WO2019048427A1 - Haltestruktur, optisches sensormodul sowie daraus gebildetes set - Google Patents

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WO2019048427A1
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optical
sensor module
support structure
smartphone
optical sensor
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Kort Bremer
Bernhard Roth
Johanna-Gabriela Walter
Maik Rahlves
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Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
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Definitions

  • the invention relates to a support structure which is adapted to cooperate with an optical sensor module and a smartphone attached to the support structure to form an optical analysis system.
  • the invention also relates to an optical sensor module for such a support structure as well as a set of such a support structure and such a sensor module.
  • the invention relates to the field of optical analysis of objects or substances by components and software available via a smartphone. Such an arrangement is also called a chip laboratory. From WO 2016/1 16 181 A1 an optical analysis system is already known in which a computer device, such as e.g. a smartphone can be used. The local optical components are completely integrated into a support structure to which the smartphone can be connected.
  • the invention has for its object to provide ways to provide an optical analysis system formed with such components universal, resource-saving / sustainable and cost-effective.
  • the holding structure forms an adapter structure which, on the one hand, is adapted to the smartphone to be used with regard to the mechanical fixing elements.
  • the support structure is additional in terms of formed on the optical adaptation as an adapter structure by the holding structure adapted via its optical adapter device, the at least one optical interface of the sensor module to the specific arrangement of the light source and / or the camera of the smartphone.
  • the holding structure can also be referred to as a multifunctional adapter structure.
  • the analysis system can be designed in particular as a chip laboratory.
  • the invention has the advantage that uniform optical sensor modules can be used in connection with a wide variety of types of smartphones and accordingly different holding structures. This in turn has the advantage that the approval procedures for such products, in particular for medical devices, are simplified, since a comparatively small number of different optical sensor modules must be approved.
  • the holding structure used with regard to the remaining functions can be provided in a large number of variants for a wide variety of smartphones. In this way, the sensor modules and the support structures can be provided in each case particularly cost-effective and environmentally friendly / sustainable and combined by the user as needed.
  • the support structure can be made, for example, by a generative manufacturing process, e.g. by 3D printing from a plastic material or other suitable material.
  • the holding structure can also be produced for example by means of an injection molding process.
  • the sensor module may be used in any plastic manufacturing process, e.g. a plastic injection molding process. If waveguides are present therein to form the third optical fiber path, they may be incorporated directly into the plastic material, e.g. into a polymer, to be embossed.
  • the support structure and / or the sensor module can also be wholly or partially made of silicone. It is also possible to inexpensively produce the support structure by molding it with the aid of silicones.
  • the holding structure can be, for example, a holding structure which can be plugged onto the smartphone.
  • the support structure may also be designed as a smartphone protective cover or integrated into such a protective cover.
  • the optical adapter device may in particular comprise components for transmitting light between the at least one optical interface of the optical sensor module and the region at which the light source and / or the camera of the smartphone is arranged in the support structure.
  • Such light-conducting elements may include, for example, optical waveguides, mirrors and / or prisms.
  • the light source of the smartphone may, for example, be a light source for illuminating the area covered by the camera of the smartphone, for example in the form of a flashlight (white light source), an LED (light-emitting diode) or a similar component.
  • the light source may also be, for example, a display of the smartphone.
  • the light source can be designed as a multi-color light source. This has the advantage that specifically different wavelengths can be fed into the Lichtleitpfad. By appropriate software control, the wavelength can be changed at any time, so that only certain measurements are possible.
  • the camera of the smartphone can be a front, a rear or a laterally arranged camera.
  • the support structure has a first optical coupling interface for coupling light from a first optical coupling interface of the optical sensor module into the holding structure and / or a second optical coupling interface for coupling light from the holding structure into a second has optical coupling interface of the optical sensor module.
  • the first optical coupling interface and / or the second optical coupling interface can represent at least one optical interface of the optical sensor module, as mentioned in claim 1.
  • the first and / or the second optical coupling interface can have at least one coupling-in element, for example in the form of one or more coupling-in components.
  • the first and / or the second optical coupling-out interface can contain at least one coupling-out element, for example in the form of one or more decoupling components.
  • a coupling-in component and / or a coupling-out component can be realized by Fresnel / total reflection and / or light diffraction and / or evanescent field coupling.
  • Coupling components and / or coupling-out components can be, for example, optical elements such as mirrors, prisms, beveled waveguides, optical gratings.
  • nanoparticles can be used for optical coupling.
  • the efficiency of the coupling-in element and / or the coupling-out element can be optimized by means of a lens system and / or a tapering structure. Furthermore, the light polarization can be adjusted and optimized by means of the polarization filter as a supplement to the coupling-in component and / or coupling-out component. Moreover, by means of an optical grating as coupling element or by changing the color of the display at the location of the input coupler, light of one wavelength can be specifically coupled in.
  • the first optical coupling interface is optically connected via at least one first Lichtleitpfad the support structure with a provided in the support structure for the arrangement of the camera of the smartphone first area and / or the second optical Auskopplungssammlungstelle via at least a second licht
  • the light guide path of the support structure is optically connected to a provided for the arrangement of the light source of the smartphone second region of the support structure.
  • the first light guide path and / or the second light guide path can form an optical adapter device according to claim 1, or at least a part of such an optical adapter device.
  • the location of the sensor module in the support structure when it is plugged into the insertion slot may be e.g. be formed such that the first optical coupling-out interface of the sensor module immediately above the camera of the
  • Smartphones is arranged so that in this case the first optical coupling interface of the support structure need not have any additional components, but only an opening or a breakthrough in the material of the support structure, through which the light can pass from the first optical coupling interface of the sensor module to the camera. In this case, no additional components for the first Lichtleitpfad are required.
  • the second optical coupling interface of the optical sensor module can also be arranged directly above the light source of the smartphone, so that in this case the second optical coupling-out interface does not need any additional components, but only an opening or a breakthrough in the material of the holding structure must be present, so that the light the light source of the smartphone can reach the second optical coupling interface. In this case, no additional components for the second light guide path are required.
  • the holding structure has a plurality of first optical coupling interfaces. This is particularly advantageous if a sensor module with several first optical coupling interfaces is to be used.
  • a first optical coupling interface may be arranged in optical connection with an associated first optical coupling-out interface when the optical sensor module is plugged into the insertion slot.
  • a plurality of optical paths can be formed in the sensor module, in each of which at least one sensor element is arranged.
  • the insertion shaft is formed as a slot-shaped shaft.
  • the plug-in slot may e.g. Having guide rails for defined guidance of the optical sensor module.
  • at least one latching element can be present in the insertion shaft or on the optical sensor module, which interacts with an associated latching element of the optical sensor module or in the insertion shaft in order to fix the optical sensor module inserted into the plug-in shaft by latching to the support structure.
  • the optical adapter device is arranged manually displaceably on the support structure.
  • This has the advantage of having the appropriate component of the smartphone, ie the light source and / or the camera, even without separation of the smartphone from the support structure for other applications, such as the taking of photographs, can be used. In such a case, an otherwise the camera and / or the light source overlapping part of the support structure can be pushed away to release the camera or the light source.
  • the holding structure comprises one or more optical waveguides, optical reflection elements, optical lenses, optical taper structures, optical diffraction gratings and / or optical filters in the region of the optical adapter device, the first optical coupling interface, first Lichtleitpfads, the first region, the second optical Auskopplungssammlungstelle, the second Lichtleitpfads and / or the second region.
  • additional optical functionality may be present in the support structure, e.g. for optimizing light transmission or for optical filtering, e.g. a color filter and / or a polarizing filter.
  • Optical reflection elements can be mirrors, prisms or gratings, for example.
  • the first optical coupling interface, the first optical coupling interface, the second optical coupling interface and / or the second optical coupling interface may comprise one or more such optical elements.
  • the holding structure has a plurality of optical adapter devices, by which the optical interface of the inserted into the insertion slot optical sensor module is adapted to the specific arrangement of multiple cameras of the holding structure associated smartphone. All the cameras of the smartphone can also be adapted by means of the optical adapter devices.
  • the support structure is particularly suitable for multi-camera smartphones in this way. This has the advantage that a plurality of parallel Lichtleitpfade can be operated so that the sensor module more parallel Lichtleitpfade that are independent of each other, as well as several sensors, may have, so that several sensor data can be detected in parallel.
  • the holding structure does not adapt at least one of a plurality of cameras of the smartphone by means of an optical adapter device.
  • This camera remains free and can be used for other applications. If, for example, the individual images of multi-camera smartphones can no longer be accessed, then the image of the sensor system should be mechanically separated.
  • the holding structure is dimensioned smaller both in terms of width and in terms of length than the smartphone associated with the holding structure.
  • the fixation of the support structure on the smartphone can, for. B. be done by the holding structure is glued to the back of the smartphone. A magnetic fixation is possible.
  • the support structure can be attached to the smartphone in such a way that it does not protrude beyond the smartphone in terms of the width and height of the smartphone.
  • an optical sensor module configured for insertion into a plug-in slot of a support structure according to any one of the preceding claims, wherein the optical sensor module at least one extending from the second optical coupling interface of the optical sensor module to the first optical coupling interface of the optical sensor module has at least one sensor element arranged in the third Lichtleitpfad at least one sensor element, which is adapted to modify the guided through the third Lichtleitpfad light depending on an externally acting on the sensor module influencing variable.
  • the sensor element arranged in the third light guide path may in particular be an optical sensor.
  • the optical sensor is used to capture environmental parameters. By means of, for example, absorption, scattered light, reflected light, transmitted light, fluorescent light, polarized light, refractive index measurements, quantum dots and / or the determination of the amplitude or phase spectrum of the light, environmental parameters can be investigated.
  • the optical sensor can be realized eg by means of plasmons, cavity, optical evanescent field, optical grating, photonic crystal, ring resonators or Fabry-Perot or Mach-Zehnder interferometer or as optode.
  • Plasmon sensors can be realized eg by a gold, silver coating and / or nanostructuring (eg nanoparticles).
  • the nanoparticles can already be present on the sensor surface prior to the application of the analysis system or can only be applied to the sensor surface during the application of the analysis system.
  • an adhesive layer between the sensor and metal coating can be used and a lattice structure and / or dielectric layers for phase matching can be integrated.
  • Multiple optical sensors may be multiplexed serially and / or parallel along the optical waveguide, wherein wavelength division multiplexing may be used.
  • lenses can be used to increase the coupling efficiency of the input and / or decoupling interface.
  • the optical sensor module is designed as a flat planar structure in which the third light guide path is integrated.
  • the optical sensor module can be provided in a compact design and is particularly suitable forgrubau- end embodiments of the support structure.
  • the sensor module may have a thickness which is substantially less than its width and its length.
  • the optical sensor module is uniformly designed for use on a multiplicity of different types of smartphones. This allows a universal use of the optical sensor module. Depending on the physical variable to be detected by the sensor module, differently designed sensor modules can be provided in which different sensors are integrated in each case.
  • the third light-conducting path has at least one optical splitter through which light coupled into the sensor module via the second optical coupling interface can be split into a plurality of parallel light paths, wherein respective sensor elements are arranged in the sensor module in different light paths. In this way the universal usability of the sensor module can be further increased.
  • a plurality of sensor elements, in particular various sensor elements for detecting different physical quantities, can be integrated in one sensor module.
  • the sensor module can have a plurality of first optical coupling interfaces.
  • the third Lichtleitpfad multiple parallel optical waveguides are present, wherein in one or more optical waveguides at least one sensor element is arranged, which acts to modify the light guided by the optical waveguide depending on a on the sensor module from the outside Influenced variable is set up, and at least one Lichtleitpfad has no such sensor.
  • the optical sensor module may also include a reference sensor disposed in a reference optical path and not used for measurement purposes. With such a reference sensor, the cross sensitivity of unspecific surface compounds can be compensated.
  • the sensor module has at least one microfluidic component.
  • the microfluidic component may e.g. comprise a hollow channel in the sensor module, via which a liquid to be evaluated by means of the sensor element is guided via the sensor element of the sensor module.
  • the sensor module includes a plurality of sensor elements and each sensor element has its own microfluidic component. Based on this configuration, the sensor elements of the sensor module can be used individually at different times.
  • the sensor module is thus composed in this development of several sensor elements and microfluidic components.
  • the object mentioned at the outset is also achieved by a set of a holding structure of the previously described type and an optical sensor module of the type described above, wherein the holding structure with the optical sensor module inserted therein forms an optical analysis system in cooperation with a smartphone attached to the holding structure. This also makes it possible to realize the advantages explained above.
  • the sensor module or sensor element therein may be used only once, i. the sensor module is in this case a disposable product.
  • the support structure can be designed in any case as a reusable product. In this way, the proportion that the disposable product has on the overall system can be minimized, especially if the sensor module is made particularly small and compact.
  • the support structure and / or the sensor module only purely passive components, that is those components that do not require electrical power supply. This has the advantage that the holding structure and / or the sensor module can be realized without its own electrical energy source, which is additionally conducive to a compact, cost-effective and lightweight design of the analysis system. In addition, there is no need to change or recharge electrical power supply components.
  • the first, the second and / or the third light guide path has at least one optical waveguide laid in the support structure or in the sensor module.
  • the optical waveguide can be designed, for example, as a planar optical waveguide or glass fiber waveguide or similar optical waveguide, in particular as a flexible optical waveguide.
  • the optical waveguide may be composed of a core and cladding, the core being optically more dense.
  • the optical waveguide can be constructed as a slab, ridge, buried or fibre waveguide and can be single-mode or multi-mode.
  • the cross-sectional geometry of the optical waveguide may be circular or rectangular, wherein the core and cladding of the optical waveguide may consist for example of polymer, glass, silicon or air.
  • the first, the second and / or the third light guide path has at least one optical waveguide which is laid in the arc, ie arcuately, in the support structure or in the sensor module.
  • the light can be returned from a light source of the smartphone to the camera of the smartphone, even if these two elements of the smartphone are arranged close to each other.
  • the sensor module has a plurality of sensors arranged one behind the other in the same third light guide path.
  • a plurality of sensor signals can be detected via a light-conducting path and different influencing variables can be sensed.
  • the several sensors arranged one behind the other can then be interrogated in multiplex mode. An extension of the computer device to additional light sources and / or cameras can be avoided.
  • a multiplicity of parameters can be measured and / or cross sensitivities of the optical sensor structure can be compensated, for example, with respect to temperature.
  • a compensation of cross sensitivity such as temperature and humidity, can be realized.
  • receptors both molecules of natural origin, such as antibodies and enzymes, as well as synthetically produced molecules, such as aptamers can be used.
  • low-molecular-weight molecules can also be immobilized on the sensor surface in order to bring about the desired specificity with respect to the analyte to be subsequently added. Immobilization of these receptors on the sensor can be both covalent and adsorptive to the surface of the sensor.
  • the optical analysis system consisting of a holding structure and an optical sensor module, can also include a smartphone app, which is used to control the LED and camera of the smartphone as well as for signal evaluation and graphic visualization.
  • the smartphone app can also be used for graphical test instructions / instructions.
  • Figure 1 an optical analysis system in a schematic representation and Figure 2 - a first practical embodiment of an analysis system and Figure 3 - a second practical embodiment of an analysis system.
  • FIG. 1 shows a holding structure 1, a sensor module 2 and a smartphone 3 (partially shown).
  • the support structure 1 has mechanical fixing elements 17 to which the smartphone 3 is attached, so that the support structure 1 and the smartphone 3 are connected to each other and the smartphone 3 is connected in a defined orientation with respect to its light source 31 and its camera 30 with the support structure , In other words, when the smartphone 3 is correctly and properly attached to the support structure 1 via the fixing elements 17, the light source 31 and the camera 30 are always located at the same location of the support structure 1 predefined by the fixing elements 17.
  • the holding structure 1 also has a plug-in slot 10 into which the sensor module 2 is inserted. Normally, when the sensor module 2 is plugged in, at least the part located in the plug-in slot 10 is not recognizable, for a clearer illustration this part is shown open in FIG. 1, so that the details can be seen.
  • the light source 31 is located on the same side of the housing of the smartphone 3 as the camera 30. However, this is not mandatory, the holding structure can also be designed such that an optical connection to the light source and the camera are made can, if they are arranged on different sides of the smartphone 3.
  • the light source 31 may be, for example, an LED (light emitting diode) or a part of the display of the smartphone.
  • the holding structure 1 has a first optical coupling interface 11, which is coupled via a first light guide path 13 to a first area 14 provided in the holding structure 1 for the arrangement of the camera 30.
  • the light guiding path 13 may be e.g. be formed by an optical waveguide.
  • the holding structure 1 has a second optical coupling-out interface 12, which is optically connected via a second light guide path 15 to a second region 16 of the holding structure 1 provided for the arrangement of the light source 31.
  • the light-guiding path 15 can likewise be formed, for example, by an optical waveguide. In this case, it is ensured by the fixing elements 17 that the first area 14 lies above the camera 30 and the second area 16 lies above the light source 31.
  • the sensor module 2 has, as elements which are integrated in a carrier body of the sensor module 2, a first optical coupling-out interface 21, a third optical guide 23, a second optical coupling interface 22 and a sensor element 20.
  • Light introduced into the sensor module 2 via the second optical coupling interface 22 is guided via the third optical waveguide 23 via the sensor module 20 and the light emerging therefrom is conducted via the third optical waveguide 23 to the first optical coupling interface 21 where the light is emitted ,
  • the sensor element 20 may be a sensor element of the type mentioned.
  • a substance to be examined by the sensor element 20 can be guided to the sensor element 20 via a channel 24 of a microfluidic device and be removed therefrom.
  • the shape of the insertion shaft 10 adapted to the shape of the sensor module 2 ensures that, when the sensor module 2 is correctly and correctly inserted into the insertion shaft 10, the light from the light source 31 is introduced via the second optical coupling interface 12 into the second optical coupling cut-in part 22, and the light from the first optical coupling interface 21 is introduced into the first optical coupling interface 1 1 and is transmitted from there to the camera 30.
  • an optical adapter device through which the optical interfaces 21, 22 of the insertion shaft in the 10th inserted optical sensor module 2 is adapted to the specific arrangement of the light source 31 and the camera 30 of the support structure 1 associated with smart phone 3.
  • the same sensor module 2 is to be used with another type of smartphone in which the camera 30 and / or the light source 31 are arranged at a different position
  • another smartphone-specific holding structure is to be produced for this, in which the receptacle for the sensor module 2, ie the plug-in slot 10 with the first optical coupling interface 1 1 and the second optical coupling interface 12, can be constructed and arranged equally, but the position and arrangement of the first Lichtleitpfades 13 and the first region 14 and / or the position and / or arrangement of the second Lichtleitpfades 15 and the second region 16 are adjusted accordingly, so that the first region 14 in turn is above the camera 30 and the second region 16 in turn is located above the light source 31.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the invention in which the holding structure 1 is a holding structure which can be plugged onto the smartphone 3 and which is comparatively small compared to the dimensions of the smartphone 3 and thus does not completely cover the smartphone 3.
  • the sensor module 2 can be inserted into the insertion shaft of the support structure 1.
  • the smartphone 3, this one with its front with the display 32 is shown pointing upwards, can be placed in this position on the support structure 1.
  • FIG. 3 shows the embodiment of a holding structure 1 in the form of a smartphone protective cover.
  • the smartphone protective cover has an inner support region 18 which is completely surrounded by side walls 17 protruding from the support region 18.
  • the side walls 17 form in this embodiment, the mechanical fixing elements with which the smartphone 3 to the support structure in a fixed predetermined orientation can be fastened.
  • the mated state of the mentioned elements is again shown, in which the holding structure 1, the optical sensor module 2 and the smartphone 3 form an optical analysis system.
  • the first optical coupling-out interface 21 may be formed such that an optical waveguide forming the third optical waveguide 23 is beveled at an angle of 45 degrees, so that light emitted by the optical waveguide 23 at the first optical coupling interface 21 is approximately at right angles to the surface of the first optical coupling interface 21 Sensor module 2 is radiated, ie approximately at right angles to the bottom of the smartphone 3, at which the camera 30 is located.
  • the second optical coupling interface 22 may be formed in the same way as the first optical coupling interface 21.
  • the holding structure 1 can be produced for example by means of injection molding, silicone molding or 3D printing.
  • the optical components present in the support structure 1 can for example be individually loaded in the support structure 1 or printed or integrated in the form of a planar optical system.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Haltestruktur (1), die zum Zusammenwirken mit einem optischen Sensormodul (2) und einem an der Haltestruktur befestigen Smartphone (3) eingerichtet ist, um ein optisches Analysesystem zu bilden. Die Erfindung betrifft außerdem ein optisches Sensormodul (2) für eine solche Haltestruktur sowie ein Set aus einer derartigen Haltestruktur und einem derartigen Sensormodul.

Description

Haltestruktur, optisches Sensormodul sowie daraus gebildetes Set
Die Erfindung betrifft eine Haltestruktur, die zum Zusammenwirken mit einem opti- sehen Sensormodul und einem an der Haltestruktur befestigen Smartphone eingerichtet ist, um ein optisches Analysesystem zu bilden. Die Erfindung betrifft außerdem ein optisches Sensormodul für eine solche Haltestruktur sowie ein Set aus einer derartigen Haltestruktur und einem derartigen Sensormodul. Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet der optischen Analyse von Gegenständen oder Substanzen durch Komponenten und Software, die mittels eines Smartphone verfügbar sind. Eine derartige Anordnung wird auch als Chiplabor bezeichnet. Aus der WO 2016/1 16 181 A1 ist bereits ein optisches Analysesystem bekannt, bei dem ebenfalls ein Computergerät wie z.B. ein Smartphone genutzt werden kann. Die dor- tigen optischen Komponenten sind vollständig in eine Haltestruktur integriert, an die das Smartphone angekoppelt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten anzugeben, um ein mit derartigen Komponenten gebildetes optisches Analysesystem universeller, ressourcen- schonender/nachhaltiger und kostengünstiger bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird dabei derjenige Teil des optischen Analysesystems, der das wenigstens eine Sensorelement enthält, von anderen Teilen des optischen Analysesystems, die zur Anpassung an das jeweils verwendete Smartphone dienen, baulich getrennt. Es wird damit ein separates Sensormodul geschaffen, das als unabhängiges Bauteil von der Haltestruktur bereitgestellt werden kann. Die Haltestruktur bildet dabei eine Adapterstruktur, die einerseits hinsichtlich der mechanischen Fixierelemente an das zu verwendende Smartphone angepasst ist. Die Haltestruktur ist zusätzlich im Hinblick auf die optische Anpassung als Adapterstruktur ausgebildet, indem die Haltestruktur über ihre optische Adaptereinrichtung die wenigstens eine optische Schnittstelle des Sensormoduls an die spezifische Anordnung der Lichtquelle und/oder der Kamera des Smartphones adaptiert. Insofern kann die Haltestruktur auch als Multifunktions- Adapterstruktur bezeichnet werden. Das Analysesystem kann insbesondere als Chiplabor ausgebildet sein.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass einheitliche optische Sensormodule im Zusammenhang mit unterschiedlichsten Typen von Smartphones und dementsprechend un- terschiedlichen Haltestrukturen eingesetzt werden können. Dies hat wiederum den Vorteil, dass die Zulassungsprozeduren für solche Produkte, insbesondere für Medizinprodukte, vereinfacht werden, da eine vergleichsweise geringe Anzahl unterschiedlicher optischer Sensormodule zugelassen werden muss. Die hinsichtlich der übrigen Funktionen eingesetzte Haltestruktur kann in einer Vielzahl von Varianten für unterschiedlichste Smartphones bereitgestellt werden. Auf diese Weise können die Sensormodule und die Haltestrukturen jeweils besonders kostengünstig und umweltschonend/nachhaltig bereitgestellt werden und vom Anwender nach Bedarf kombiniert werden. Die Haltestruktur kann beispielsweise mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt werden, z.B. durch 3D-Druck aus einem Kunststoffmaterial oder einem anderen geeigneten Material. Die Haltestruktur kann auch beispielsweise mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt werden. Das Sensormodul kann beispielsweise in einem beliebigen Kunststoffherstellungsprozess, z.B. einem Kunststoffspritzguss- prozess, hergestellt werden. Sofern darin zur Bildung des dritten Lichtleitpfads Wellenleiter vorhanden sind, können diese direkt in das Kunststoffmaterial, z.B. in ein Polymer, geprägt werden. Die Haltestruktur und/oder das Sensormodul kann auch ganz oder teilweise aus Silikon hergestellt werden. Es ist auch möglich, die Haltestruktur kostengünstig herzustellen, indem diese mit Hilfe von Silikonen durch Ab- formung hergestellt wird.
Die Haltestruktur kann beispielsweise eine auf das Smartphone aufsteckbare Haltestruktur sein. Die Haltestruktur kann auch als Smartphone-Schutzhülle ausgebildet sein oder in eine solche Schutzhülle integriert sein. Die optische Adaptereinrichtung kann dabei insbesondere Bauelemente zur Lichtübertragung zwischen der wenigstens einen optischen Schnittstelle des optischen Sensormoduls und dem Bereich, an dem die Lichtquelle und/oder die Kamera des Smartphones in der Haltestruktur angeordnet ist, aufweisen. Solche lichtleitenden Elemente können z.B. Lichtwellenleiter, Spiegel und/oder Prismen umfassen.
Die Lichtquelle des Smartphone kann zum Beispiel eine Lichtquelle zur Erhellung des von der Kamera des Smartphone erfassten Bereichs sein, zum Beispiel in Form eines Blitzlichts (Weißlichtquelle), einer LED (Leuchtdiode) oder eines ähnlichen Bauteils. Die Lichtquelle kann zum Beispiel auch ein Display des Smartphone sein. Insbesondere kann die Lichtquelle als Mehrfarb-Lichtquelle ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass gezielt unterschiedliche Wellenlängen in den Lichtleitpfad eingespeist werden können. Durch entsprechende Softwaresteuerung kann die Wellen- länge jederzeit geändert werden, so dass hierdurch erst bestimmte Messungen möglich werden. Die Kamera des Smartphone kann eine frontseitige, eine rückwärtige o- der eine seitlich angeordnete Kamera sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hal- testruktur eine erste optische Einkopplungsschnittstelle zur Einkopplung von Licht von einer ersten optischen Auskopplungsschnittstelle des optischen Sensormoduls in die Haltestruktur und/oder eine zweite optische Auskopplungsschnittstelle zur Auskopplung von Licht von der Haltestruktur in eine zweite optische Einkopplungsschnittstelle des optischen Sensormoduls aufweist. Dies erlaubt eine optimale Anpassung der optischen Komponenten des Sensormoduls und des Smartphones aneinander durch die Haltestruktur. Die erste optische Auskopplungsschnittstelle und/oder die zweite optische Einkopplungsschnittstelle kann dabei wenigstens eine optische Schnittstelle des optischen Sensormoduls darstellen, wie im Anspruch 1 erwähnt. Die erste und/oder die zweite optische Einkopplungsschnittstelle kann wenigstens ein Einkoppelglied aufweisen, zum Beispiel in Form von einem oder mehreren Einkoppelbauteilen. Entsprechend kann die erste und/oder die zweite optische Auskopplungsschnittstelle wenigstens ein Auskoppelglied enthalten, zum Beispiel in Form von einem oder mehreren Auskoppelbauteilen. Ein Einkoppelbauteil und/oder ein Auskoppelbauteil kann durch Fresnel-/Totalreflektion und/oder Lichtbeugung und/oder Evaneszenzfeldkopplung realisiert werden. Einkoppelbauteile und/oder Auskoppelbauteile können zum Beispiel optische Elemente wie Spiegel, Prisma, abgeschrägte Wellenleiter, optische Gitter sein. Weiterhin können Nanopartikel zur optischen Kopplung eingesetzt werden.
Die Effizienz des Einkoppelglieds und/oder des Auskoppelglieds kann mittels eines Linsensystems und/oder einer Taper-Struktur optimiert werden. Weiterhin kann mit- tels Polarisationsfilter als Ergänzung zum Einkoppelbauteil und/oder Auskoppelbauteil die Lichtpolarisation eingestellt und optimiert werden. Durch ein optisches Gitter als Einkoppelglied oder durch Änderung der Farbe des Displays am Ort des Ein- gangskopplers kann außerdem gezielt Licht einer Wellenlänge eingekoppelt werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste optische Einkopplungsschnittstelle über wenigstens einen ersten Lichtleitpfad der Haltestruktur mit einem in der Haltestruktur für die Anordnung der Kamera des Smartphones vorgesehenen ersten Bereich optisch verbunden ist und/oder die zweite optische Auskopplungsschnittstelle über wenigstens einen zweiten lichtleiten- den Lichtleitpfad der Haltestruktur mit einem für die Anordnung der Lichtquelle des Smartphones vorgesehenen zweiten Bereich der Haltestruktur optisch verbunden ist. Dies erlaubt eine optimale Anpassung der optischen Komponenten des Sensormoduls und des Smartphones aneinander durch die Haltestruktur. Dabei kann der erste Lichtleitpfad und/oder der zweite Lichtleitpfad eine optische Adaptereinrichtung ge- mäß Anspruch 1 bilden, oder zumindest einen Teil einer solchen optischen Adaptereinrichtung.
Die Anordnung des Sensormoduls in der Haltestruktur, wenn dieses in den Einsteckschacht eingesteckt ist, kann z.B. derart ausgebildet sein, dass die erste optische Auskopplungsschnittstelle des Sensormoduls unmittelbar über der Kamera des
Smartphones angeordnet ist, sodass in diesem Fall die erste optische Einkopplungsschnittstelle der Haltestruktur keine zusätzlichen Komponenten aufweisen muss, sondern lediglich eine Öffnung oder einen Durchbruch im Material der Haltestruktur, durch die das Licht von der ersten optischen Auskopplungsschnittstelle des Sensor- moduls zu der Kamera gelangen kann. In diesem Fall sind auch keine zusätzlichen Komponenten für den ersten Lichtleitpfad erforderlich. Es kann auch die zweite optische Einkopplungsschnittstelle des optischen Sensormoduls unmittelbar über der Lichtquelle des Smartphones angeordnet sein, sodass in diesem Fall die zweite optische Auskopplungsschnittstelle keine zusätzlichen Komponenten benötigt, sondern lediglich eine Öffnung oder einen Durchbruch im Material der Haltestruktur vorhanden sein muss, damit das Licht der Lichtquelle des Smartphones zu der zweiten optischen Einkopplungsschnittstelle gelangen kann. In diesem Fall sind auch keine zu- sätzlichen Komponenten für den zweiten Lichtleitpfad erforderlich.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Haltestruktur mehrere erste optische Einkopplungsschnittstellen aufweist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein Sensormodul mit mehreren ersten optischen Aus- kopplungsschnittstellen verwendet werden soll. In diesem Fall kann jeweils eine erste optische Einkopplungsschnittstelle in optischer Verbindung mit einer zugeordneten ersten optischen Auskopplungsschnittstelle angeordnet sein, wenn das optische Sensormodul in den Einsteckschacht eingesteckt ist. Hierdurch können im Sensormodul mehrere optische Pfade gebildet werden, in den jeweils wenigstens ein Sen- sorelement angeordnet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Einsteckschacht als schlitzförmiger Schacht ausgebildet ist. Dies erlaubt eine sichere mechanische Aufnahme und Halterung des optischen Sensormoduls an der Hal- testruktur mit einfachen Mitteln. Der Einsteckschacht kann z.B. Führungsschienen zur definierten Führung des optischen Sensormoduls aufweisen. Zudem kann wenigstens ein Rastelement im Einsteckschacht bzw. auf dem optischen Sensormoduls vorhanden sein, der mit einem zugeordneten Rastelement des optischen Sensormoduls bzw. im Einsteckschacht zusammenwirkt, um das in den Einsteckschacht einge- steckte optische Sensormodul durch Verrastung an der Haltestruktur zu fixieren.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Teil der optischen Adaptereinrichtung manuell verschiebbar an der Haltestruktur angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass die entsprechende Komponente des Smartphones, d.h. die Lichtquelle und/oder die Kamera, auch ohne Trennung des Smartphones von der Haltestruktur für andere Anwendungen, wie z.B. das Aufnehmen von Fotografien, genutzt werden kann. In einem solchen Fall kann ein ansonsten die Kamera und/oder die Lichtquelle überdeckender Teil der Haltestruktur weggeschoben werden, um die Kamera bzw. die Lichtquelle freizugeben.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Haltestruktur einen oder mehrere optische Wellenleiter, optische Reflexionselemente, optische Linsen, optische Taperstrukturen, optische Beugungsgitter und/oder opti- sehe Filter im Bereich der optische Adaptereinrichtung, der ersten optischen Ein- kopplungsschnittstelle, des ersten Lichtleitpfads, des ersten Bereichs, der zweiten optischen Auskopplungsschnittstelle, des zweiten Lichtleitpfads und/oder des zweiten Bereichs aufweist. Auf diese Weise kann eine zusätzliche optische Funktionalität in der Haltestruktur vorhanden sein, z.B. zur Optimierung der Lichtübertragung oder für eine optische Filterung, z.B. ein Farbfilter und/oder ein Polarisationsfilter. Optische Reflexionselemente können beispielsweise Spiegel, Prismen oder Gitter sein. Insbesondere kann die erste optische Einkopplungsschnittstelle, die erste optische Auskopplungsschnittstelle, die zweite optische Einkopplungsschnittstelle und/oder die zweite optische Auskopplungsschnittstelle eines oder mehrere solcher optischen Elemente aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Haltestruktur mehrere optische Adaptereinrichtungen aufweist, durch die die optische Schnittstelle des in den Einsteckschacht eingesteckten optischen Sensormoduls an die spezifische Anordnung mehrerer Kameras des der Haltestruktur zugeordneten Smartphones adaptiert ist. Es können dabei auch alle Kameras des Smartphones mittels der optischen Adaptereinrichtungen adaptiert sein. Die Haltestruktur eignet sich auf diese Weise besonders für Multikamera-Smartphones. Dies hat den Vorteil, dass mehrere parallele Lichtleitpfade betrieben werden können, so dass auf das Sensormodul mehr parallele Lichtleitpfade, die voneinander unabhängig sind, sowie entsprechend auch mehrere Sensoren, aufweisen kann, so dass parallel mehrere Sensordaten erfasst werden können. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Haltestruktur zumindest eine von mehreren Kameras des Smartphones nicht mittels einer optischen Adaptereinrichtung adaptiert. Diese Kamera bleibt somit frei und kann für andere Anwendungen eingesetzt werden. Falls beispielsweise auf die einzelnen Bilder von Multikamera-Smartphones nicht mehr zugegriffen werden kann, dann soll das Bild des Sensorsystems mechanisch separiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Haltestruktur sowohl hinsichtlich der Breite als auch hinsichtlich der Länge kleiner dimensioniert als das der Haltestruktur zugeordnete Smartphone. Auf diese Weise kann eine sehr kleinbauende, kompakte Haltestruktur realisiert sein, die kostengünstig bereitzustellen ist. Die Fixierung der Haltestruktur an dem Smartphone kann z. B. dadurch erfolgen, dass die Haltestruktur an die Rückseite des Smartphones geklebt wird. Auch eine magnetische Fixierung ist möglich. Dementsprechend kann die Haltestruktur derart am Smartphone befestigt werden, dass sie hinsichtlich der Breite und Höhe des Smartphones das Smartphone nicht überragt.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein optisches Sensormodul, eingerichtet zum Einstecken in einen Einsteckschacht einer Haltestruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Sensormodul wenigstens einen sich von der zweiten optischen Einkopplungsschnittstelle des optischen Sensormoduls zu der ersten optischen Auskopplungsschnittstelle des optischen Sensormoduls erstreckenden dritten Lichtleitpfad aufweist, wobei in dem dritten Lichtleitpfad wenigstens ein Sensorelement angeordnet, das zur Modifikation des durch den dritten Lichtleitpfad geleiteten Lichts abhängig von einer von außen auf das Sensormodul einwirkenden Einflussgröße eingerichtet ist. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden.
Das in dem dritten Lichtleitpfad angeordnete Sensorelement kann insbesondere ein optischer Sensor sein. Der optische Sensor dient zur Erfassung von Umgebungsparametern. Mit Hilfe von beispielsweise Absorptions-, Streulicht-, Reflexionslicht-, Transmissionslicht-, Fluoreszenzlicht-, Polarisationslicht-, Brechzahlmessungen, Quantenpunkte und/oder der Bestimmung des Amplituden- bzw. Phasenspektrums des Lichts können Umgebungsparameter untersucht werden. Der optische Sensor kann z.B. mittels Plasmonen, Kavität, optischem Evaneszensfeld, optischem Gitter, Photonic Crystal, Ring-Resonatoren oder Fabry-Perot bzw. Mach-Zehnder Interfero- meter oder als Optode realisiert werden. Plasmonensensoren können z.B. durch eine Gold-, Silberbeschichtung und/oder Nanostrukturierung (z.B. Nanopartikel) realisiert werden. Im Falle von Nanopartikel-basierten Plasmonen-Sensoren können die Nanopartikel bereits vor der Anwendung des Analysesystems auf der Sensoroberfläche vorliegen oder erst während der Anwendung des Analysesystems auf die Sensoroberfläche aufgebracht werden. Weiterhin kann eine Haftschicht zwischen Sensor und Metallbeschichtung eingesetzt werden und eine Gitterstruktur und/oder dielektri- sehe Schichten zur Phasenanpassung integriert werden. Mehrere optische Sensoren können seriell und/oder parallel entlang des optischen Wellenleiters gemultiplext werden, wobei Wellenlängenmultiplexing angewendet werden kann. Weiterhin können Linsen zur Erhöhung der Koppeleffizienz der Ein- und/oder Auskoppelschnittstelle eingesetzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das optische Sensormodul als flachbauende planare Struktur ausgebildet ist, in die der dritte Lichtleitpfad integriert ist. Auf diese Weise kann das optische Sensormodul in kompakter Bauweise bereitgestellt werden und eignet sich besonders für kleinbau- ende Ausführungsformen der Haltestruktur. Das Sensormodul kann dabei eine Dicke aufweisen, die wesentlich geringer ist als seine Breite und seine Länge.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das optische Sensormodul einheitlich für die Verwendung an einer Vielzahl von unter- schiedlichen Typen von Smartphones ausgebildet ist. Dies erlaubt einen universellen Einsatz des optischen Sensormoduls. Je nach zu erfassender physikalischer Größe durch das Sensormodul können dabei unterschiedlich gestaltete Sensormodule bereitgestellt werden, bei denen jeweils unterschiedliche Sensoren integriert sind. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der dritte Lichtleitpfad wenigstens einen optischen Splitter aufweist, durch den über die zweite optische Einkopplungsschnittstelle in das Sensormodul eingekoppeltes Licht in mehrere parallele Lichtpfade aufteilbar ist, wobei in unterschiedlichen Lichtpfaden jeweilige Sensorelemente in dem Sensormodul angeordnet sind. Auf diese Weise kann die universelle Nutzbarkeit des Sensormoduls weiter gesteigert werden. Es können in einem Sensormodul mehrere Sensorelemente, insbesondere verschiedenartige Sensorelemente zur Erfassung unterschiedlicher physikalischer Größen, integriert werden. Das Sensormodul kann in diesem Fall mehrere erste optische Aus- kopplungsschnittstellen aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass im dritten Lichtleitpfad mehrere parallele Lichtwellenleiter vorhanden sind, wobei in einem oder mehreren Lichtwellenleitern wenigstens ein Sensorelement angeordnet ist, das zur Modifikation des durch den Lichtwellenleiter geleiteten Lichts abhängig von einer auch von außen auf das Sensormodul einwirkenden Einflussgröße eingerichtet ist, und mindestens ein Lichtleitpfad keinen solchen Sensor aufweist. Hierdurch wird es möglich, eine Lichtquellennormierung durch Nutzung des Lichtwellenleiters ohne Sensor durchzuführen.
Das optische Sensormodul kann auch einen Referenzsensor aufweisen, der in einem Referenz-Lichtleitpfad angeordnet ist, und der nicht für Messzwecke genutzt wird. Mit einem solchen Referenzsensor kann die Kreuzempfindlichkeit von unspezifischen Oberflächenverbindungen kompensiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensormodul wenigstens eine Mikrofluidik-Komponente aufweist. Auf diese Weise ist das Sensormodul für die Durchführung einer Vielzahl von Erfassungsvorgängen an biologischen Substanzen nutzbar. Die Mikrofluidik-Komponente kann z.B. einen Hohlkanal in dem Sensormodul umfassen, über die eine mittels des Sensorelements auszuwertende Flüssigkeit über das Sensorelement des Sensormoduls geführt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sensormodul mehrere Sensorelemente beinhaltet und jedes Sensorelement eine eigene Mikrofluidik-Komponente besitzt. Anhand dieser Konfiguration können die Sensorelemente des Sensormoduls individuell an unterschiedlichen Zeitpunkten genutzt werden. Das Sensormodul setzt sich in dieser Weiterbildung somit aus mehreren Sensorelementen und Mikrofluidik-Komponenten zusammen. Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Set aus einer Haltestruktur der zuvor erläuterten Art und einem optischen Sensormodul der zuvor erläuterten Art, wobei die Haltestruktur mit darin eingestecktem optischen Sensormodul in Zusammenwirken mit einem an der Haltestruktur befestigten Smartphone ein opti- sches Analysesystem bildet. Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden.
Bei manchen Analyseformen kann das Sensormodul bzw. das darin befindliche Sensorelement nur einmalig verwendet werden, d.h. das Sensormodul ist in diesem Falle ein Einwegprodukt. Die Haltestruktur kann in jedem Fall als Mehrwegprodukt ausgebildet sein. Auf diese Weise kann der Anteil, den das Einwegprodukt am Gesamtsystem hat, minimiert werden, insbesondere wenn das Sensormodul besonders klein und kompakt hergestellt wird. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Haltestruktur und/oder das Sensormodul lediglich rein passive Bauelemente auf, das heißt solche Bauelemente, die keine elektrische Energieversorgung benötigen. Dies hat den Vorteil, dass die Haltestruktur und/oder das Sensormodul ohne eigene elektrische Energiequelle realisiert werden kann, was zusätzlich förderlich für eine kompakte, kosten- günstige und leichte Ausführung des Analysesystems ist. Zudem entfällt ein Wechseln oder Nachladen elektrischer Energieversorgungsbauteile.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der erste, der zweite und/oder der dritte Lichtleitpfad wenigstens einen in der Haltestruktur oder im Sen- sormodul verlegten Lichtwellenleiter auf. Der Lichtwellenleiter kann zum Beispiel als planar-optischer Lichtleiter oder Glasfaser-Lichtleiter oder ähnlicher Lichtleiter ausgebildet sein, insbesondere als flexibler Lichtleiter. Der Lichtwellenleiter kann sich aus einem Kern und Mantel zusammensetzen, wobei der Kern optisch dichter ist. Der Lichtwellenleiter kann als slab-, ridge-, buried- oder fibre- Waveguide aufgebaut sein sowie ein- oder vielmodig sein. Weiterhin kann beispielsweise die Querschnittsgeometrie des Lichtwellenleiters zirkulär oder rechteckig sein, wobei der Kern und Mantel des Lichtwellenleiters beispielsweise aus Polymer, Glas, Silizium oder Luft bestehen können. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der erste, der zweite und/oder der dritte Lichtleitpfad wenigstens einen im Bogen, d.h. bogenförmig, in der Haltestruktur oder im Sensormodul verlegten Lichtwellenleiter auf. Auf diese Weise kann über ein und denselben Lichtwellenleiter das Licht von einer Lichtquelle des Smartphone zur Kamera des Smartphone zurückgeführt werden, auch wenn diese beiden Elemente des Smartphone dicht beieinander angeordnet sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Sensormodul mehrere in demselben dritten Lichtleitpfad hintereinander angeordnete Sensoren auf. Auf diese Weise können über einen Lichtleitpfad mehrere Sensorsignale erfasst werden und unterschiedliche Einflussgrößen sensiert werden. Die mehreren hintereinander angeordneten Sensoren können dann im Multiplexbetrieb abgefragt werden. Eine Erweiterung des Computergeräts auf zusätzliche Lichtquellen und/oder Kameras kann dadurch vermieden werden.
Durch das Multiplexen von mehreren optischen Sensoren (seriell/parallel) können beispielsweise eine Vielzahl von Parametern gemessen werden und/oder Kreuzempfindlichkeiten der optischen Sensorstruktur zum Beispiel gegenüber Temperatur kompensiert werden. Auch über bereits im Smartphone vorhandene Sensoren kann eine Kompensation von Kreuzempfindlichkeiten, zum Beispiel Temperatur und Feuchtigkeit, realisiert werden.
Zur Funktionalisierung des Sensorbereichs des Sensorelements können grundsätzlich verschiedene Rezeptoren, die spezifisch an den nachzuweisenden Analyten bin- den, in dem Sensorbereich immobilisiert werden. Als Rezeptoren können dabei sowohl Moleküle natürlichen Ursprungs, wie z.B. Antikörper und Enzyme, als auch synthetisch hergestellte Moleküle, wie z.B. Aptamere eingesetzt werden. Neben den aufgeführten Makromolekülen können auch niedermolekulare Moleküle auf der Sensoroberfläche immobilisiert werden, um die gewünschte Spezifität gegenüber dem nach- zuweisenden Analyten herbeizuführen. Die Immobilisierung dieser Rezeptoren auf dem Sensor kann sowohl kovalent als auch adsorptiv an die Oberfläche des Sensors erfolgen. Das optische Analysesystem bestehend aus Haltestruktur und optischen Sensormo- dul kann zudem eine Smartphone-App beinhalten, welche zur Ansteuerung der LED- und Kamera des Smartphones sowie zur Signalauswertung und grafischen Visualisierung dient. Auch kann die Smartphone-App zur grafischen Testanleitung/Ge- brauchsanleitung eingesetzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 - ein optisches Analysesystem in schematisierter Darstellung und Figur 2 - eine erste praktische Ausführungsform eines Analysesystems und Figur 3 - eine zweite praktische Ausführungsform eines Analysesystems.
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
Die Figur 1 zeigt eine Haltestruktur 1 , ein Sensormodul 2 und ein Smartphone 3 (teil- weise dargestellt). Die Haltestruktur 1 weist mechanische Fixierelemente 17 auf, an denen das Smartphone 3 befestigt ist, sodass die Haltestruktur 1 und das Smartphone 3 miteinander verbunden sind und das Smartphone 3 dabei in einer definierten Ausrichtung hinsichtlich seiner Lichtquelle 31 und seiner Kamera 30 mit der Haltestruktur verbunden ist. Mit anderen Worten, wenn das Smartphone 3 korrekt und sachgemäß über die Fixierelemente 17 an der Haltestruktur 1 befestigt ist, befinden sich die Lichtquelle 31 und die Kamera 30 immer an derselben durch die Fixierelemente 17 vordefinierten Stelle der Haltestruktur 1 .
Die Haltestruktur 1 weist außerdem einen Einsteckschacht 10 auf, in den das Sen- sormodul 2 eingesteckt ist. Normalerweise ist bei eingestecktem Sensormodul 2 zumindest der in dem Einsteckschacht 10 befindliche Teil nicht erkennbar, zur übersichtlicheren Darstellung ist dieser Teil in der Figur 1 geöffnet dargestellt, sodass die Details erkennbar sind. lm dargestellten Beispiel wird davon ausgegangen, dass die Lichtquelle 31 sich auf derselben Gehäuseseite des Smartphones 3 befindet wie die Kamera 30. Dies ist jedoch nicht zwingend, die Haltestruktur kann auch derart ausgebildet sein, dass eine optische Verbindung zu der Lichtquelle und der Kamera hergestellt werden kann, wenn diese auf unterschiedlichen Seiten des Smartphones 3 angeordnet sind. Die Lichtquelle 31 kann z.B. eine LED (Leuchtdiode) oder ein Teil des Displays des Smartphones sein.
Die Haltestruktur 1 weist eine erste optische Einkopplungsschnittstelle 1 1 auf, die über einen ersten Lichtleitpfad 13 mit einem in der Haltestruktur 1 für die Anordnung der Kamera 30 vorgesehenen ersten Bereich 14 gekoppelt ist. Der Lichtleitpfad 13 kann z.B. durch einen Lichtwellenleiter gebildet sein. Die Haltestruktur 1 weist eine zweite optische Auskopplungsschnittstelle 12 auf, die über einen zweiten Lichtleitpfad 15 mit einem für die Anordnung der Lichtquelle 31 vorgesehenen zweiten Be- reich 16 der Haltestruktur 1 optisch verbunden ist. Der Lichtleitpfad 15 kann ebenfalls beispielsweise durch einen Lichtwellenleiter gebildet sein. Dabei ist durch die Fixierelemente 17 sichergestellt, dass der erste Bereich 14 über der Kamera 30 liegt und der zweite Bereich 16 über der Lichtquelle 31 liegt. Das Sensormodul 2 weist als Elemente, die in einem Trägerkörper des Sensormoduls 2 integriert sind, eine erste optische Auskopplungsschnittstelle 21 , einen dritten Lichtleitpfad 23, eine zweite optische Einkopplungsschnittstelle 22 sowie ein Sensorelement 20 auf. Über die zweite optische Einkopplungsschnittstelle 22 in das Sensormodul 2 eingeleitetes Licht wird über den dritten Lichtleitpfad 23 über das Sensor- modul 20 geführt und das von dort austretende Licht wird über den dritten Lichtleitpfad 23 weiter zur ersten optischen Auskopplungsschnittstelle 21 geführt, wo das Licht abgestrahlt wird.
Das Sensorelement 20 kann ein Sensorelement der eingangs genannten Art sein. Eine von dem Sensorelement 20 zu untersuchende Substanz kann über einen Kanal 24 einer Mikrofluidik zum Sensorelement 20 geführt werden und von dort wieder abgeführt werden. Durch die an die Form des Sensormoduls 2 angepasste Formgebung des Einsteckschachts 10 wird sichergestellt, dass bei korrekt und sachgemäß in den Einsteckschacht 10 eingestecktem Sensormodul 2 das Licht der Lichtquelle 31 über die zweite optische Auskopplungsschnittstelle 12 in die zweite optische Einkopplungs- schnittsteile 22 eingeleitet wird, und das Licht von der ersten optischen Auskopplungsschnittstelle 21 in die erste optische Einkopplungsschnittstelle 1 1 eingeleitet wird und von dort zur Kamera 30 übertragen wird.
Wie man erkennt, bilden der erste Lichtleitpfad 13 und der zweite Lichtleitpfad 15, ggf. in Kombination mit der ersten optischen Einkopplungsschnittstelle 1 1 und der zweiten optischen Auskupplungsschnittstelle 12, eine optische Adaptereinrichtung, durch die die optischen Schnittstellen 21 , 22 des in den Einsteckschachts 10 eingesteckten optischen Sensormoduls 2 an die spezifische Anordnung der Lichtquelle 31 und der Kamera 30 des der Haltestruktur 1 zugeordneten Smartphones 3 adaptiert ist. Soll dasselbe Sensormodul 2 mit einem anderen Typ Smartphone genutzt werden, bei der die Kamera 30 und/oder die Lichtquelle 31 an einer anderen Position angeordnet sind, so ist hierfür eine weitere Smartphone-spezifische Haltestruktur herzustellen, bei der die Aufnahme für das Sensormodul 2, d.h. der Einsteckschacht 10 mit der ersten optischen Einkopplungsschnittstelle 1 1 und der zweiten optischen Auskopplungsschnittstelle 12, gleichermaßen konstruiert und angeordnet seien können, aber die Lage und Anordnung des ersten Lichtleitpfades 13 und des ersten Bereichs 14 und/oder die Lage und/oder Anordnung des zweiten Lichtleitpfades 15 und des zweiten Bereichs 16 entsprechend angepasst sind, sodass der erste Bereich 14 wiederum über der Kamera 30 liegt und der zweite Bereich 16 wiederum über der Lichtquelle 31 liegt. Gegebenenfalls müssen auch die verwendeten Fixierelemente 17 hinsichtlich ihrer Formgebung, Größe und/oder Lage an das andere Smartphone angepasst werden. Weitere Änderungen sind aber nicht erforderlich, um mit demselben Sensormodul 2 wiederum ein optisches Analysesystem bereitzustellen. Die Figur 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Haltestruktur 1 eine auf das Smartphone 3 aufsteckbare Haltestruktur ist, die vergleichsweise klein gegenüber den Abmessungen des Smartphones 3 ist und somit das Smartphone 3 nicht vollständig überdeckt. Wie erkennbar ist, kann das Sensormodul 2 in den Einsteckschacht der Haltestruktur 1 eingesteckt werden. Das Smartphone 3, das hier mit seiner Vorderseite mit dem Display 32 nach oben weisend dargestellt ist, kann in dieser Lage auf die Haltestruktur 1 gesteckt werden.
Unten in der Figur 2 ist der zusammengesteckte Zustand der erwähnten Elemente dargestellt, in dem die Haltestruktur 1 , das optische Sensormodul 2 und das Smart- phone 3 ein optisches Analysesystem bilden.
Die Figur 3 zeigt die Ausführung einer Haltestruktur 1 in Form eine Smartphone- Schutzhülle. Die Smartphone-Schutzhülle weist einen inneren Auflagebereich 18 auf, der durch gegenüber dem Auflagebereich 18 abragende Seitenwände 17 vollständig umrandet ist. Die Seitenwände 17 bilden in dieser Ausführungsform die mechanischen Fixierelemente, mit denen das Smartphone 3 an der Haltestruktur in einer fest vorgegebenen Ausrichtung befestigbar ist. Unten in der Figur 3 ist wiederum der zusammengesteckte Zustand der erwähnten Elemente dargestellt, in dem die Haltestruktur 1 , das optische Sensormodul 2 und das Smartphone 3 ein optisches Analysesystem bilden.
Wie in den Figuren 2 und 3 erkennbar ist, ist in diesem Fall kein erster Lichtleitpfad 13 vorhanden. Dies wird dadurch möglich, dass die Positionierung des Einsteckschachts 10 sowie des darin angeordneten Sensormoduls 2 derart gewählt ist, dass die erste optische Auskopplungsschnittstelle 21 des Sensormoduls 2 schon im ersten Bereich 14 angeordnet ist, in dem die Kamera 30 sich befindet, wenn das Smartphone 3 angesteckt ist. In diesem Fall kann die erste optische Einkopplungsschnitt- stelle 1 1 einfach durch eine im ersten Bereich 14 vorhandene Aussparung gebildet sein. In diesem Fall kann beispielsweise die erste optische Auskopplungsschnittstelle 21 derart ausgebildet sein, dass ein den dritten Lichtleitpfad 23 bildender Lichtwellenleiter im Winkel von 45 Grad angeschrägt ist, sodass von dem Lichtwellenleiter 23 an der ersten optischen Auskopplungsschnittstelle 21 abgestrahltes Licht etwa recht- winklig zur Oberfläche des Sensormoduls 2 abgestrahlt wird, d.h. etwa rechtwinklig zur Unterseite des Smartphones 3, an der sich die Kamera 30 befindet. Die zweite optische Einkopplungsschnittstelle 22 kann in gleicher weise wie die erste optische Auskopplungsschnittstelle 21 ausgebildet sein. Die Haltestruktur 1 kann beispielsweise mit Hilfe von Spritzgussverfahren, Silikonab- formung oder 3D-Druckverfahren hergestellt werden. Die in der Haltestruktur 1 vorhandenen optischen Komponenten können beispielsweise einzeln in die Haltestruktur 1 bestückt werden oder gedruckt werden oder in Form eines Planar-optischen Systems integriert werden.

Claims

Patentansprüche
Haltestruktur (1 ), die zum Zusammenwirken mit einem optischen Sensormodul (2) und einem an der Haltestruktur (1 ) befestigten Smartphone (3) eingerichtet ist, um ein optisches Analysesystem zu bilden, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) die Haltestruktur (1 ) weist einen Einsteckschacht (10) zum Einstecken des optischen Sensormoduls (2) in die Haltestruktur (1 ) auf,
b) die Haltestruktur (1 ) weist an das zu verwendende Smartphone (3) ange- passte mechanische Fixierelemente (17) auf, mit denen das Smartphone (3) an der Haltestruktur (1 ) in einer durch die mechanischen Fixierelemente (17) fest vorgegebenen Ausrichtung hinsichtlich einer Lichtquelle (31 , 32) und einer Kamera (30) des Smartphones (1 ) befestigbar ist,
c) die Haltestruktur (1 ) weist wenigstens eine optische Adaptereinrichtung (13, 15) auf, durch die wenigstens eine optische Schnittstelle (21 , 22) des in den Einsteckschacht (10) eingesteckten optischen Sensormoduls (2) an die spezifische Anordnung der Lichtquelle (31 , 32) und/oder der Kamera (30) des der Haltestruktur (1 ) zugeordneten Smartphones (3) adaptiert ist.
Haltestruktur nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltestruktur (1 ) eine erste optische Einkopplungsschnittstelle (1 1 ) zur Einkopplung von Licht von einer ersten optischen Auskopplungsschnittstelle (21 ) des optischen Sensormoduls (2) in die Haltestruktur (1 ) und/oder eine zweite optische Auskopplungsschnittstelle (12) zur Auskopplung von Licht von der Haltestruktur (1 ) in eine zweite optische Einkopplungsschnittstelle (22) des optischen Sensormoduls
(2) aufweist.
Haltestruktur nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Einkopplungsschnittstelle (1 1 ) über wenigstens einen ersten Lichtleitpfad (13) der Haltestruktur (1 ) mit einem in der Haltestruktur (1 ) für die Anordnung der Kamera (30) des Smartphones (3) vorgesehenen ersten Bereich (14) optisch verbunden ist und/oder die zweite optische Auskopplungsschnittstelle (12) über wenigstens eine zweiten Lichtleitpfad (15) der Haltestruktur (1 ) mit einem für die Anordnung der Lichtquelle (31 , 32) des Smartphones
(3) vorgesehenen zweiten Bereich (16) der Haltestruktur (1 ), verbunden ist.
4. Haltestruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltestruktur (1 ) mehrere erste optische Einkopplungs- schnittstellen (1 1 ) aufweist.
Haltestruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsteckschacht (10) als schlitzförmiger Schacht ausgebildet ist.
Haltestruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der optischen Adaptereinrichtung (13, 15) manuell verschiebbar an der Haltestruktur (1 ) angeordnet ist.
Haltestruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltestruktur (1 ) einen oder mehrere optische Wellenleiter, optische Taperstrukturen, optische Reflexionselemente, optische Linsen, optische Beugungsgitter und/oder optische Filter im Bereich der optischen Adaptereinrichtung (13, 15), der ersten optischen Einkopplungsschnittstelle (1 1 ), des ersten Lichtleitpfads (13), des ersten Bereichs (14), der zweiten optischen Auskopplungsschnittstelle (12), des zweiten Lichtleitpfads (15) und/oder des zweiten Bereichs (16) aufweist.
Optisches Sensormodul (2), eingerichtet zum Einstecken in einen Einsteckschacht (10) einer Haltestruktur (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Sensormodul (2) wenigstens einen sich von der zweiten optischen Einkopplungsschnittstelle (22) des optischen Sensormoduls (2) zu der ersten optischen Auskopplungsschnittstelle (21 ) des optischen Sensormoduls (2) erstreckenden dritten Lichtleitpfad (23) aufweist, wobei in dem dritten Lichtleitpfad (23) wenigstens ein Sensorelement (20) angeordnet, das zur Modifikation des durch den dritten Lichtleitpfad (23) geleiteten Lichts abhängig von einer von außen auf das Sensornnodul (2) einwirkenden Einflussgröße eingerichtet ist.
Optisches Sensornnodul nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Sensormodul (2) als flachbauende planare Struktur ausgebildet ist, in die der dritte Lichtleitpfad (23) integriert ist.
Optisches Sensormodul nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Sensormodul (2) einheitlich für die Verwendung an einer Vielzahl von unterschiedlichen Typen von Smartphones (3) ausgebildet ist.
Optisches Sensormodul nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Lichtleitpfad (23) wenigstens einen optischen Splitter aufweist, durch den über die zweite optische Einkopplungsschnittstelle (22) in das Sensormodul (2) eingekoppeltes Licht in mehrere parallele Lichtpfade aufteilbar ist, wobei in unterschiedlichen Lichtpfaden jeweilige Sensorelemente (23) in dem Sensormodul (2) angeordnet sind.
Optisches Sensormodul nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (2) wenigstens eine Mikrofluidik-Komponente (24) aufweist.
Set aus einer Haltestruktur (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und einem optischen Sensormodul (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das optische Sensormodul (2) in den Einsteckschacht (10) der Haltestruktur (1 ) einsteckbar ist, wobei die Haltestruktur (1 ) mit darin eingestecktem optischen Sensormodul (2) in Zusammenwirken mit einem an der Haltestruktur (1 ) befestigten Smartphone (3) ein optisches Analysesystem bildet.
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