WO2007115628A1 - Spektrometrisches messsystem und verfahren zur kompensation von falschlicht - Google Patents

Spektrometrisches messsystem und verfahren zur kompensation von falschlicht Download PDF

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WO2007115628A1
WO2007115628A1 PCT/EP2007/002128 EP2007002128W WO2007115628A1 WO 2007115628 A1 WO2007115628 A1 WO 2007115628A1 EP 2007002128 W EP2007002128 W EP 2007002128W WO 2007115628 A1 WO2007115628 A1 WO 2007115628A1
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detector
dispersion
control unit
measuring system
detector elements
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PCT/EP2007/002128
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Felix Kerstan
Nico Correns
Jörg MARGRAF
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Carl Zeiss Microimaging Gmbh
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    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0262—Constructional arrangements for removing stray light

Definitions

  • the present invention relates to a measuring system and a method for determining spectrometric measurement results with high accuracy.
  • detectors which are sensitive in the entire spectral range detected by the spectrometer are usually used to detect the light at the output of multichannel spectrometers.
  • the multichannel detectors consist of several line or matrix-shaped detector elements, which can also be referred to as pixels.
  • Each of the pixels is assigned a specific subarea of the entire spectral range whose light output is to be measured. Since the separation of the light into its spectral components never takes place completely, such a broadband detector always captures a certain amount of light from another spectral range, not assigned to the pixel, in the form of so-called false light. This leads to inaccurate measurement results.
  • US Pat. No. 6,181,418 B1 describes a concentric spectrometer which has a special surface called “light trap” for reducing scattered light, this "light trap” being integrated into the design of the imaging optic and designed as a bevelled surface.
  • the "light trap” is a specially designed surface to eliminate or attenuate the stray light generated by the entrance slit. light including light of different diffraction orders is not imaged on the detector.
  • the "light trap” is a beveled surface, with non-reflecting, absorbing or dissipating properties.
  • the bevelled surface of the imaging optics is roughened and additionally coated with an optically absorbing material Surface is formed according to the inner surface of the housing of the concentric spectrometer, wherein for the selection of the material whose mechanical properties, such as elasticity, strength and heat resistance are crucial.
  • US Pat. No. 6,700,664 B1 describes a device with which light beams are selectively split by linearly variable filters (LVF) and directed to a photodetector row in order to be able to determine the spectral properties of the transmitted light.
  • Linear variable filters (LVF) are formed by optical thin film layers on a substrate, whereby the thickness of the individual layers can vary.
  • the LVF can be designed either as a gradient bandpass filter or as a "high / low-cut” filter, and the width of the selectively split light beams can be matched to the detector to approximately match the pixel width that the LVF can not be applied to the surface of the detector array, since this is difficult to realize because of the sensitive surface and the wiring of the detector array.
  • the different LVF elements are therefore placed on a carrier disk, which is located at a distance of a few millimeters from
  • micro-lenses are used which focus the optical light beams on the pixels of the detector row.
  • the device becomes more complex and expensive in its construction - on the other hand, the micro-lenses can in turn add extra Cause light scattering.
  • MMS Metal Multilithic Miniature Spectrometer
  • the present invention has for its object to develop a spectrometric measuring system and a method with which the measurement results can be compensated in terms of stray light, without requiring an increased equipment expense is required.
  • the object is achieved according to the invention in that a detector with pixels arranged in a linear or matrix form and a regular distribution of different wavelength-selective filters (color filters) on the pixels is used to detect the light at the spetrometer output.
  • the detector may be a known from photo and video applications color camera, which are very inexpensive because of the very high numbers in which they are made, u. This may be cheaper than corresponding black and white cameras, which are only manufactured for special applications.
  • the application of the invention is not limited to the visible spectral range. If necessary, in the final step of color camera production, the color filters on the pixels may be partially omitted or modified to optimize them for the required spectral range. However, it is also possible to use other types of detectors in which the wavelength-selective filters and the associated detectors are arranged in several levels one behind the other, as in the so-called X3 image converter of the American company Foveon, Inc. In contrast to conventional image converters each color pixel is the full color information available here.
  • FIG. 1 shows a color camera sensor with a regular distribution of four different wavelength-selective filters
  • FIG. 2 a spectrometric arrangement with three entrance slits aligned parallel to the grid lines
  • Figure 3 a spectrometric arrangement with three parallel to the grid lines, but offset to each other aligned entrance columns and
  • FIG. 4 shows a representation of the relative sensitivity of the color filters k as a function of the (useful) wavelength ⁇ j assigned to the pixel i.
  • the spectrometric measuring system according to the invention with compensation for stray light consists of at least one radiation source, at least one entrance slit, a dispersion element and a detector, with linear or matrix-shaped detector elements arranged in one or more planes.
  • the detector has a regular distribution, at least two different, wavelength-selective filters on its detector elements.
  • Figure 1 shows a color camera sensor with a regular distribution of four different wavelength-selective filters, which are arranged in a square scheme. For example, the detector uses the colors cyan (Cy), yellow (Ye), green (Gn), and magenta (Mg).
  • the detector is followed by a control unit (not shown) for determining, evaluating or storing the signal values of the differently colored detector elements.
  • a diffraction grating or a dispersion prism is provided in a known manner, wherein the entry column or are aligned parallel to the grating lines or the roof edge of the dispersion prism, so that the partial spectra imaged on the detector have the same wavelength assignment (see Figure 2).
  • the entrance column (s) are offset relative to a parallel to the grating lines or to the roof edge of the dispersion prism so that the partial spectra of each entrance slit imaged on the detector can detect different partial areas of an entire spectral range (see FIG. 3).
  • the control unit downstream of the detector is able to determine spectral intensity values Ii of the detector elements present with the same color filters transversely to the dispersion direction as weighted sums, optionally with or without compensation of the crosstalk.
  • the light from at least one radiation source is imaged via at least one entrance slit and a dispersion element onto a detector with detector elements arranged linearly or matrix-like in one or more planes, using a detector which has a regular distribution of different wavelength-selective filters on the detector elements.
  • a dispersing element a diffraction grating or a dispersion prism is preferably used.
  • the detector has a regularly distributed arrangement of at least two wavelength-selective filters and corresponds, for example, to the color camera sensor known from photo and video applications.
  • FIGS. 2 and 3 each show a variant of a spectrometer arrangement with an imaging grating.
  • a control unit downstream of the detector assumes the determination, evaluation or storage of the signal values of the differently colored detector elements.
  • the entrance column (s) is aligned parallel to the grid lines or to the roof edge of the dispersion prism.
  • each of the partial spectra 4, 4 'and 4 has the same wavelength scale:
  • the partial spectra are assigned to the individual radiation sources. With the same radiation source, the partial spectra can be added up for noise reduction.
  • the entrance gaps are offset relative to a parallel to the grid lines or to the roof edge of the dispersion prism.
  • FIG. 3 shows a spectrometric arrangement with three entrance slits aligned parallel to the grid lines, with the result that the light 2 coming from the three entrance slits 1, 1 'and 1 "passes over the dispersive slit.
  • the control unit (not shown) separates the partial spectra 4, 4' and 4" depicted on the detector 5 and summarized to a spectrum covering the entire wavelength range.
  • a prism perpendicular to the diffraction grating in its dispersion direction may be used. Since the diffraction grating is dimensioned so that several diffraction orders of the spectral range to be imaged hit the detector, the additional prism, according to the solution described in DE 1 909 841 C2, serves to separate the diffraction orders.
  • the control unit determines the net signal values S 1 of each detector element as the difference between the light and dark signals, and the sum of the spectral intensity values I i; determined for detector elements with the same color filter transversely to the dispersion direction.
  • the determination of the net signal values Sy occurs under otherwise identical conditions for each pixel of the detector, where i characterizes the column number and j the line number.
  • the control unit uses the spectral intensity values Ij of the detector elements present with the same color filter transversely to the direction of dispersion as a weighted sum n
  • Sj 1Ic corresponds to the net signal value of the color filter k in column i, k of the number of the color filter and n to the number of color filters.
  • control unit determines the spectral intensity values Ij of the detector elements present with the same color filter transversely to the direction of dispersion as a weighted sum without compensation of crosstalk, by the following weighting factors
  • FIG. 4 shows a representation of the relative sensitivity of the color filters k as a function of the (useful) wavelength ⁇ j assigned to the pixel i.
  • the signal with the lowest sensitivity at the useful wavelength ⁇ , - is suitable for compensation of crosstalk.
  • the corresponding weight factor must then become negative.
  • the height of the negative compensation value must be optimized for different spectrometry specimens and the application using different scattered light sensitive specimens.
  • the spectrometer be optimized for maximum signal-to-noise ratio or minimal mutual crosstalk.
  • each entrance slit creates a spectral trace on the detector.
  • the calculation of the spectral intensity values is carried out as described, separated for each track.
  • the summation in the column direction is then limited to the area of each track.
  • the summation limits can be adjusted if the grid lines are not perfectly aligned with the detector or if wavelength-dependent stigmatism depends on the column number i. This makes the result less sensitive to manufacturing tolerances and aberrations.

Abstract

Die vorliegende Lösung betrifft ein Messsystem und ein Verfahren zur Bestimmung spektrometrischer Messergebnisse mit hoher Genauigkeit. Das erfindungsgemäße spektrometrische Messsystem mit Kompensation von Falschlicht besteht aus mindestens einer Strahlungsquelle, mindestens einem Eintrittsspalt, einem Dispersionselement und einem Detektor, mit linear oder matrixförmig, in einer oder mehreren Ebenen angeordneten Detektorelementen. Der Detektor weist dabei auf seinen Detektorelementen eine regelmäßige Verteilung, mindestens zweier unterschiedlicher, wellenlängenselektiver Filter auf. Obwohl hierbei Detektoren aus Foto- und Videoanwendungen Verwendung finden, ist die Anwendung der Erfindung nicht auf den sichtbaren Spektralbereich begrenzt. Falls erforderlich können im letzten Schritt der Fertigung der Farbkamera die Farbfilter auf den Pixeln zum Teil weggelassen oder modifiziert werden. Es ist aber auch möglich andere Typen von Detektoren zu verwenden, bei denen die wellenlängenselektiven Filter und die zugeordneten Detektoren in mehreren Ebenen hintereinander angeordnet sind, bei denen jedem einzelnen Bildpunkt die vollen Farbinformationen zur Verfügung stehen.

Description

Spektrometrisches Messsystem und Verfahren zur Kompensation von Falschlicht
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem und ein Verfahren zur Bestimmung spektrometrischer Messergebnisse mit hoher Genauigkeit.
Nach dem bekannten Stand der Technik werden zur Detektion des Lichtes am Ausgang von mehrkanaligen Spektrometern üblicherweise Detektoren verwendet, die im gesamten vom Spektrometer erfassten Spektralbereich empfindlich sind. Die mehrkanaligen Detektoren bestehen aus mehreren Zeilen- oder mat- rixförmig angeordneten Detektorelementen, die auch als Pixel bezeichnet werden können.
Jedem der Pixel ist dabei ein bestimmter Teilbereich des gesamten Spektralbereiches zugeordnet, deren Lichtleistung gemessen werden soll. Da die Auftrennung des Lichtes in seine Spektralanteile nie vollständig erfolgt, wird durch solch einen breitbandigen Detektor immer ein gewisser Anteil Licht aus einem anderen, nicht zum Pixel zugeordneten Spektralbereich, in Form von sogenanntem Falschlicht erfasst. Dies führt zu ungenauen Messergebnissen.
Bei Gitterspektrometem kann auch Licht aus anderen Beugungsordnungen als Falschlicht erfasst werden. Zur Minimierung des Anteils von Falschlichts bzw. des gegenseitigen Übersprechens von Spektralkanälen sind verschiedene Maßnahmen bekannt:
So wird in der US 6,181 ,418 B1 ein konzentrisches Spektrometer beschrieben, welches zur Verminderung von Streulicht über eine spezielle, als „Lichtfalle" bezeichnete Fläche verfügt. Diese „Lichtfalle" ist dabei in das Design der abbildenden Optik integriert und als abgeschrägte Fläche ausgebildet. Die „Lichtfalle" ist eine speziell entworfene Fläche, um das vom Eintrittsspalt erzeugte Streulicht zu beseitigen oder abzuschwächen. Sie soll verhindern, dass Streu- licht einschließlich Licht verschiedener Beugungsordnungen nicht auf den Detektor abgebildet wird. Die „Lichtfalle" ist dabei eine abgeschrägte Fläche, mit nichtspiegelnden, absorbierenden bzw. zerstreuenden Eigenschaften. Um einen möglichst großen Anteil von Streulicht zu beseitigen, ist die abgeschrägte Fläche der abbildenden Optik aufgerauht und zusätzlich mit einem optisch absorbierenden Material beschichtet. Zusätzlich zu dieser abgeschrägten Fläche ist die Innenfläche des Gehäuses des konzentrischen Spektrometers entsprechend ausgebildet, wobei für die Auswahl des Materials deren mechanische Eigenschaften, wie Elastizität, Festigkeit und Wärmebeständigkeit ausschlaggebend sind.
In der US 6,700,664 B1 wird eine Vorrichtung beschrieben, mit der Lichtstrahlen durch linear variable Filter (LVF) selektiv aufgespalten und auf eine Photodetektorreihe geleitet werde, um die spektralen Eigenschaften des übertragenen Lichtes bestimmen zu können. Linear variable Filter (LVF) werden durch optische Dünnfilmschichten auf einem Substrat gebildet, wobei die Stärke der einzelnen Schichten schwanken können. Das LVF kann entweder als Verlaufs- Bandpassfilter oder „high/low-cut"-Filter entworfen werden. Die Breite der selektiv aufgespaltenen Lichtstrahlen kann dabei an den Detektor angepasst werden, so dass diese ungefähr der Pixelbreite entsprechen. Nachteilig wirkt sich bei dieser Lösung aus, dass das LVF nicht auf die Oberfläche der Detektorreihe aufgebracht werden kann, da dies wegen der empfindlichen Oberfläche und das Verdrahten der Detektorreihe schwer zu realisieren ist. Die unterschiedlichen LVF-Element werden deshalb auf eine Trägerscheibe gesetzt, die in einem Abstand von einigen Millimetern von der Detektorreihe angeordnet wird. Um dabei den Einfluss von Störlicht zu reduzieren werden Mikroobjektive eingesetzt, die die optischen Lichtstrahlen auf die Pixel der Detektorreihe fokussie- ren. Zum einen wird die Vorrichtung dadurch in ihrem Aufbau komplizierter und teurer - zum anderen können die Mikroobjektive wiederum zusätzliche Lichtstreuung verursachen. Im Gegensatz dazu sind bei dem „Monolithic Miniature - Spectrometer" der Carl Zθiss Jena GmbH (mit der Typenbezeichnung MMS) Ordnungsfilter unmittelbar auf den Detektorelementen angeordnet.
Bei allen genannten Lösungen besteht das Problem darin, dass immer nur eine Minimierung des Falschlichts und keine unabhängige Erfassung und/oder Kompensation möglich ist. Weitere Nachteile der oben genannten Lösungen sind ein erhöhter Hardwareaufwand, durch zusätzliche Bauteile im Spektrometer oder zusätzliche optische Schichten auf dem Detektor.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein spektrometrisches Messsystem und ein Verfahren zu entwickeln, mit dem die Messergebnisse hinsichtlich Falschlicht kompensiert werden können, ohne dass dafür ein erhöhter gerätetechnischer Aufwand erforderlich ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Detektion des Lichtes am Spetrometerausgang ein Detektor mit linear oder matrixförmig angeordneten Pixeln und einer regelmäßigen Verteilung unterschiedlicher wellenlängenselektiver Filter (Farbfilter) auf den Pixeln verwendet wird. Der Detektor kann eine aus Foto- und Videoanwendungen bekannte Farbkamera sein, die wegen der sehr hohen Stückzahlen, in denen sie gefertigt werden, sehr preiswert sind, u. U. preiswerter als entsprechende Schwarz-Weiß- Kameras, die nur noch für Spezialanwendungen gefertigt werden.
Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf den sichtbaren Spektralbereich begrenzt. Falls erforderlich können im letzten Schritt der Fertigung der Farbkamera die Farbfilter auf den Pixeln zum Teil weggelassen oder modifiziert werden, um sie für den erforderlichen Spektralbereich zu optimieren. Es ist aber auch möglich andere Typen von Detektoren zu verwenden, bei denen die wellenlängenselektiven Filter und die zugeordneten Detektoren in mehreren Ebenen hintereinander angeordnet sind, wie beispielsweise bei dem sogenannten X3-Bildwandler der amerikanischen Firma Foveon, Inc.. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bildwandlern steht hierbei jedem einzelnen Bildpunkt die vollen Farbinformationen zur Verfügung stehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dazu zeigen
Figur 1 : einen Farbkamera-Sensor mit einer regelmäßigen Verteilung vier unterschiedlicher wellenlängenselektiver Filter,
Figur 2: eine spektrometrische Anordnung mit drei parallel zu den Gitterstrichen ausgerichteten Eintrittspalten,
Figur 3: eine spektrometrische Anordnung mit drei parallel zu den Gitterstrichen, jedoch zueinander versetzt ausgerichteten Eintrittspalten und
Figur 4: eine Darstellung der relativen Empfindlichkeit der Farbfilter k als Funktion der dem Pixel i zugeordneten (Nutz-) Wellenlänge λj.
Das erfindungsgemäße spektrometrische Messsystem mit Kompensation von Falschlicht besteht aus mindestens einer Strahlungsquelle, mindestens einem Eintrittsspalt, einem Dispersionselement und einem Detektor, mit linear oder matrixförmig, in einer oder mehreren Ebenen angeordneten Detektorelementen. Der Detektor weist dabei auf seinen Detektorelementen eine regelmäßige Verteilung, mindestens zweier unterschiedlicher, wellenlängenselektiver Filter auf. Als Detektor können insbesondere aus Foto- und Videoanwendungen bekannte Farbkamera-Sensoren verwendet werden. Figur 1 zeigt dazu einen Farbkamera-Sensor mit einer regelmäßigen Verteilung von vier unterschiedlichen wellenlängenselektiven Filtern, die in einem quadratischen Schema angeordnet sind. Dabei verwendet der Detektor beispielsweise die Farben: Zyan (Cy), Gelb (Ye), Grün (Gn) und Magenta (Mg). Dem Detektor ist zur Ermittlung, Auswertung oder Speicherung der Signalwerte der verschiedenfarbigen Detektorelemente eine (nicht dargestellte) Steuereinheit nachgeordnet.
Als Dispersionselement ist hierbei, in bekannter Weise ein Beugungsgitter oder ein Dispersionsprisma vorgesehen, wobei der oder die Eintrittspalte parallel zu den Gitterstrichen bzw. zur Dachkante des Dispersionsprismas ausgerichtet sind, damit die auf den Detektor abgebildeten Teilspektren die gleiche Wellenlängenzuordnung besitzen (siehe Figur 2).
In einer anderen Ausgestaltungsvariante sind der oder die Eintrittspalte gegenüber einer Parallelen zu den Gitterstrichen bzw. zur Dachkante des Dispersionsprismas versetzt ausgerichtet, damit die auf den Detektor abgebildeten Teilspektren jedes Eintrittsspaltes unterschiedliche Teilbereiche eines gesamten Spektralbereiches erfassen können (siehe Figur 3).
Die dem Detektor nachgeordnete Steuereinheit ist in der Lage, spektrale Intensitätswerte Ii der mit gleichen Farbfiltern quer zur Dispersionsrichtung vorhandenen Detektorelemente als gewichtete Summen wahlweise mit oder ohne Kompensation des Übersprechens zu bestimmen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kompensation von Falschlicht in einem spektrometrischen Messsystem wird das Licht aus mindestens einer Strahlungsquelle über mindestens einem Eintrittsspalt und ein Dispersionselement auf einen Detektor, mit linear oder matrixförmig in einer oder mehreren Ebenen angeordneten Detektorelementen abgebildet, wobei ein Detektor verwendet wird, der eine regelmäßige Verteilung unterschiedlicher wellenlängenselektiver Filter auf den Detektorelementen aufweist. Als Dispersionselement wird vorzugsweise ein Beugungsgitter oder ein Dispersionsprisma verwendet. Der Detektor verfügt über eine regelmäßig verteilte Anordnung mindestens zweier, wellenlängenselektiver Filter und entspricht beispielsweise den aus Foto- und Videoanwendungen bekannten Farbkamera- Sensor. Die Figuren 2 und 3 zeigen jeweils eine Variante einer Spektromete- ranordnung mit abbildendem Gitter.
Eine dem Detektor nachgeordnete Steuereinheit übernimmt die Ermittlung, Auswertung oder Speicherung der Signalwerte der verschiedenfarbigen Detektorelemente.
In einer ersten Ausgestaltungsvariante wird der oder die Eintrittspalte parallel zu den Gitterstrichen bzw. zur Dachkante des Dispersionsprismas ausgerichtet.
Hierzu zeigt Figur 2 eine spektrometrische Anordnung, bei der drei Eintrittspalte parallel zur Gitterstruktur des Dispersionselementes ausgerichtet sind, so dass das von den drei Eintrittsspalten 1, 1' und 1" kommende Licht 2 über das Beugungsgitter 3 in Form von drei Teilspektren 4, 4' und 4" auf den Detektor 5 abgebildet wird. Jedes der Teilspektren 4, 4' und 4" besitzt die gleiche Wellenlängenskala. Bei Verwendung unterschiedlicher Strahlungsquellen für die Eintrittsspalte 1 , 1 ' und 1" werden die Teilspektren den einzelnen Strahlungsquellen zugeordnet. Bei gleicher Strahlungsquelle können die Teilspektren zur Rauschminderung aufaddiert werden.
In einer zweiten Ausgestaltungsvariante sind die Eintrittspalte gegenüber einer Parallelen zu den Gitterstrichen bzw. zur Dachkante des Dispersionsprismas versetzt ausgerichtet.
Hierzu zeigt Figur 3 eine spektrometrische Anordnung mit drei parallel zu den Gitterstrichen, zueinander versetzt ausgerichteten Eintrittspalten, so dass das von den drei Eintrittsspalten 1 , 1 ' und 1" kommende Licht 2 über das Dispersi- onselement 3 in Form von drei Teilspektren mit unterschiedlichen Teilbereichen 4, 4' und 4" eines gesamten Wellenlängenbereiches auf den Detektor 5 abgebildet wird. Von der (nicht dargestellten) Steuereinheit werden die auf den Detektor 5 abgebildeten Teilspektren 4, 4' und 4" getrennt erfasst und zu einem den gesamten Wellenlängenbereich umfassenden Spektrum zusammenge- fasst.
Zusätzlich zum Beugungsgitter kann ein in seiner Dispersionsrichtung senkrecht zum Beugungsgitter stehendes Prisma verwendet werden. Da das Beugungsgitter so dimensioniert ist, dass mehrere Beugungsordnungen des abzubildenden Spektralbereiches den Detektor treffen, dient das zusätzliche Prisma, gemäß der in der DE 1 909 841 C2 beschriebenen Lösung dazu, die Beugungsordnungen zu trennen.
Zur Signalverarbeitung werden von der Steuereinheit die Nettosignalwerte S^ jedes Detektorelementes als Differenz von Hell- und Dunkelsignal ermittelt und die Summe der spektralen Intensitätswerte I; für Detektorelemente mit gleichem Farbfilter quer zur Dispersionsrichtung bestimmt. Die Bestimmung der Nettosignalwerte Sy erfolgt unter sonst gleichen Bedingungen für jedes Pixel des Detektors, wobei i die Spaltennummer und j die Zeilennummer charakterisiert. Durch die Bestimmung der Nettosignalwerte
Figure imgf000008_0001
sowohl der Dunkelstrom als auch das elektronische Nullsignal eliminiert.
Da die einzelnen, abgebildeten Spektren in Dispersionsrichtung (waagerecht, Index i) unterschiedliche Farbfilter (k = Farbfilternummer) besitzen, werden zunächst die Nettosignalwerte Sy mit gleichem Schwerpunkt in Dispersionsrichtung und gleichem Farbfilter (Farbfilternummer k) quer zur Dispersionsrichtung summiert. Dann erfolgt eine gewichtete Summation derart, dass gleichem Wellenlängenindex und gleichem Farbindex gleich gewichtete Signale zugeordnet werden. Für einen Detektor gemäß Figur 1 , mit einer regelmäßigen Verteilung vier unterschiedlicher wellenlängenselektiver Filter (Zyan-Cy, GeIb-Ye, Grün-Gn und Magenta-Mg), die in einem quadratischen Schema angeordnet sind, erfolgt die Bestimmung der dieser gewichteten Nettosignalwerte Sj,k wie folgt:
Cy (k=1): SiΛ = 3 - (siΛ + SU3 )+ {si+2Λ + Si+2t3 )
Si+l,l = {Si,l + ^3 )+ 3 ' ta+2,1 + Si+2,3 )
Ye (k=2): Si>2 = (sMil + S ._1 3 ) + 3 • (sMΛ + S1+1 3 )
SM.2 = 3 • fo+l,l + SM,3 )+ (S MΛ + S i+3,3 )
Gn (k=3): ^1-, 3 = 4 • (^2 + 5,+1 4 ) ^+1 3 = 4 • (si+ι>4 + Si+2 2 )
Mg (k=4): $,4 = 4 '
Figure imgf000009_0001
+ Si+2,A )
Beispielhaft sind hierbei die Formeln für die Summation von insgesamt 4 Zeilen dargestellt. Für Detektoren mit einer größeren Anzahl von Spalten und Zeilen sind die Formeln entsprechend zu ergänzen. Durch diesen Verfahrensschritt verdoppelt sich die Anzahl der Nettosignalwerte S^kje Farbe in Dispersionsrichtung.
Bei der Detektorvariante mit wellenlängenselektiven Pixeln in je einer Ebene (Index k) werden nur die Nettosignalwerte jeder Spalte aufsummiert.
Anschließend werden von der Steuereinheit die spektralen Intensitätswerte Ij der mit gleichem Farbfilter quer zur Dispersionsrichtung vorhandenen Detektorelemente als gewichtete Summe n
Figure imgf000010_0001
k=l
bestimmt, wobei
Ii dem spektralen Intensitätswert in der Spalte i,
Gj1Ic dem Gewichtsfaktor des Farbfilters k in der Spalte i,
Sj1Ic dem Nettosignalwert des Farbfilters k in der Spalte i, k der Nummer des Farbfilters und n der Anzahl der Farbfilter entspricht.
In einer weiteren Ausgestaltung werden von der Steuereinheit die spektralen Intensitätswerte Ij der mit gleichem Farbfilter quer zur Dispersionsrichtung vorhandenen Detektorelemente als gewichtete Summe ohne Kompensation des Übersprechens bestimmt, indem folgende Gewichtsfaktoren
Figure imgf000010_0002
berücksichtigt werden, wobei
Rk(λj) der relativen spektralen Empfindlichkeit des Farbfilters k, λ; der Nutzwellenlänge, i der Spaltennummer des Detektors, k der Nummer des Farbfilters und n der Anzahl der Farbfilter entspricht.
Dazu zeigt Figur 4 eine Darstellung der relativen Empfindlichkeit der Farbfilter k als Funktion der dem Pixel i zugeordneten (Nutz)- Wellenlänge λj. Das Signal mit der geringsten Empfindlichkeit bei der Nutzwellenlänge λ,- eignet sich zur Kompensation des Übersprechens. Der entsprechende Gewichtsfaktor muss dann negativ werden. Die Höhe des negativen Kompensationswertes muss anhand verschiedener streulichtempfindlicher Proben für das gegebene Spektrometer und den Anwendungsfall optimiert werden.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung zur Kompensation von Falschlicht in einem spektrometrischen Messsystem zur Verfügung gestellt, mit der je nach Anwendung ohne Änderung des gerätetechnischen Aufbaus, nur durch Änderung der Gewichtsfaktoren G das Spektrometer auf maximales Signal-Rausch-Verhältnis oder minimales gegenseitiges Übersprechen optimiert werden.
Durch die Verwendung mehrerer Eintrittspalte können entweder die Spektren mehrerer Lichtquellen oder mehrere Teilabschnitte des Spektrums einer Lichtquelle auf den Detektor abgebildet werden. In beiden Fällen erzeugt jeder Eintrittsspalt eine Spektrenspur auf dem Detektor. Die Berechnung der spektralen Intensitätswerte erfolgt wie beschrieben, für jede Spur getrennt. Die Summation in Spaltenrichtung ist dann auf den Bereich jeder Spur begrenzt. Die Summati- onsgrenzen können bei nicht perfekter Ausrichtung der Gitterlinien zum Detektor oder bei wellenlängenabhängigem Stigmatismus in Abhängigkeit von der Spaltennummer i angepasst werden. Damit wird das Ergebnis unempfindlicher gegen Fertigungstoleranzen und Abbildungsfehler.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der aus Foto- und Videoanwendungen bekannten Farbkamera-Detektoren, die wegen der sehr hohen Stückzahlen, in denen sie gefertigt werden, sehr preiswert sind, und unter Umständen preiswerter als Detektoren entsprechender Schwarz-Weiß- Kameras, die nur noch für Spezialanwendungen gefertigt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Spektrometrisches Messsystem zur Kompensation von Falschlicht, bestehend aus mindestens einer Strahlungsquelle, mindestens einem Eintrittsspalt, einem Dispersionselement und einem Detektor, mit linear oder mat- rixförmig angeordneten Detektorelementen, wobei der Detektor eine regelmäßige Verteilung unterschiedlicher wellenlängenselektiver Filter auf dessen Detektorelementen aufweist.
2. Spektrometrisches Messsystem nach Anspruch 1 , bei dem der Detektor über eine regelmäßig verteilte Anordnung mindestens zweier wellenlängenselektiver Filter verfügt.
3. Spektrometrisches Messsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem als Detektor ein aus Foto- und Videoanwendungen bekannter Farbkamera-Sensor verwendet wird.
4. Spektrometrisches Messsystem nach Anspruch 3, bei dem das Dispersionselement ein abbildendes holographisches Gitter oder ein Dispersionsprisma ist.
5. Spektrometrisches Messsystem nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem sowohl ein abbildendes holographisches Gitter als auch ein Dispersionsprisma verwendet wird.
6. Spektrometrisches Messsystem nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem dem Detektor eine Steuereinheit zur Ermittlung, Auswertung oder Speicherung der Signalwerte der verschiedenfarbigen Detektorelemente nachgeordnet ist.
7. Spektrometrisches Messsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der oder die Eintrittspalte senkrecht zur Gitterstruktur oder Dachkante des Dispersionselementes, gegeneinander versetzt, orientiert sind, damit die auf den Detektor abgebildeten Teilspektren von der Steuereinheit zu einem Spektrum zusammengefasst werden können.
8. Spektrometrisches Messsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der oder die Eintrittspalte parallel zur Gitterstruktur oder Dachkante des Dispersionselementes orientiert sind, damit die auf den Detektor abgebildeten Teilspektren jedes Eintrittsspaltes von der Steuereinheit getrennt erfasst und bei Verwendung unterschiedlicher Strahlungsquellen für die Eintrittsspalte den einzelnen Strahlungsquellen zugeordnet werden können.
9. Spektrometrisches Messsystem nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die Steuereinheit in der Lage ist, spektrale Intensitätswerte Ij der mit gleichen Farbfiltern quer zur Dispersionsrichtung vorhandenen Detektorelemente als gewichtete Summen wahlweise mit oder ohne Kompensation des Übersprechens zu bestimmen.
10. Verfahren zur Kompensation von Falschlicht in einem spektrometrischen Messsystem, bei dem das Licht aus mindestens einer Strahlungsquelle ü- ber mindestens einem Eintrittsspalt und ein Dispersionselement auf einen Detektor, mit linear oder matrixförmig angeordneten Detektorelementen, abgebildet wird, wobei ein Detektor verwendet wird, der eine regelmäßige Verteilung unterschiedlicher wellenlängenselektiver Filter auf den Detektorelementen aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem ein Detektor verwendet wird, der eine regelmäßig verteilte Anordnung mindestens zweier, wellenlängenselektiver Filter aufweist.
12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 und 1 1 , bei dem ein Detektor ein aus Foto- und Videoanwendungen bekannter Farbkamera- Sensor verwendet wird.
13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem als Dispersionselement ein abbildendes holographisches Gitter oder ein Dispersionsprisma verwendet wird.
14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem sowohl ein abbildendes holographisches Gitter als auch ein Dispersionsprisma verwendet wird.
15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem von einer, dem Detektor nachgeordneten Steuereinheit die Ermittlung, Auswertung oder Speicherung der Signalwerte der verschiedenfarbigen Detektorelemente realisiert wird.
16. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 15, bei dem der oder die Eintrittspalte senkrecht zur Gitterstruktur oder Dachkante des Dispersionselementes, gegeneinander versetzt, ausgerichtet und die auf den Detektor abgebildeten Teilspektren von der Steuereinheit zu einem Spektrum zusammengefasst werden.
17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 16, bei dem der oder die Eintrittspalte parallel zur Gitterstruktur oder Dachkante des Dispersionselementes ausgerichtet und die auf den Detektor abgebildeten Spektren jedes Eintrittsspaltes von der Steuereinheit getrennt erfasst und bei Verwendung unterschiedlicher Strahlungsquellen für die Eintrittsspalte den einzelnen Strahlungsquellen zugeordnet werden.
18. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 17, bei dem von der Steuereinheit der Nettosignalwert Si(kjedes Detektorelementes als Dif- ferenz von Hell- und Dunkelsignal ermittelt und die Summe der spektralen Intensitätswerte Ij für Detektorelemente mit gleichem Farbfilter quer zur Dispersionsrichtung bestimmt wird.
19. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 18, bei dem von der Steuereinheit die spektralen Intensitätswerte I, der mit gleichem Farbfilter quer zur Dispersionsrichtung vorhandenen Detektorelemente als ge- wichtete Summe n
Ji = Σ Gi,k ' Si,k k=l
bestimmt wird, wobei
Ii dem spektralen Intensitätswert in der Spalte i,
Gi,k dem Gewichtsfaktor des Farbfilters k in der Spalte i,
Si1Ic dem Nettosignalwert des Farbfilters k in der Spalte i, i der Spaltennummer des Detektors, k der Nummer des Farbfilters und n der Anzahl der Farbfilter entspricht.
20. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 19, bei dem von der Steuereinheit die spektralen Intensitätswerte Ij der mit gleichem Farbfilter quer zur Dispersionsrichtung vorhandenen Detektorelemente als ge- wichtete Summe ohne Kompensation des Übersprechens, durch Berücksichtigung der Gewichtsfaktoren
Figure imgf000015_0001
bestimmt wird, wobei
Rk (λj) der relative spektrale Empfindlichkeit des Farbfilters k, λj der Nutzwellenlänge, i der Spaltennummer des Detektors, k der Nummer des Farbfilters und n der Anzahl der Farbfilter entspricht.
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