  • the capturing of the image makes it possible to identify possible problems in the acquisition of the spectrum.
  • the spectrum is evaluated as a function of the acquired image. For example, a spectrum may be discarded depending on the captured image. In another embodiment, in averaging, the spectrum is weighted based on the image.
  • Criteria e.g. for discarding or weighting the spectrum, the presence of a sample in the measurement area, a homogeneity of the sample, a type of sample, detected foreign bodies in the sample, gloss on the sample, contamination of a measuring device used for the detection, a structure of the sample or a speed of the sample.
  • acquiring the image includes detecting a thermal image, i. an infrared image, and / or the method additionally comprises detecting a temperature of the sample.
  • the temperature of the sample or a temperature gradient of the sample can serve as a criterion.
  • a measuring device used for the method is adapted in dependence on the captured image.
  • the lighting may be adjusted depending on the image. In particular, this can be done, for example, to avoid luster or to adjust a size of the measuring range to a structure of the sample, which was detected by the image.
  • the captured image is stored in a manner associated with the spectrum. In this way, it can be understood later, if it turns out that a result is not plausible.
  • the storage is performed only when a predetermined criterion is met, for example, when the detected spectrum deviates by more than a predetermined value from a central spectrum.
  • a calibration corresponding to the temperature can be used for the detection.
  • a temperature can be detected in addition to the image, and the evaluation of the spectrum or the setting of the measuring device can be carried out as a function of the temperature.
  • the image can be linked to the spectrum, for example to obtain better color information.
  • a spectroscopic measuring device comprising: a lighting device for illuminating a sample in a measuring range, at least one spectrometer for detecting a spectrum of light emitted by the sample, and a camera device for acquiring an image of the sample comprising the measuring range, wherein the measuring device for Implementation of the method according to the first, second and / or third aspect is set up.
  • the measuring device may include an evaluation device for evaluating the image.
  • the measuring device for example the evaluation device, can be set up to carry out one or more of the methods described above.
  • FIG. 2 shows a flowchart of a method according to an exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a flowchart of a method according to a further exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a flowchart of a method according to yet another embodiment.
  • a measuring device according to an embodiment of the present invention is shown schematically.
  • the measuring device shown in FIG. 1 is used for the spectroscopic examination of a sample 122.
  • a spectroscopic examination generally refers to any type of examination in which a sample is irradiated with light and light emitted by the sample in response to this light is detected .
  • the measuring device of FIG. 1 can be configured in particular as a measuring head, in which the illustrated elements, possibly up to a controller 123, are housed in a common housing.
  • the measuring device of FIG. 1 comprises a plurality of light sources 16, which illuminate the sample 122 with light rays 118 through a diaphragm 120 through a measuring region 124.
  • the aperture 120 which may be an iris diaphragm, for example, be opened so that the light rays reach the sample 122, but it can also be closed so that the light rays 1 18 do not reach the sample 122 and a light entry into the measuring device is prevented.
  • an iris diaphragm any other mechanism which allows opening and closing can be used as the shutter 120, for example a slit shutter.
  • the aperture 120 may be omitted.
  • the iris 120 may be opened stepwise, for example, to regulate the amount of light incident on the sample 122, such as the size of the measurement area 124.
  • an optical system 127 of which only one lens is indicated, may be arranged in the beam path of the light generated by the light sources 16, in particular a variable-field optics, ie a variable focal length optics, in order to be able to change the size of the measuring region 124.
  • a protective glass 121 in particular for the protection of the diaphragm 120, is provided.
  • the protective glass 121 may also be omitted.
  • the light sources 1 16 may include, for example, light-emitting diodes, white light lamps, lasers and / or thermal radiators. In some embodiments, all light sources 16 may be of the same type, i. have a substantially same spectrum. In other embodiments, various types of light sources may be combined, such as light emitting diodes and thermal radiators, to cover a desired spectral range.
  • the light sources 16 can be circular about a central axis of the aperture 120, i. a central axis of an opening of the aperture 120 in its opened state, whereby other arrangements, e.g. an arrangement only on one side of the central axis, is possible.
  • the free-space optics 15 is shown schematically in FIG. 1 as a single lens, but may include any required number of lenses as well as other optical elements, such as mirrors or prisms. Parts of the free-field optics 1 15 can also be arranged at other locations than shown, for example, after the splitter mirror 1 17. In other embodiments, an optical fiber comprehensive optics may be provided.
  • the light rays 1 18 fall at an angle of approximately 45 ° to the perpendicular to the sample 122, and the light emanating from the sample corresponding to the light beam 1 14 is detected at an angle of 0 ° to the vertical.
  • other angles are possible, for example the reverse arrangement, by exciting light at an angle of 0 ° is directed to a sample and is detected at an angle of 45 °.
  • Other angles than 0 ° and 45 ° are possible.
  • the splitter mirror 17 is adapted to at least approximately completely pass light in the near infrared as light beam 13, the light beam 13 then passes via a shutter 12 to an NIR (near-infrared) spectrometer 10, which is used for the analysis of light in is set near infrared range, in particular for receiving corresponding spectra.
  • the free-field optics 1 15 is set up to focus the light beam 13 onto an entrance slit of the NIR spectrometer 10.
  • UV (ultraviolet) A / IS (visible, from the English "visible") - spectrometer. 1 13 which is set up for the analysis of light in the ultraviolet and visible spectral range
  • the free-space optics 15 is also designed to image light coming from the sample 122 on an entrance slit of the spectrometer 11.
  • the splitter mirror 19 may be arranged to pass a major part of the light beam 18 as a light beam 1 1 1 to the spectrometer 1 13 and a smaller part of the light beam, e.g. 1 -5%, in particular a part in the visible range, to direct as a light beam 14 to a camera 1 1.
  • the camera 1 1 is particularly adapted to capture an image of the sample in a region comprising the measuring area 124, the camera 1 1 thereby both a color-sensitive camera, for example using an RGB color filter in front of a corresponding sensor or by Use of a color-sensitive sensor, or a "black-and-white camera", which only absorbs brightness can be.
  • another camera (not shown) together with another divider mirror (not shown) corresponding to the divider mirror 19 can also be arranged between the divider mirror 17 and the NIR spectrometer 10, such a further camera then being able to be set up to capture an infrared image, ie a thermal image, from a region of the sample 122 comprising the measurement region 124.
  • a camera such as the camera 125 indicated by dashed lines may be provided, which does not use light coupled out of the measuring beam path, but from another viewing angle corresponding to the dashed beam 126, a picture of the sample in a rich comprehensively covers the measuring range 124.
  • Such a camera 125 can be designed to record thermal images and / or record images in the visible, with the camera 125 having, for example, two separate sensors for parallel detection of visible and infrared light, possibly with appropriate filters.
  • a camera which detects visible and / or infrared light can also evaluate light coupled out of the light beam 1 14 in front of the divider mirror 17 by means of a corresponding further divider mirror (not shown).
  • a temperature sensor 128 may be provided to measure a temperature and / or a temperature distribution of the sample 122.
  • the temperature sensor 128 is arranged close to the measuring area 124 in one exemplary embodiment in order to be able to detect the temperature at the measuring area 124.
  • no infrared camera or no explicit temperature sensor can be assigned, and the temperature can for example be determined from a temperature of a feeder, which supplies the samples of the measuring device, or from recorded spectra, since spectra of samples typically in many types of Change samples with temperature.
  • Gas discharge lamps generally have the property that they have well-defined spectral lines whose wavelength is substantially independent of external conditions. Therefore, the light from such gas discharge lamps can be used to calibrate, for example, the spectrometers 110 and 131.
  • the gas discharge lamp 15 From the gas discharge lamp 15 outgoing light is directed via the splitter mirror 17 to the spectrometer 10 and / or 1 13. From the gas discharge lamp 1 10 outgoing light can be directed to the spectrometer 1 13 and / or the camera 1 1.
  • the gas discharge lamp 15 may be a gas discharge lamp having characteristic near-infrared spectral lines to calibrate the spectrometer 10, and the gas discharge lamp 110 may have characteristic lines in the ultraviolet and / or visible to calibrate the spectrometer 13.
  • From the gas discharge lamp 1 17 outgoing light is directed, for example via the (closed) aperture 120 to the splitter mirror 17 and from there to the spectrometers 10, 1 13. In other embodiments, only one or two gas discharge lamps may be provided, or the gas discharge lamps may be omitted altogether.
  • the gas discharge lamps 15, 1 10 and 1 17 can each one own optics (not shown) for focusing on the respective entrance column of the spectrometer 10, 1 13 have.
  • a control / evaluation 123 is provided to the various elements of the measuring device of the embodiment of FIG. 1, for example, the spectrometer 10, 1 13, the camera 1 1 or 125, the shutter 12, 1 12, the gas discharge lamps 15, 1 10, 1 17, the light sources 1 16,
  • a control / evaluation 123 can evaluate 123 spectra recorded by the spectrometers 10, 13 and / or images taken by the camera 11 or 125, as will be explained in more detail later.
  • the control / evaluation 123 may be integrated in the measuring device, but may be a control provided outside the measuring device and may be implemented, for example, on the basis of one or more microprocessors with appropriate programming.
  • control and evaluation may also be implemented by separate units, for example with separate microprocessors.
  • the control / evaluation 123 is associated with a memory 129, for example to store images taken by the camera 11 or 125 and / or spectra recorded by the spectrometer 10 and / or spectrometer 13.
  • the memory 129 may include, for example, a random access memory (RAM), a flash memory, a ring buffer, a hard disk, a solid state disk, and / or optical storage media such as CD or DVD.
  • controller / evaluator 123 Examples of how the controller / evaluator 123 can evaluate spectra and camera images and, in particular, use camera images to improve the quality of spectra evaluated, are further explained below with reference to FIGS. 2-4.
  • the measuring device of Fig. 1 is merely an example, and a variety of variations are possible.
  • only one spectrometer may be provided instead of two spectrometers as shown in FIG. 1, or more than two spectrometers may also be present.
  • the spectral ranges of the spectrometers may partially overlap or one spectrometer may cover a portion of another spectrometer with a higher resolution.
  • the type and number of spectrometers used can be selected as a function of a particular application of the measuring device, in particular as a function of a spectral region of interest and the required resolution for this purpose.
  • non-wavelength-selective beam splitters can also be used instead of wavelength-selective splitter mirrors. If only a single spectrometer is used, can Elements such as the wavelength-selective splitter mirror 17, which divides the light beam 14 between the spectrometer 10 and the spectrometer 13, are omitted.
  • the shutter 12, 1 12 are arranged in front of the spectrometers 10, 1 13, other arrangements are possible, for example, according to an input gap of the respective spectrometer, between a grid and a detector of the respective spectrometer or directly on a detector of the respective spectrometer.
  • the illumination direction (approximately 45 ° in FIG. 1) and the measurement direction (approximately 0 ° in FIG. 1) can be varied, in particular in a range of 8 ° to 82 °.
  • an asymmetrical arrangement for example an arrangement of light sources only in a semicircle, or else the use of only a single light source is possible.
  • a measuring device as shown in FIG. 1 can be used, for example, for so-called online measurements, in which the sample 122 moves past the measuring device and is continuously measured, this being done directly in a production process during an online measurement.
  • the harvested material possibly after a pretreatment such as comminution, can be continuously analyzed.
  • a measuring device as shown in Fig. 1 can also be used for off-line measurements, in which selected samples of a material with the measuring device e.g. be examined outside the normal production process. Also samples that have nothing to do with a production, e.g. scientific samples can be examined.
  • a stationary measurement can be carried out in which several spectra of a measuring range are recorded on a sample.
  • a sample can also be arranged on a turntable, with which several spectra of different measuring ranges can be recorded.
  • the measuring device can also be arranged in a bypass of a production process.
  • FIGS. 2-4 embodiments of methods are explained in which a spectrum of a sample, for example with a spectrometer as shown in FIG. 1, as well as an image, for example with a camera as in FIG represented, is detected.
  • the exemplary embodiments of FIGS. 2-4 can be implemented in particular in the measuring device of FIG. 1, for example by a corresponding programming of the control / evaluation 123, but can also be used independently of this. It should be noted that a single measuring device may implement one or more of the methods of FIGS. 2-4. In other words, the methods of Figures 2-4 are not mutually exclusive, but may be used simultaneously or alternately in the same measuring device. In the method in FIG.
  • a sample is illuminated in step 20, for example by the light sources 16 of FIG. 1, to excite the sample.
  • a spectrum of the sample is detected, for example, as explained with reference to FIG. 1, by the spectrometer 10 and / or the spectrometer 1 13.
  • step 22 an image is acquired from the sample, for example by means of the camera 11 or by means of the camera 125. It should be noted that the steps 20, 21 and 22 can take place simultaneously. In some embodiments, however, the image of the sample from step 22 may also be detected shortly before or shortly after the spectrum (step 21), in particular when a stationary sample is being examined. In a simultaneous execution of steps 21 and 22, in particular the integration times between one or more spectrometers used and one or more cameras used, in particular also the recording start times, can be synchronized.
  • step 23 the spectrum is evaluated in dependence on the image.
  • an image analysis can take place in the control / evaluation 123 of FIG. 1, and the evaluation of the spectrum can be modified depending on the criteria recognized in the image.
  • the spectrum may be discarded if the image indicates that an invalid or poorly meaningful spectrum has been captured, or a weighting of the spectrum in averaging can be changed. For example, a weighting of spectra at which the image indicates a possible corruption of the spectrum can be reduced.
  • Such a discarding of spectra or deviating weights can be carried out for example in a spatially resolved measurement or a method of the measuring range such as the measuring range 124 on a sample or moving the sample below the measuring range for such spectra, in which potential problems were detected in the measuring range .
  • a spatially resolved spectrometer which therefore records spectra not only with wavelength resolution but additionally or alternatively with spatially resolved resolution, only a part of the spectra can be used, for example those from the part of the measuring range in which no problem could be identified.
  • spectra in which the image indicates no problems can be evaluated separately from spectra in which the image indicates problems. Examples in which a spectrum can be rejected, a weighting of the spectrum can be reduced, or the spectrum is evaluated separately or on other Re way is particularly treated, for example, is characterized in a special way will be explained below.
  • a measurement window i. in a sample area which has just been examined, which may in particular coincide with or include the measuring area 124 of FIG. 1, there is no sample present or only partially a sample is present. This can especially occur with mobile samples such as online measurements.
  • Another problem that can be detected is that there is no homogeneous sample. This can be caused, for example, by an unfavorable treatment of the test sample, for example an insufficient comminution, or else by foreign bodies in the test sample.
  • the structure of the sample does not match a size of measurement range used.
  • the size of the measurement range is generally integrated, so that in many cases it is preferable if the structures of a sample are smaller than the measurement range. In other cases, it may also be preferable to detect only a part of a structure, in which case the measuring range should then be smaller than the sample structure.
  • Gloss arises when a direct reflection of the excitation light, for example, the light rays 1 18, in the measuring beam path, in the case of Fig. 1 on the beam 1 14, falls. This can occur in particular with structured sample surfaces, for example spherical sections in the sample.
  • contamination of the measurement window Another problem that can be detected by image analysis is contamination of the measurement window.
  • a protective glass such as the glass 121 sample parts can get stuck in a flowing sample, which then falsify the measurement.
  • contamination can be detected, in particular, if during a change of the sample a part of the image always remains the same (for example even if no sample is present during the change process) or if there is no movement in a moving sample in a part of the image.
  • a sample velocity outside a set tolerance range or a flow behavior of the sample for example, consisting of many small particles, such as crop
  • the latter two points also on may indicate contamination of the measuring window.
  • the camera used includes an infrared camera as explained above or a temperature sensor such as the temperature sensor 128 of FIG. 1 or another type of temperature detection is provided, it may also be detected whether a temperature of the sample or a temperature gradient in the sample is outside a predetermined tolerance range are. In the case of a temperature gradient in the sample, in particular the measurement of sample parts in the case of spatially resolved measurements, which then have a temperature outside the tolerance range due to the temperature gradient, can then be characterized as problematic.
  • a captured spectrum may be appropriately evaluated in step 23 of Figure 2, for example discarded, weighted lower, or evaluated separately.
  • the measuring device used may be adjusted to remedy or mitigate the problem.
  • a corresponding method is shown schematically in FIG. Steps 30-32 of the embodiment of FIG. 3 correspond to steps 20-22 of the embodiment of FIG. 2.
  • a used measuring device for example the measuring device of FIG. 1, is then adjusted depending on the image.
  • This setting of the measuring device in step 33 may be performed additionally or alternatively to the evaluation of the spectrum of step 23 of FIG. 2. For example, if an image indicative of a problem was explained with reference to FIG. 2, the respective spectrum may then be correspondingly evaluated and, in addition, the measuring device adjusted in step 33 to avoid such problems in future measurements.
  • a sample in the case of an empty or only partially filled measuring range, a sample can be moved accordingly in order to place the measuring range completely on the sample. If the structure of the sample does not match the size of the measuring range, the size of the measuring range, for example by adjusting the aperture 120 or the optics 127 of FIG. 1, can be changed and adapted to the structure of the sample.
  • the illumination may be modified, for example, all or all of the light sources of the light sources 16 of FIG. 1 may be switched off or dimmed to reduce or eliminate the gloss. To reduce gloss, an illumination angle may also be varied in some devices. If the measuring window becomes dirty, cleaning can be carried out. At a temperature outside the tolerance range, for example, way a (not shown in Fig. 1) cooling or heating are controlled. At an improper sample rate, a speed of sample transport, such as a conveyor belt speed, may be adjusted.
  • the temperature sensor 1208 When determining the temperature of the sample, for example by the temperature sensor 128, a calibration of various components, such as the spectrometer, the temperature can be adjusted.
  • the images can also be stored.
  • a corresponding embodiment is shown in Fig. 4.
  • Steps 40-42 of Fig. 4 again correspond to steps 20-22 of Fig. 2.
  • the image associated with the spectrum is then stored, i. stored in a manner which allows a subsequent assignment to the respective preferably also stored spectrum.
  • the storage can take place, for example, in the memory 129 of FIG.
  • the memory 129 may be a ring memory in which images are stored only for a predetermined time, for example, only the images of the last hour or another period of time.
  • step 43 all images are stored. In other embodiments, only some images are stored, such as images in which one or more of the problems discussed above have been detected, or images whose associated spectrum deviates from an average or expected spectrum by more than a predetermined amount. In this way, for example, can be analyzed retrospectively, whether a deviation of the spectrum on problems, such as defects, the sample itself indicates or if other causes, such as the mentioned contamination of the measuring window, have caused the different spectrum.
  • FIGS. 2-4 are executed in real time in some embodiments, in particular in online measurements.
  • information from the spectrometers can also be used to improve the evaluation of the image taken by a corresponding camera.
  • a corresponding camera usually red, green and blue are detected separately, for example, by corresponding color filter, a subdivision of the light takes place, which is not uniform.
  • a higher color differentiation for example in the green tones, can take place.
  • various exemplary embodiments of the invention allow an improved evaluation and / or quality of spectra in an automatic manner, for example by a corresponding programming of the control / evaluation 123 of FIG. 1.
  • the present invention is not limited to the illustrated embodiments, which are merely illustrative of implementations of the invention.

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Abstract

Es werden spektroskopische Messverfahren und spektroskopische Messeinrichtungen bereitgestellt. Dabei wird eine Probe (122) beleuchtet, ein Spektrum von der Probe (122) beispielsweise mit einem Spektrometer (10, 113) erfasst und ein Bild von der Probe (122) beispielsweise mit einer Kamera (11, 125) erfasst. Bei einem Aspekt wird das Spektrum in Abhängigkeit von dem Bild ausgewertet. Bei einem anderen Aspekt wird die Messeinrichtung in Abhängigkeit von dem Bild eingestellt. Bei noch einem anderen Aspekt wird das Bild mit Zuordnung zu dem Spektrum gespeichert.

Description

SPEKTROSKOPISCHE MESSVERFAHREN UND ENTSPRECHENDE MESSEINRICHTUNGEN
Die vorliegende Erfindung betrifft eine spektroskopische Messeinrichtung sowie entsprechende spektroskopische Messverfahren. Unter einer spektroskopischen Messeinrichtung wird dabei allgemein eine Messeinrichtung verstanden, mittels welcher eine Probe mit Licht bestrahlt werden kann und von der Probe in Antwort hierauf ausgehendes Licht detektiert werden kann.
Derartige spektroskopische Messeinrichtungen können beispielsweise bei so genannten Online-Messungen eingesetzt werden, bei welchen ein Produkt im Zuge der Produktion durchlaufend untersucht wird. Beispielsweise können geerntete landwirtschaftliche Produkte in einer Erntemaschine untersucht werden, wobei sich die geernteten Produkte - ggf. nach einer Vorbehandlung, beispielsweise Zerkleinern - an der spektroskopischen Messeinrichtung vorbeibewegen. Eine andere Art der Messung sind so genannte Offline-Messungen, bei welchen eine Probe beispielsweise aus dem Produktionsprozess herausgenommen wird und in eine Messeinrichtung eingebracht wird.
Insbesondere bei einer Online-Messung können aus verschiedenen Gründen systematische Fehler bei der Messung auftreten, beispielsweise durch Verschmutzung eines Messfensters, durch Fremdkörper oder durch ungünstige Positionierung der Probe relativ zu der Messeinrichtung. Grundsätzlich können derartige Fehler natürlich auch bei Offline-Messungen eintreten.
Eine Möglichkeit, die Auswirkungen derartiger Fehler zu minimieren, ist eine Mittelwertbildung, beispielsweise eine Mittelwertbildung über mehrere einzeln aufgenommene Messungen oder eine Mittelwertbildung über einen größeren Messbereich, beispielsweise, indem die Probe in einer größeren Fläche beleuchtet wird, was einer optischen Integration entspricht. Auch ist eine längere Messung auf einer bewegten Messprobe, was im Wesentlichen den gleichen integrierenden Effekt hat, möglich.
Bei einer derartigen Vorgehensweise ist der Gesamtfehler des Mittelwerts zwar kleiner als der Gesamtfehler der einzelnen fehlerhaften Messung. Er ist aber in der Regel noch deutlich größer als der Gesamtfehler einer einzelnen Messung, die frei von den genannten systematischen Fehlern ist.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, bei welchen die Behandlung fehlerhafter Messungen verbessert werden kann. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein spektroskopisches Messverfahren nach Anspruch 1 , 6 oder 9 sowie eine spektroskopische Messeinrichtung nach Anspruch 12, 13 oder 14. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
Erfindungsgemäß werden Verfahren bereitgestellt, umfassend:
Beleuchten einer Probe in einem Messbereich,
Erfassen eines Spektrums von von der Probe ausgehendem Licht, und
Erfassen eines Bildes der Probe umfassend den Messbereich.
Das Erfassen des Bildes ermöglicht es, mögliche Probleme bei der Erfassung des Spektrums zu identifizieren.
Bei einem ersten Aspekt erfolgt eine Auswertung des Spektrums in Abhängigkeit von dem er- fassten Bild. Beispielsweise kann ein Spektrum in Abhängigkeit von dem erfassten Bild verworfen werden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird bei einer Mittelwertbildung das Spektrum auf Basis des Bildes gewichtet.
Kriterien z.B. zum Verwerfen oder zum Gewichten des Spektrums können das Vorhandensein einer Probe in dem Messbereich, eine Homogenität der Probe, eine Art der Probe, detektierte Fremdkörper in der Probe, Glanz an der Probe, eine Verschmutzung einer für die Erfassung verwendeten Messeinrichtung, eine Struktur der Probe oder eine Geschwindigkeit der Probe sein.
Bei manchen Ausführungsbeispielen umfasst das Erfassen des Bildes ein Erfassen eines Wärmebildes, d.h. eines Infrarotbildes, und/oder das Verfahren umfasst zusätzlich das Erfassen einer Temperatur der Probe. In diesem Fall kann auch die Temperatur der Probe oder ein Temperaturgradient der Probe als Kriterium dienen.
Bei einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Messeinrichtung, welche für das Verfahren benutzt wird, in Abhängigkeit von dem erfassten Bild angepasst. Beispielsweise kann das Beleuchten in Abhängigkeit von dem Bild angepasst werden. Insbesondere kann dies beispielsweise zur Vermeidung von Glanz oder zum Anpassen einer Größe des Messbereichs an eine Struktur der Probe, welche durch das Bild erfasst wurde, geschehen. Bei einem dritten Aspekt wird das erfasste Bild in einer dem Spektrum zugeordneten Weise gespeichert. Auf diese Weise kann später nachvollzogen werden, falls sich herausstellt, dass ein Ergebnis nicht plausibel ist. Bei einem Ausführungsbeispiel erfolgt das Speichern nur dann, wenn ein vorgegebenes Kriterium erfüllt ist, beispielsweise wenn das erfasste Spektrum um mehr als einen vorgegebenen Wert von einem mittleren Spektrum abweicht.
Bei einem Ausführungsbeispiel, bei welchem wie oben erwähnt die Temperatur der Probe er- fasst wird, kann zum Erfassen eine der Temperatur entsprechende Kalibrierung verwendet werden.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann zusätzlich zu dem Bild auch eine Temperatur erfasst werden, und die Auswertung des Spektrums oder das Einstellen der Messeinrichtung kann in Abhängigkeit von der Temperatur erfolgen. Bei einer Auswertung der Bilder kann das Bild mit dem Spektrum verknüpft werden, beispielsweise um eine bessere Farbinformation zu gewinnen.
Zudem wird eine spektroskopische Messeinrichtung bereitgestellt, umfassend: eine Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten einer Probe in einem Messbereich, mindestens ein Spektrometer zum Erfassen eines Spektrums von von der Probe ausgehendem Licht, und eine Kameraeinrichtung zum Erfassen eines Bildes der Probe umfassend den Messbereich, wobei die Messeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem ersten, zweiten und/oder dritten Aspekt eingerichtet ist.
Zudem kann die Messeinrichtung eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten des Bildes umfassen.
Die Messeinrichtung, beispielsweise die Auswerteeinrichtung, kann zur Durchführung eines oder mehrerer der oben beschriebenen Verfahren eingerichtet sein.
Merkmale der oben beschriebenen Aspekte und Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer spektroskopischen Messeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figur 2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figur 3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
Figur 4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es ist jedoch anzumerken, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Zudem können Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Auf der anderen Seite ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale zur Realisierung der Erfindung notwendig sind, da andere Ausführungsbeispiele weniger Merkmale und/oder alternative Merkmale aufweisen können.
In Fig. 1 ist schematisch eine Messeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die in Fig. 1 dargestellte Messeinrichtung dient dabei zur spektroskopischen Untersuchung einer Probe 122. Unter einer spektroskopischen Untersuchung wird dabei allgemein jede Art von Untersuchung verstanden, bei welcher eine Probe mit Licht bestrahlt wird und von der Probe in Antwort auf dieses Licht ausgehendes Licht detektiert wird. Die Messeinrichtung der Fig. 1 kann insbesondere als Messkopf ausgestaltet sein, bei welchem die dargestellten Elemente, ggf. bis auf eine Steuerung 123, in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.
Die Messeinrichtung der Fig. 1 umfasst eine Vielzahl von Lichtquellen 1 16, welche die Probe 122 mit Lichtstrahlen 1 18 durch eine Blende 120 hindurch einen Messbereich 124 beleuchten. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Blende 120, welche beispielsweise eine Irisblende sein kann, geöffnet werden, sodass die Lichtstrahlen zur Probe 122 gelangen, sie kann jedoch auch geschlossen werden, sodass die Lichtstrahlen 1 18 nicht zur Probe 122 gelangen und ein Lichteintritt in die Messeinrichtung verhindert wird. Statt einer Irisblende kann jeder andere Mechanismus, welcher ein Öffnen und Schließen erlaubt, als Blende 120 verwendet werden, beispielsweise ein Schlitzverschluss. Bei wieder anderen Ausführungsbeispielen kann die Blende 120 weggelassen sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann die Blende 120 schrittweise geöffnet werden, beispielsweise um die Menge des auf die Probe 122 fallenden Lichts zu regulieren, beispielsweise die Größe des Messbereichs 124. Zusätzlich oder al- ternativ kann eine Optik 127, von welcher nur eine Linse angedeutet ist, im Strahlengang des von den Lichtquellen 1 16 erzeugten Lichtes angeordnet sein, insbesondere eine Variooptik, d.h. eine Optik mit veränderlicher Brennweite, um so die Größe des Messbereichs 124 verändern zu können.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist zudem ein Schutzglas 121 , insbesondere zum Schutz der Blende 120, vorgesehen. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Schutzglas 121 auch weggelassen werden.
Die Lichtquellen 1 16 können dabei beispielsweise Leuchtdioden, Weißlichtlampen, Laser und/oder thermische Strahler umfassen. Bei manchen Ausführungsbeispielen können alle Lichtquellen 1 16 von gleicher Bauart sein, d.h. ein im Wesentlichen gleiches Spektrum aufweisen. Bei anderen Ausführungsbeispielen können verschiedene Arten von Lichtquellen kombiniert werden, beispielsweise Leuchtdioden und thermische Strahler, um einen gewünschten Spektralbereich abzudecken. Die Lichtquellen 1 16 können insbesondere kreisförmig um eine Mittelachse der Blende 120, d.h. eine Mittelachse einer Öffnung der Blende 120 in ihrem geöffneten Zustand, angeordnet sein, wobei auch andere Anordnungen, z.B. eine Anordnung nur auf einer Seite der Mittelachse, möglich ist.
Von der Probe 122, insbesondere dem Messbereich 124, in Antwort auf die Bestrahlung mit den Lichtstrahlen 1 18 ausgehendes Licht 1 14 wird durch eine Freistrahloptik 1 15 zu einem ersten Teilerspiegel 17 gelenkt. Die Freistrahloptik 1 15 ist in Fig. 1 schematisch als eine einzige Linse dargestellt, kann jedoch jede benötigte Anzahl von Linsen sowie andere optische Elemente, beispielsweise Spiegel oder Prismen, umfassen. Teile der Freistrahloptik 1 15 können auch an anderen Orten als dargestellt angeordnet sein, beispielsweise nach dem Teilerspiegel 1 17. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann auch eine Lichtleiter umfassende Optik vorgesehen sein.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 fallen die Lichtstrahlen 1 18 unter einem Winkel von ca. 45° zur Senkrechten auf die Probe 122, und das von der Probe ausgehende Licht entsprechend dem Lichtstrahl 1 14 wird unter einem Winkel von 0° zur Senkrechten detektiert. Es sind jedoch auch andere Winkel möglich, beispielsweise die umgekehrte Anordnung, indem Anregungslicht unter einem Winkel von 0° auf eine Probe gelenkt wird und unter einem Winkel von 45° detektiert wird. Auch andere Winkel als 0° und 45° sind möglich. Generell ist es allerdings wünschenswert, dass die Detektion unter einem Winkel erfolgt, bei welchem möglichst wenig, bevorzugt kein, von der Probe direkt reflektiertes Licht (d.h. mit Einfallswinkel = Ausfallswinkel) zur Detektion gelangt, da dieses direkt reflektierte Licht im Allgemeinen keine spektroskopische interessante Information beinhaltet, jedoch eine hohe Intensität verglichen mit dem interessierenden beispielsweise gestreuten Licht aufweist.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Teilerspiegel 17 eingerichtet, Licht im nahen Infraroten zumindest annäherungsweise vollständig als Lichtstrahl 13 passieren zu lassen, wobei der Lichtstrahl 13 dann über einen Shutter 12 zu einem NIR (Nahinfrarot)-Spektrometer 10 gelangt, welches zur Analyse von Licht im nahen Infrarotbereich eingerichtet ist, insbesondere zur Aufnahme entsprechender Spektren. Die Freistrahloptik 1 15 ist dabei eingerichtet, den Lichtstrahl 13 auf einen Eintrittspalt des NIR-Spektrometers 10 zu fokussieren.
Licht im sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich wird hingegen von dem Teilerspiegel 17 als Lichtstrahl 18 reflektiert und gelangt durch einen weiteren Teilerspiegel 19 über einen Shutter 1 12 zu einem UV-(Ultraviolett)A/IS (sichtbar, vom englischen „visible")-Spektrometer 1 13, welches zur Analyse von Licht im ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich eingerichtet ist. Die Freistrahloptik 1 15 ist dabei auch ausgestaltet, von der Probe 122 kommendes Licht auf einem Eintrittspalt des Spektrometers 1 13 abzubilden.
Der Teilerspiegel 19 kann eingerichtet sein, einen größten Teil des Lichtstrahls 18 als Lichtstrahl 1 1 1 zu dem Spektrometer 1 13 passieren zu lassen und einen geringeren Teil des Lichtstrahls, z.B. 1 -5 %, insbesondere einen Teil im sichtbaren Bereich, als Lichtstrahl 14 zu einer Kamera 1 1 zu lenken. Der Anteil, welcher als Lichtstrahl 1 1 1 zu dem Spektrometer 1 13 gelenkt wird, und der Anteil, der als Lichtstrahl 14 zu der Kamera 1 1 gelenkt wird, kann beim Design des Teilerspiegels 19 je nach der benötigten Intensität an der Kamera 1 1 und an dem Spektrometer 1 13 festgelegt werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kamera 1 1 insbesondere eingerichtet, ein Bild der Probe in einem Bereich umfassend den Messbereich 124 zu erfassen, wobei die Kamera 1 1 dabei sowohl eine farbempfindliche Kamera, beispielsweise unter Benutzung eines RGB-Farbfilters vor einem entsprechenden Sensor oder durch Benutzung eines farbempfindlichen Sensors, oder eine„Schwarzweißkamera", welche nur Helligkeiten aufnimmt, sein kann.
Es ist zu bemerken, dass eine weitere (nicht dargestellte) Kamera zusammen mit einem weiteren (nicht dargestellten) Teilerspiegel entsprechend dem Teilerspiegel 19 auch zwischen dem Teilerspiegel 17 und dem NIR-Spektrometer 10 angeordnet sein kann, wobei eine derartige weitere Kamera dann eingerichtet sein kann, ein Infrarotbild, d.h. ein Wärmebild, von einem Bereich der Probe 122 umfassend den Messbereich 124 zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Kamera wie die gestrichelt angedeutete Kamera 125 vorgesehen sein, welche nicht aus dem Messstrahlengang ausgekoppeltes Licht benutzt, sondern aus einem anderen Betrachtungswinkel entsprechend dem gestrichelten Strahl 126 ein Bild der Probe in einem Be- reich umfassend den Messbereich 124 erfasst. Eine derartige Kamera 125 kann dabei zur Aufnahme von Wärmebildern und/oder zur Aufnahme von Bildern im Sichtbaren ausgestaltet sein, wobei die Kamera 125 beispielsweise zwei getrennte Sensoren zur parallelen Erfassung von sichtbarem und infrarotem Licht, verbunden ggf. mit entsprechenden Filtern, aufweisen kann. Alternativ kann auch eine Kamera, welche sichtbares und/oder Infrarotlicht erfasst, aus dem Lichtstrahl 1 14 vor dem Teilerspiegel 17 mittels eines entsprechenden (nicht dargestellten) weiteren Teilerspiegels ausgekoppeltes Licht auswerten.
Insbesondere bei Ausführungsbeispielen, welche keine Infrarotkamera aufweisen, kann auch ein Temperaturfühler 128 vorgesehen sein, um eine Temperatur und/oder eine Temperaturverteilung der Probe 122 zu messen. Der Temperaturfühler 128 ist dabei bei einem Ausführungsbeispiel nahe des Messbereichs 124 angeordnet, um die Temperatur bei dem Messbereich 124 erfassen zu können.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann auch keine Infrarotkamera oder kein expliziter Temperaturfühler zugeordnet sein, und die Temperatur kann beispielsweise aus einer Temperatur einer Zufuhreinrichtung, welche die Proben der Messeinrichtung zuführt, oder auch aus aufgenommenen Spektren bestimmt werden, da sich Spektren von Proben typischerweise bei vielen Arten von Proben mit der Temperatur ändern.
Zudem weist die Messeinrichtung der Fig. 1 Gasentladungslampen 15, 1 10 und 1 17 auf. Gasentladungslampen haben generell die Eigenschaft, dass sie genau definierte Spektrallinien aufweisen, deren Wellenlänge im Wesentlichen unabhängig von äußeren Bedingungen ist. Daher kann das Licht von derartigen Gasentladungslampen zur Kalibrierung beispielsweise der Spektrometer 1 10 und 1 13 benutzt werden.
Von der Gasentladungslampe 15 ausgehendes Licht wird dabei über den Teilerspiegel 17 zu dem Spektrometer 10 und/oder 1 13 gelenkt. Von der Gasentladungslampe 1 10 ausgehendes Licht kann zu dem Spektrometer 1 13 und/oder der Kamera 1 1 gelenkt werden. Beispielsweise kann die Gasentladungslampe 15 eine Gasentladungslampe mit charakteristischen Spektrallinien im Nahinfrarotbereich sein, um das Spektrometer 10 zu kalibrieren, und die Gasentladungslampe 1 10 kann charakteristische Linien im Ultravioletten und/oder Sichtbaren aufweisen, um das Spektrometer 1 13 zu kalibrieren. Von der Gasentladungslampe 1 17 ausgehendes Licht wird beispielsweise über die (geschlossene) Blende 120 zu dem Teilerspiegel 17 und von dort zu den Spektrometern 10, 1 13 gelenkt. Bei anderen Ausführungsbeispielen können auch nur eine oder zwei Gasentladungslampen bereitgestellt sein, oder die Gasentladungslampen können ganz weggelassen sein. Die Gasentladungslampen 15, 1 10 und 1 17 können jeweils eine eigene (nicht dargestellte) Optik zur Fokussierung auf die jeweiligen Eintrittspalte der Spektrometer 10, 1 13 aufweisen.
Um die verschiedenen Elemente der Messeinrichtung des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 , beispielsweise die Spektrometer 10, 1 13, die Kamera 1 1 oder 125, die Shutter 12, 1 12, die Gasentladungslampen 15, 1 10, 1 17, die Lichtquellen 1 16, die Blende 120 und/oder die Temperaturmesseinrichtung 128 anzusteuern, ist eine Steuerung/Auswertung 123 bereitgestellt. Zudem kann die Steuerung/Auswertung 123 von den Spektrometern 10, 1 13 aufgenommene Spektren und/oder von der Kamera 1 1 bzw. 125 aufgenommene Bilder auswerten, wie später näher erläutert werden wird. Die Steuerung/Auswertung 123 kann in der Messeinrichtung integriert sein, kann jedoch eine außerhalb der Messeinrichtung bereitgestellte Steuerung sein und kann beispielsweise auf Basis eines oder mehrerer Mikroprozessoren mit entsprechender Programmierung implementiert sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen können Steuerung und Auswertung auch durch separate Einheiten, beispielsweise mit separaten Mikroprozessoren, implementiert sein. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist der Steuerung/Auswertung 123 ein Speicher 129 zugeordnet, beispielsweise um von der Kamera 1 1 oder 125 aufgenommene Bilder und/oder von dem Spektrometer 10 und/oder von dem Spektrometer 1 13 aufgenommene Spektren zu speichern. Der Speicher 129 kann beispielsweise einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen Flash-Speicher, einen Ringspeicher, eine Festplatte, eine Solid State Disk und/oder optische Speichermedien wie CD oder DVD umfassen.
Beispiele dafür, wie die Steuerung/Auswertung 123 Spektren und Kamerabilder auswerten kann und insbesondere Kamerabilder verwenden kann, um die Qualität von ausgewerteten Spektren zu verbessern, werden weiter unten unter Bezugnahme auf die Figuren 2-4 näher erläutert.
Zu bemerken ist, dass die Messeinrichtung der Fig. 1 lediglich als Beispiel dient, und eine Vielzahl von Variationen möglich ist. Beispielsweise kann bei einer Messeinrichtung auch nur ein einziges Spektrometer statt zweier Spektrometer wie in Fig. 1 dargestellt bereitgestellt sein, oder es können auch mehr als zwei Spektrometer vorhanden sein. Bei zwei oder mehr Spektrometern können sich die Spektralbereiche der Spektrometer teilweise überlappen, oder ein Spektrometer kann einen Teilbereich eines anderen Spektrometers mit einer höheren Auflösung abdecken. Insbesondere kann Art und Anzahl der verwendeten Spektrometer in Abhängigkeit von einer jeweiligen Anwendung der Messeinrichtung ausgewählt sein, insbesondere in Abhängigkeit von einem interessierenden Spektralbereich und der benötigten Auflösung hierfür. Insbesondere im Fall, in dem ein Spektrometer einen Teilbereich eines anderen Spektrometers abdeckt, können statt wellenlängenselektiver Teilerspiegel auch nichtwellenlängenselektive Strahlteiler verwendet werden. Falls nur ein einziges Spektrometer verwendet wird, können Elemente wie der wellenlängenselektive Teilerspiegel 17, welcher den Lichtstrahl 1 14 zwischen dem Spektrometer 10 und dem Spektrometer 1 13 aufteilt, weggelassen werden.
Während bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die Shutter 12, 1 12 vor den Spektrometern 10, 1 13 angeordnet sind, sind auch andere Anordnungen möglich, beispielsweise nach einem Eingangsspalt des jeweiligen Spektrometers, zwischen einem Gitter und einem Detektor des jeweiligen Spektrometers oder direkt auf einem Detektor des jeweiligen Spektrometers. Wie bereits erwähnt kann die Beleuchtungsrichtung (in Fig. 1 etwa 45°) und die Messrichtung (in Fig. 1 etwa 0°) variiert werden, insbesondere in einem Bereich von 8° bis 82°. Auch ist statt einer kreisförmigen symmetrischen Anordnung der Lichtquellen auch eine asymmetrische Anordnung, beispielsweise eine Anordnung von Lichtquellen nur in einem Halbkreis, oder auch die Verwendung nur einer einzigen Lichtquelle möglich.
Eine Messeinrichtung wie in Fig. 1 dargestellt kann beispielsweise für so genannte Online- Messungen verwendet werden, bei welchen sich die Probe 122 an der Messeinrichtung vorbeibewegt und laufend vermessen wird, wobei dies bei einer Online-Messung direkt in einem Pro- duktionsprozess geschieht. Beispielsweise kann in einer landwirtschaftlichen Erntemaschine das geerntete Material, ggf. nach einer Vorbehandlung wie einer Zerkleinerung, fortlaufend untersucht werden. Eine Messeinrichtung wie in Fig. 1 dargestellt ist jedoch ebenso für Offline- Messungen einsetzbar, in welchen ausgewählte Proben eines Materials mit der Messeinrichtung z.B. außerhalb des normalen Produktionsprozesses untersucht werden. Auch Proben, welche nichts mit einer Produktion zu tun haben, z.B. wissenschaftliche Proben, können untersucht werden. Bei einer Offline-Messung kann beispielsweise eine stationäre Messung durchgeführt werden, bei welcher mehrere Spektren von einem Messbereich auf einer Probe aufgenommen werden. Eine Probe kann auch auf einem Drehteller angeordnet sein, womit mehrere Spektren von unterschiedlichen Messbereichen aufgenommen werden können. Die Messeinrichtung kann auch in einem Bypass eines Produktionsprozesses angeordnet sein.
Als nächstes werden unter Bezugnahme auf die Figuren 2-4 Ausführungsbeispiele von Verfahren erläutert, bei welchen von einer Probe sowohl ein Spektrum, beispielsweise mit einem Spektrometer wie in Fig. 1 dargestellt, als auch ein Bild, beispielsweise mit einer Kamera wie in Fig. 1 dargestellt, erfasst wird. Die Ausführungsbeispiele der Figuren 2-4 sind insbesondere in der Messeinrichtung der Fig. 1 , beispielsweise durch eine entsprechende Programmierung der Steuerung/Auswertung 123, implementierbar, sind jedoch auch unabhängig hiervon verwendbar. Dabei ist zu beachten, dass eine einzige Messeinrichtung ein oder mehrere der Verfahren der Figuren 2-4 implementieren kann. In anderen Worten schließen sich die Verfahren der Figuren 2-4 nicht gegenseitig aus, sondern können gleichzeitig oder abwechselnd in der gleichen Messeinrichtung eingesetzt werden. In dem Verfahren in Fig. 2 wird in Schritt 20 eine Probe beleuchtet, beispielsweise durch die Lichtquellen 1 16 der Fig. 1 , um die Probe anzuregen. In Schritt 21 wird ein Spektrum von der Probe erfasst, beispielsweise wie unter Bezugnahme auf Fig 1 erläutert durch das Spektrometer 10 und/oder das Spektrometer 1 13.
In Schritt 22 wird ein Bild von der Probe erfasst, beispielsweise mittels der Kamera 1 1 oder mittels der Kamera 125. Es ist zu bemerken, dass die Schritte 20, 21 und 22 gleichzeitig stattfinden können. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann aber auch das Bild der Probe von Schritt 22 kurz vor oder kurz nach dem Spektrum (Schritt 21 ) erfasst werden, insbesondere wenn eine stationäre Probe untersucht wird. Bei einer gleichzeitigen Ausführung der Schritte 21 und 22 können insbesondere die Integrationszeiten zwischen einem oder mehreren verwendeten Spektrometern und einem oder mehreren verwendeten Kameras, insbesondere auch die Aufnahmestartzeiten, synchronisiert werden.
In Schritt 23 wird das Spektrum in Abhängigkeit von dem Bild ausgewertet. Hierzu kann beispielsweise in der Steuerung/Auswertung 123 der Fig. 1 eine Bildanalyse stattfinden, und je nach in dem Bild erkannten Kriterien kann die Auswertung des Spektrums modifiziert werden.
Beispielsweise kann in Abhängigkeit von dem Bild das Spektrum verworfen werden, falls das Bild darauf hinweist, dass ein ungültiges oder wenig aussagekräftiges Spektrum aufgenommen wurde, oder eine Gewichtung des Spektrums bei einer Mittelwertbildung kann verändert werden. Beispielsweise kann eine Gewichtung von Spektren, bei welchen das Bild eine mögliche Verfälschung des Spektrums anzeigt, verringert werden. Ein derartiges Verwerfen von Spektren oder abweichendes Gewichten kann beispielsweise bei einer ortsaufgelösten Messung bzw. einem Verfahren des Messbereichs wie dem Messbereich 124 auf einer Probe bzw. einem Bewegen der Probe unter den Messbereich für derartige Spektren vorgenommen werden, bei welchem im Messbereich potenzielle Probleme erkannt wurden. Bei einem ortsaufgelösten Spektrometer, welches also Spektren nicht nur wellenlängenaufgelöst, sondern zusätzlich oder alternativ ortsaufgelöst aufnimmt, kann beispielsweise nur ein Teil der Spektren verwendet werden, nämlich diejenigen aus dem Teil des Messbereichs, bei welchem kein Problem identifiziert werden konnte. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Probe den Messbereich nur teilweise ausfüllt, die Proben nur teilweise inhomogen sind, Fremdkörper nur in einem Teil des Messbereichs vorliegen, Glanz nur in einem Teil des Messbereichs auftritt oder das Messfenster nur teilweise verschmutzt ist. Schließlich können auch Spektren, bei welchen das Bild keine Probleme anzeigt, getrennt von Spektren, bei welchen das Bild Probleme anzeigt, ausgewertet werden. Beispiele, bei welchen ein Spektrum verworfen werden kann, eine Gewichtung des Spektrums verringert werden kann oder das Spektrum separat ausgewertet wird oder auf ande- re Weise besonders behandelt wird, beispielsweise in besonderer Weise gekennzeichnet wird, werden im Folgenden erläutert.
Beispielsweise kann mittels der Auswertung des Bildes erkannt werden, dass in einem Messfenster, d.h. in einem gerade untersuchten Probenbereich, welcher insbesondere mit dem Messbereich 124 der Fig. 1 übereinstimmen oder diesen umfassen kann, keine Probe vorhanden ist oder nur teilweise eine Probe vorhanden ist. Dies kann insbesondere bei beweglichen Proben wie beispielsweise bei Online-Messungen auftreten. Ein weiteres Problem, welches erkannt werden kann, ist, dass keine homogene Messprobe vorliegt. Dies kann beispielsweise an einer ungünstigen Behandlung der Messprobe, beispielsweise ein unzureichendes Zerkleinern, oder auch durch Fremdkörper in der Messprobe verursacht sein.
Ein weiteres Problem, welches erkannt werden kann, ist, dass die Struktur der Probe nicht zu einer Größe eines verwendeten Messbereichs passt. Bei Messungen wird im Allgemeinen über die Größe des Messbereichs integriert, sodass es in vielen Fällen bevorzugt ist, wenn die Strukturen einer Probe kleiner sind als der Messbereich. In anderen Fällen kann es auch bevorzugt werden, nur einen Teil einer Struktur zu erfassen, in welchem Fall der Messbereich dann kleiner sein sollte als die Probenstruktur.
Ein weiteres Problem, welches durch Bildanalyse erkannt werden kann, ist so genannter Glanz an der Probe. Glanz entsteht, wenn eine direkte Reflexion des Anregungslichts, beispielsweise der Lichtstrahlen 1 18, in den Messstrahlengang, in dem Fall der Fig. 1 auf den Strahl 1 14, fällt. Dies kann insbesondere bei strukturierten Probenoberflächen, beispielsweise kugelförmigen Abschnitten in der Probe, auftreten.
Ein weiteres Problem, welches durch Bildanalyse erkannt werden kann, ist eine Verschmutzung des Messfensters. Beispielsweise können an einem Schutzglas wie dem Glas 121 bei einer strömenden Probe Probenteile hängenbleiben, welche dann die Messung verfälschen. Eine derartige Verschmutzung kann insbesondere erkannt werden, wenn bei einem Wechsel der Probe ein Teil des Bildes immer gleich bleibt (z.B. auch wenn gerade während des Wechselvorgangs keine Probe vorhanden ist) oder bei einer sich bewegenden Probe in einem Teil des Bildes keine Bewegung vorliegt.
Zudem kann bei einer sich bewegenden Probe erkannt werden, wenn eine Probengeschwindigkeit außerhalb eines eingestellten Toleranzbereiches ist oder ein Strömungsverhalten der Probe (beispielsweise bei Proben, welche aus vielen kleinen Teilchen, beispielsweise Erntegut, bestehen) zu ungleichmäßig ist, wobei die letzteren beiden Punkte auch auf eine Verschmutzung des Messfensters hindeuten können. Wenn die verwendete Kamera wie oben erläutert eine Infrarotkamera umfasst oder ein Temperatursensor wie der Temperatursensor 128 der Fig. 1 oder eine andere Art der Temperaturerfassung vorgesehen ist, kann zudem erfasst werden, ob eine Temperatur der Probe oder ein Temperaturgradient in der Probe außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs sind. Bei einem Temperaturgradient in der Probe können dann insbesondere die Messung von Probenteilen bei ortsaufgelösten Messungen, welche dann durch den Temperaturgradienten eine Temperatur außerhalb des Toleranzbereichs aufweisen, als problematisch gekennzeichnet werden.
Wie bereits erwähnt kann, wenn ein oder mehrere der oben beschriebenen potenziellen Probleme in dem Bild erkannt werden, ein aufgenommenes Spektrum in Schritt 23 aus Figur 2 entsprechend ausgewertet werden, beispielsweise verworfen werden, niedriger gewichtet werden oder separat ausgewertet werden.
Zusätzlich oder alternativ hierzu kann bei einem Erkennen derartiger Probleme die verwendete Messeinrichtung eingestellt werden, um das Problem zu beheben oder abzumildern. Ein entsprechendes Verfahren ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Die Schritte 30-32 des Ausführungsbeispiels der Fig. 3 entsprechen dabei den Schritten 20-22 des Ausführungsbeispiels der Fig. 2. In Schritt 33 wird dann eine verwendete Messeinrichtung, beispielsweise die Messeinrichtung der Fig. 1 , abhängig von dem Bild eingestellt.
Diese Einstellung der Messeinrichtung in Schritt 33 kann zusätzlich oder alternativ zu der Auswertung des Spektrums von Schritt 23 der Fig. 2 erfolgen. Beispielsweise kann, wenn ein Bild, welches auf ein Problem hindeutet, wie unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert wurde, das jeweilige Spektrum dann entsprechend ausgewertet werden und zudem die Messeinrichtung in Schritt 33 eingestellt werden, um derartige Probleme bei zukünftigen Messungen zu vermeiden.
Beispielsweise kann im Falle eines leeren oder nur teilweise gefüllten Messbereichs eine Probe entsprechend bewegt werden, um den Messbereich vollständig auf der Probe zu platzieren. Wenn die Struktur der Probe nicht zur Größe des Messbereichs passt, kann die Größe des Messbereichs, beispielsweise durch Einstellen der Blende 120 oder der Optik 127 der Fig. 1 , verändert und der Struktur der Probe angepasst werden. Im Falle von Glanz an der Probe kann die Beleuchtung modifiziert werden, beispielsweise einzelne oder alle Lichtquellen der Lichtquellen 1 16 der Fig. 1 ausgeschaltet oder gedimmt werden, um den Glanz zu vermindern oder zu beseitigen. Zu Verminderung von Glanz kann bei manchen Vorrichtungen auch ein Beleuchtungswinkel variiert werden. Bei einer Verschmutzung des Messfensters kann eine Reinigung vorgenommen werden. Bei einer Temperatur außerhalb des Toleranzbereichs kann beispiels- weise eine (in Fig. 1 nicht dargestellte) Kühlung oder Heizung angesteuert werden. Bei einer unpassenden Probengeschwindigkeit kann eine Geschwindigkeit des Probentransports, beispielsweise eine Geschwindigkeit eines Förderbandes, angepasst werden.
Bei einer Ermittlung der Temperatur der Probe beispielsweise durch den Temperaturfühler 128 kann eine Kalibrierung verschiedener Komponenten, beispielsweise der Spektrometer, der Temperatur angepasst werden.
Zusätzlich oder alternativ zu den Ausführungsbeispielen der Figuren 2 und 3 können die Bilder auch gespeichert werden. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 dargestellt. Die Schritte 40-42 der Fig. 4 entsprechen dabei wiederum den Schritten 20-22 der Fig. 2. In Schritt 43 wird dann das Bild mit Zuordnung zum Spektrum gespeichert, d.h. in einer Weise gespeichert, welche eine nachträgliche Zuordnung zu dem jeweiligen bevorzugt ebenfalls abgespeicherten Spektrum ermöglicht. Die Speicherung kann dabei beispielsweise in dem Speicher 129 der Fig. 1 erfolgen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann der Speicher 129 dabei ein Ringspeicher sein, in welchem Bilder nur für eine vorgegebene Zeit gespeichert werden, beispielsweise nur die Bilder der letzten Stunde oder eines anderen Zeitabschnittes.
Bei manchen Ausführungsbeispielen werden in Schritt 43 alle Bilder gespeichert. Bei anderen Ausführungsbeispielen werden nur manche Bilder gespeichert, beispielsweise Bilder, in welchen eines oder mehrere der oben erläuterten Probleme erkannt wurden, oder Bilder, deren zugeordnetes Spektrum von einem Mittelwert oder einem erwarteten Spektrum um mehr als einen vorgegebenen Betrag abweicht. Hierdurch kann beispielsweise im Nachhinein analysiert werden, ob eine Abweichung des Spektrums auf Probleme, beispielsweise Defekte, der Probe selbst hinweist oder ob andere Ursachen, wie beispielsweise die erwähnte Verschmutzung des Messfensters, das abweichende Spektrum verursacht haben.
Die Verfahren der Figuren 2-4 werden bei manchen Ausführungsbeispielen, insbesondere bei Online-Messungen, in Echtzeit ausgeführt.
Bei der Bildauswertung der Ausführungsbeispiele der Fig. 1 -4 können auch Informationen aus den Spektrometern verwendet werden, um die Auswertung des von einer entsprechenden Kamera aufgenommenen Bildes zu verbessern. Beispielsweise werden bei Farbbildkameras üblicherweise rot, grün und blau separat detektiert, wobei beispielsweise durch entsprechende Farbfilter eine Unterteilung des Lichts erfolgt, welche nicht gleichmäßig ist. Durch gleichzeitiges Auswerten eines im sichtbaren Bereich aufgenommenen Spektrums kann eine höhere Farbdifferenzierung, beispielsweise in den Grüntönen, erfolgen. Wie aus den obigen Erläuterungen ersichtlich, kann durch verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung eine verbesserte Auswertung und/oder Qualität von Spektren auf automatische Weise, beispielsweise durch eine entsprechende Programmierung der Steuerung/Auswertung 123 der Fig. 1 , erfolgen. Im Hinblick auf die vielen beschriebenen Variationen und Abwandlungsmöglichkeiten der dargestellten Ausführungsbeispiele ist die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, diese dienen lediglich zur Veranschaulichung von Implementierungsmöglichkeiten der Erfindung.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Spektroskopisches Messverfahren, umfassend:
Beleuchten einer Probe (122) in einem Messbereich (124),
Erfassen eines Spektrums von von der Probe (122) ausgehendem Licht,
Erfassen eines Bildes der Probe (122) umfassend den Messbereich (124) und
Auswerten des Spektrums in Abhängigkeit von dem erfassten Bild.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Auswerten des Spektrums in Abhängigkeit von dem erfassten Bild ein Verwerfen des Spektrums in Abhängigkeit von dem erfassten Bild, ein Gewichten des Spektrums in Abhängigkeit von dem erfassten Bild und/oder eine separate Auswertung des Spektrums in Abhängigkeit von dem erfassten Bild umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Auswerten des Spektrums in Abhängigkeit von dem erfassten Bild ein Analysieren des Bildes auf mindestens ein Kriterium hin und ein Auswerten des Spektrums in Abhängigkeit von einer Identifizierung des mindestens einen Kriteriums umfasst, wobei das mindestens eine Kriterium mindestens ein Kriterium umfasst aus der Gruppe, umfassend:
ein Nichtvorhandensein einer Probe in dem Messbereich (124),
ein nur teilweises Vorhandensein einer Probe in dem Messbereich (124),
eine inhomogene Probe,
eine falsche Probe,
eine nicht zu einer Größe des Messbereichs (124) passende Struktur der Probe, ein Vorhandensein von Fremdkörpern in der Probe,
ein Vorhandensein von Glanz an der Probe,
eine Verschmutzung eines Messfensters,
eine Probengeschwindigkeit außerhalb eines Toleranzbereichs, und
ein Strömungsverhalten der Probe außerhalb eines Toleranzbereichs.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Bild ein Wärmebild der Probe umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Auswerten des Spektrums in Abhängigkeit von dem erfassten Bild ein Analysieren des Bildes auf mindestens ein Kriterium hin und ein Auswerten des Spektrums in Abhängigkeit von einer Identifizierung des mindestens einen Kriteriums umfasst, wobei das mindestens eine Kriterium mindestens ein Kriterium umfasst aus der Gruppe, umfassend: eine Temperatur einer Probe außerhalb eines Toleranzbereichs, und
ein Temperaturgradient einer Probe außerhalb eines Toleranzbereichs.
6. Spektroskopisches Messverfahren, umfassend:
Beleuchten einer Probe (122) in einem Messbereich,
Erfassen eines Spektrums von der Probe (122),
Erfassen eines Bildes von der Probe (122), und
Einstellen einer zum Beleuchten und/oder Erfassen benutzten Messeinrichtung in Abhängigkeit von dem Bild.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Einstellen der Messeinrichtung in Abhängigkeit von dem Bild eine Erfassung eines vorgegebenen Kriteriums in dem Bild und ein Einstellen der Messeinrichtung, wenn das Kriterium in dem Bild identifiziert wurde, umfasst, wobei das Kriterium ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend:
ein Nichtvorhandensein einer Probe in dem Messbereich (124),
ein nur teilweises Vorhandensein einer Probe in dem Messbereich (124),
eine inhomogene Probe,
eine falsche Probe,
eine nicht zu einer Größe des Messbereichs passende Struktur der Probe,
ein Vorhandensein von Fremdkörpern in der Messprobe,
ein Vorhandensein von Glanz an der Probe,
eine Verschmutzung eines Messfensters,
eine Probengeschwindigkeit außerhalb eines Toleranzbereichs, und
ein Strömungsverhalten der Probe außerhalb eines Toleranzbereichs.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Einstellen der Messeinrichtung eine Veränderung des Beleuchtens zum Minimieren von Glanz, ein Bewegen der Probe, einen Reinigungsvorgang und/oder eine Veränderung der Größe des Messbereichs (124) umfasst.
9. Spektroskopisches Messverfahren, umfassend:
Beleuchten einer Probe (122),
Erfassen eines Spektrums von der Probe (122),
Erfassen eines Bildes von der Probe (122), und
Speichern des Bildes mit Zuordnung zu dem Spektrum.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Speichern nur dann erfolgt, wenn das erfasste Spektrum von einem mittleren Spektrum um mehr als einen vorgegebenen Betrag abweicht oder das Bild ein vorgegebenes Kriterium erfüllt.
1 1 . Spektroskopisches Messverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend:
Auswerten des Bildes mithilfe von Farbinformation aus dem Spektrum.
12. Spektroskopische Messeinrichtung, umfassend:
eine Beleuchtungseinrichtung (1 16) zum Beleuchten einer Probe (122) in einem Messbereich (124),
mindestens ein Spektrometer (10, 1 13) zum Erfassen eines Spektrums von von der Probe (122) ausgehendem Licht,
mindestens eine Kamera (1 1 , 125) zum Erfassen eines Bildes von der Probe (122) umfassend den Messbereich, und
eine Auswertungseinrichtung (123), wobei die Auswertungseinrichtung eingerichtet ist, das Spektrum in Abhängigkeit von dem Bild auszuwerten.
13. Spektroskopische Messeinrichtung, umfassend:
eine Beleuchtungseinrichtung (1 16) zum Beleuchten einer Probe (122) in einem Messbereich (124),
mindestens ein Spektrometer (10, 1 13) zum Erfassen eines Spektrums von von der Probe (122) ausgehendem Licht,
mindestens eine Kamera (1 1 , 125) zum Erfassen eines Bildes von der Probe (122) umfassend den Messbereich, und
eine Auswertungseinrichtung (123), wobei die Auswertungseinrichtung eingerichtet ist, die Messeinrichtung in Abhängigkeit von dem Bild einzustellen.
14. Spektroskopische Messeinrichtung, umfassend:
eine Beleuchtungseinrichtung (1 16) zum Beleuchten einer Probe (122) in einem Messbereich (124),
mindestens ein Spektrometer (10, 1 13) zum Erfassen eines Spektrums von von der Probe (122) ausgehendem Licht,
mindestens eine Kamera (1 1 , 125) zum Erfassen eines Bildes von der Probe (122) umfassend den Messbereich, und
eine Auswertungseinrichtung (123), wobei die Auswertungseinrichtung eingerichtet ist, das Bild mit Zuordnung zu dem Spektrum in einem Speicher (129) zu speichern.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 eingerichtet ist.
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