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Dokumentenidentifikation DE69636403T2 09.08.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000743513
Titel Spektrometrie und optisches Messverfahren und Vorrichtung
Anmelder Kurashiki Boseki K.K., Kurashiki, Okayama, JP;
ARKRAY, Inc., Kyoto, JP
Erfinder Kimura, Eiichi, Neyagawa-shi, Osaka, JP;
Yanai, Naoki, Neyagawa-shi, Osaka, JP;
Shiomi, Motonobu, Neyagawa-shi, Osaka, JP;
Ashibe, Emi, Kyoto-shi, Kyoto, JP;
Yamasaki, Yutaka, Fukuoka 811-02, JP;
Uenoyama, Harumi, Kyoto-shi, Kyoto, JP
Vertreter Patentanwälte von Kreisler, Selting, Werner et col., 50667 Köln
DE-Aktenzeichen 69636403
Vertragsstaaten CH, DE, FR, GB, IT, LI
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 11.05.1996
EP-Aktenzeichen 961075413
EP-Offenlegungsdatum 20.11.1996
EP date of grant 02.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.08.2007
IPC-Hauptklasse G01N 21/31(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G01N 21/25(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung 1. Sachgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Spektrometrie sowie ein optisches Verfahren und eine derartige Vorrichtung zum Messen von Materialwerten eines Messobjekts, wie Komponentenverhältnissen, Konzentration und Dicke, durch Bestrahlen des Objekts mit Licht und Messen des Spektrums des durch das Objekt transmittierten oder von diesem reflektierten Lichts.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Die Spektrometrie ist im allgemeinen ein bekanntes Verfahren zur Durchführung qualitativer und quantitativer Analysen eines Messobjekts hinsichtlich der Dicke, der Komponentenkonzentrationen, des prozentualen Wasseranteils, und dergleichen. Das Verfahren bestrahlt üblicherweise das Messobjekt mit Licht und misst das Spektrum des durch das Objekt transmittierten oder von diesem reflektierten Lichts, um die Menge des von dem Objekt bei einer charakteristischen Wellenlänge absorbierten Lichts zu erkennen.

Bei einer bekannten optischen Messvorrichtung, die derartige Messungen durchführt, tritt eine Drift auf, die durch die Alterung der Lichtquelle und Temperaturänderungen, welche durch Veränderungen der Umgebungstemperatur, die Erwärmung der Vorrichtung selbst und dergleichen bedingt sind, verursacht wird. Infolgedessen fluktuiert die Menge des Referenzlichts. Zur Lösung dieses Problems haben bekannte Verfahren die von der Lichtquelle abgestrahlte Lichtmenge gemessen, um die Menge des Referenzlichts zu korrigieren. Die bekannten Vorrichtungen werden im allgemeinen in die folgenden Konstruktionstypen eingeteilt:

  • (1) Der Bediener entfernt vorübergehend das Messobjekt von dem optischen Messsystem, um eine Referenzmessung durchzuführen.
  • (2) Der Bediener bewegt die Messvorrichtung vorübergehend an einen Ort, an dem das Messobjekt nicht vorhanden ist, um eine Referenzmessung vorzunehmen.
  • (3) Der Lichtweg des optischen Systems in der Vorrichtung ist in zwei Zweige geteilt, und der Bediener führt eine Referenzmessung durch Schalten der Lichtpfade im Zeitmultiplexbetrieb durch.
  • (4) Der Lichtweg des optischen Systems in der Vorrichtung ist in zwei Zweige geteilt, und der Bediener führt eine Referenzmessung unter Verwendung eines von zwei Detektoren durch.

Eine Vorrichtung des Konstruktionstyps (3) ist beispielsweise in dem US-Patent 4 097 743 beschrieben. Diese Vorrichtung soll die Stabilität der Vorrichtung verbessern, indem die Intensität eines von der Quelle kommenden Lichtstrahls, der nicht auf das Messobjekt gerichtet ist, überwacht wird, um die Drift der Vorrichtung zu eliminieren. Da jedoch die genannten Konstruktionen (3) und (4) komplex sind, finden derart aufgebaute Vorrichtungen selten Verwendung in der Industrie.

Eine Vorrichtung nach der genannten Konstruktion (1), bei welcher eine Referenzmessung durch Entfernen des Messobjekts aus dem optischen Messsystem erfolgt, erfordert einen Mechanismus zum Entfernen des Objekts. Folglich wird die periphere Ausrüstung umfangreich, eine kontinuierliche Messung ist unmöglich, und es sind häufige Referenzmessungen erforderlich. Eine Vorrichtung mit der genannten Konstruktion (2), bei welcher zur Referenzmessung die Vorrichtung selbst an einen Ort bewegt wird, an dem das Messobjekt nicht vorhanden ist, erfordert einen Mechanismus zum Bewegen der Vorrichtung. Folglich wird die periphere Ausrüstung umfangreich, ein kontinuierliches Messen ist nicht möglich, und die Vorrichtung muss oft umgesetzt werden. Des weiteren erfordert eine Vorrichtung mit der genannten Konstruktion (3), bei welcher der Lichtweg des optischen Systems in der Vorrichtung in zwei Zweige geteilt ist, und der Bediener eine Referenzmessung durch Schalten der Lichtwege im Zeitmultiplexbetrieb durchführt, einen Mechanismus zum Schalten der Lichtwege. Folglich wird die Vorrichtung selbst komplex und groß, und die Häufigkeit von Fehlfunktionen ist groß. Ferner ist eine vollständig kontinuierliche Messung nicht möglich und eine Referenzmessung sowie Probenmessungen können nicht zur gleichen Zeit durchgeführt werden, da die Lichtwege im Zeitmultiplexbetrieb geschaltet werden. Daher kann die Drift der Vorrichtung nicht eliminiert werden. Eine Vorrichtung mit der genannten Konstruktion (4), bei welcher der Lichtweg des optischen Systems in der Vorrichtung in zwei Zweige geteilt ist, und der Bediener die Referenzmessung unter Verwendung eines von zwei Detektoren durchführt, ermöglicht ein kontinuierliches Messen, jedoch besteht ein Unterschied zwischen den beiden Detektoren. Infolgedessen ist das Einstellen der beiden optischen Subsysteme schwierig.

Ein weiteres Problem, das allen Konstruktionen (1) bis (4) gemeinsam ist, ist die von diesen erzeugte hohe Fehlerzahl, wenn Lichtspektren, die keine Informationen über die Absorptionsfähigkeit des Messobjekts (im folgenden als "informationslose Spektren" bezeichnet) enthalten, in dem Absorptionsspektrum enthalten sind. Derartiges hinsichtlich des Messobjekts informationsloses Licht ist beispielsweise Streulicht, das beim Messen von Transmittanz, Lecklicht aufgrund einer unzureichenden Größe der Probe, und Spiegelreflexionslicht, das von einer Oberfläche reflektiert wird und mit dem Zustand der Oberfläche und der Korngröße der Probe während der Reflexionsmessung variiert.

US-A-4 805 623 beschreibt eine Vorrichtung, bei welcher die optische Weglänge mit Hilfe einer Messung der empfangenen Lichtintensität einer Referenzkomponente bekannter Konzentration bestimmt wird.

In EP-A-0 636 876 wird die optische Weglänge durch Verwendung von Impulslicht festgelegt, das innerhalb eines kleinen Zeitfensters empfangen wird, so dass nur Licht, dass den kürzesten Weg zwischen der Lichtquelle und der Empfängereinrichtung nimmt, berücksichtigt wird.

Überblick über die Erfindung

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Messverfahren zu schaffen, das die hinsichtlich des Messobjekts informationslosen Spektren eliminiert, um die Fehler in spektroskopischen Messungen zu reduzieren.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Messverfahren zu schaffen, das genaue Informationen über das durch das Messobjekt hindurch transmittierte oder von diesem reflektierte Licht liefert, ohne durch informationslose Spektren, Unterschiede in den Eigenschaften einzelner Photodetektoren oder Drift beeinflusst zu sein.

Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Messvorrichtung zu schaffen, die genaue Informationen über das durch das Messobjekt hindurch transmittierte oder von diesem reflektierte Licht liefert, ohne durch informationslose Spektren, Unterschiede in den Eigenschaften einzelner Photodetektoren oder Drift beeinflusst zu sein.

Die vorliegende Erfindung basiert auf den folgenden Überlegungen. Im allgemeinen werden spektroskopische Messungen im Dunklen ohne Störlicht durchgeführt. Es ist bei einigen Formen von Messobjekten jedoch schwierig, Störlicht zu eliminieren. Bei der Messung von Reflexionsvermögen werden Verfahren verwendet, bei denen Störlicht abgetrennt und erkannt wird, sowie Verfahren, bei denen bei neutralen Wellenlängen, bei denen keine Absorption auftritt, eine Normalisierung durchgeführt wird. Ein Beispiel für die erstgenannten Verfahren ist das 45°-Erkennungsverfahren. Ein Beispiel für die letztgenannten Verfahren Einzelwellenlängenkompensation, Doppelwellenlängenkompensation und differentielle Spektralkompensation. Jedoch können diese Verfahren Störlicht nicht eliminieren und bergen die Möglichkeit der Verzerrung von Daten beim Kompensieren.

Wenn eine Probe des Messobjekts Licht mit einer bestimmten Wellenlänge stark absorbiert und die Größe der Probe ausreichend ist, so dass das transmittierte oder reflektierte Licht bei dieser Wellenlänge kaum erkannt wird, vorausgesetzt, es ist kein Störlicht gegeben, dann ist ein Spektrum, das Störlicht enthält vollständig auf Störlicht zurückzuführen. Störlicht ist bezüglich der Probe informationsloses Licht und bildet einen bestimmten Anteil des Spektrums der Lichtquelle. Das informationslose Spektrum des Störlichts kann daher durch Multiplizieren des Spektrums der Lichtquelle mit einem Koeffizienten erhalten werden, so dass das Ergebnis mit dem gemessenen Spektrum bei dieser bestimmten Wellenlänge übereinstimmt. Das wirkliche Spektrum des transmittierten oder reflektierten Lichts wird erhalten, indem das Spektrum des Störlichts von dem gemessenen Spektrum subtrahiert wird. Das wirkliche Spektrum des einfallenden Lichts wird ebenfalls erhalten, indem das Spektrum des Störlichts von dem Spektrum der Lichtquelle subtrahiert wird.

Andererseits besteht ein Bedarf an Messungen von Komponentenkonzentrationen, wie dem Prozentanteil der Sauerstoffsättigung in Blut, dem Prozentanteil von Fett im Körper und dergleichen. Der Hauptbestandteil des menschlichen Körpers, ungefähr 60–70%, ist Wasser, und es ist ein langer Lichtweg erforderlich, um reflektiertes sowie transmittiertes Licht zu messen, da der Körper Streuwirkung hat. Wie aus dem Absorptionsspektrum der 11 ersichtlich, wird daher kein Licht bei den charakteristischen Absorptionswellenlängen von O-H, d.h. 1,4 &mgr;m und länger als 1,9 &mgr;m, transmittiert. 11 zeigt auch das Absorptionsspektrum einer Orange. Bei der Messung der Zuckerkonzentration oder der Reife von Früchten wie Orangen, Äpfeln und Pfirsichen, wird bei den charakteristischen Wellenlängen von O-H, d.h. 1,4 &mgr;m und länger als 1,9 &mgr;m, kein Licht transmittiert. Ähnlich wird bei der charakteristischen Wellenlänge von C-H kein Licht transmittiert. Wie im folgenden beschrieben, verwendet die vorliegende Erfindung daher die charakteristische Absorptionswellenlängen, bei denen das Licht nahezu vollständig absorbiert wird, zur Kompensation zusammen mit ihren Seitenbändern, um Absorptionsspektren zu messen.

Erfindungsgemäß wird der gesamte von der Lichtquelle kommende Strahl in einem bestimmten Verhältnis in ein optisches Messsystem und ein optisches Referenzsystem geteilt. Zuerst wird der Referenzstrahl gemessen und die Signalintensitäten bei den genannten Wellenlängen für die Kompensation und bei Wellenlängen für die Messung werden gespeichert (Aufzeichnung des Referenzlichts). Wenn sich das Messobjekt in dem optischen Messsystem befindet, wird, falls der Gesamtstrahl des optischen Messsystems und des optischen Referenzsystems gemessen wird, das durch das Messobjekt hindurch transmittierte oder von diesem reflektierte Licht bei einer Kompensationswellenlänge nicht erkannt, so dass das Messergebnis die Lichtmenge des optischen Referenzsystems zeigt. Nun sei das Verhältnis der Lichtintensität zu der gespeicherten Signalintensität bei der gleichen Wellenlänge für das optische Referenzsystem nur für eine Referenzprobe betrachtet. Wird die gespeicherte Signalintensität bei jeder Wellenlänge mit diesem Verhältnis multipliziert, kann die Lichtmenge während der tatsächlichen Messung bei jeder Wellenlänge geschätzt werden.

Aus dem Verhältnis Gemessene Lichtmenge = Lichtmenge des optischen Messsystems + Lichtmenge des optischen Referenzsystems ergibt sich die folgende Gleichung (1) für die Aufzeichnung von Referenzlicht zum Zeitpunkt t0. Im = &bgr;I0,(1) wobei I0 die Gesamtlichtmenge, Im die gemessene Lichtmenge und &bgr; das Verhältnis der Lichtmenge des optischen Referenzsystems zu der Gesamtlichtmenge angibt.

Ferner gelten die folgenden Gleichungen (2) und (3) für die Messung von Absorptionsvermögen zum Zeitpunkt t1 und t2. Im' = &agr;1I0' + &bgr;I0'(2) Im'' = &agr;2I0'' + &bgr;I0''(3)

Hier bezeichnen I0', I0'' die Gesamtmenge des Lichts zum Zeitpunkt t1 bzw. t2, und Im', Im'' bezeichnen die Intensitäten des gemessenen Lichts zum Zeitpunkt t1 bzw. t2. Ferner bezeichnen &agr;1, &agr;2 die Transmissions- oder Reflexionskoeffizienten, die von Wellenlängen abhängen, und das Verhältnis &bgr; der Lichtmenge des optischen Referenzsystems zu der Gesamtlichtmenge ist von den Wellenlängen unabhängig.

Wenn die Wellenlänge &lgr; gleich der Kompensationswellenlänge C ist, gilt &agr;1 = &agr;2 = 0, so dass die folgenden Gleichungen (4) und (6) durch die Gleichungen (1) bis (3) erhalten werden. Im&lgr; = C = &bgr;I0&lgr; = C'(4) Im&lgr; = C' = &bgr;I0&lgr; = C'(5) Im&lgr; = C'' = &bgr;I0&lgr; = C''(6)

Aus den Gleichungen (4) und (5) ergibt sich die folgende Gleichung (7). Ähnlich ergibt sich (8) aus (4) und (6). Im&lgr; = C'/Im&lgr; = C = I0&lgr; = C'/I0&lgr; = C(7) Im&lgr; = C''/Im&lgr; = C = I0&lgr; = C''/I0&lgr; = C(8)

Nunmehr werden die obigen Gleichungen (7) und (8) geschrieben als Im&lgr; = C'/Im&lgr; = C = I0&lgr; = C'/I0&lgr; = C = n'(9) Im&lgr; = C''/Im&lgr; = C = I0&lgr; = C''/I0&lgr; = C = n''(10)

Da I0'/I0 und I0''/I0 in den Gleichungen (9) und (10) nicht von Wellenlängen abhängig sind, ergeben sich die folgenden Gleichungen (11) und (12) durch Erweiterung auf die gesamte Wellenlängendomäne. I0'/I0 = n' (= Im&lgr; = C'/Im&lgr; = C)(11) I0''/I0 = n'' (= Im&lgr; = C''/Im&lgr; = C)(12)

Die nachstehenden Gleichungen (13) und (14) folgen aus den Gleichungen (11) und (12). I0' = n' × I0 = n'Im/&bgr; (13) I0'' = n'' × I0 = n''Im/&bgr; (14)

Das jeweilige Absorptionsvermögen ergibt sich aus den Gleichungen (13), (14), (2) und (3), wie in den folgenden Gleichungen (15) und (16). abs' = –log(&agr;1) = –log{(Im' – n'Im)/n'Im} – log&bgr;(15) abs'' = –log(&agr;2) = –log{(Im'' – n''Im)/n''Im} – log&bgr;(16)

Hier ist –log&bgr; ein konstanter Term und kann in der analytischen Kurve enthalten sein, so dass er bei den Operationen der quantitativen Analyse vernachlässigbar ist. &bgr; kann jedoch nötigenfalls auf folgende Weise erhalten werden. Das heißt, dass bei der Referenzmessung im Fall der Transmission kein Messobjekt vorhanden ist, und bei Absorption ist eine Standardprobe vorgesehen. Sodann werden die Lichtintensitäten durch Wechseln der Lichtwege zwischen dem Messweg und dem Referenzweg gemessen. &bgr; wird so als das Verhältnis der erhaltenen Messungen ermittelt.

Da die Messungen der Absorptionsfähigkeit die Summen der Lichtmengen des optischen Messsystems und des optischen Referenzsystems sind, erhält man die Lichtmengen des optischen Messsystems durch Subtrahieren der geschätzten Lichtmenge des optischen Referenzsystems von den Messungen. Ferner liegt die Lichtmenge des optischen Referenzsystems in einem konstanten Verhältnis zu der Gesamtlichtmenge vor, das heißt, proportional zu der Gesamtlichtmenge, so dass beide in der quantitativen Analyse als gleich angesehen werden können. Dennoch kann das Verhältnis gemessen werden, so dass die Gesamtlichtmenge überwacht und Drift eliminiert werden kann.

Die vorliegende Erfindung basiert auf den genannten Überlegungen. Die vorliegende Erfindung betrifft gemäß Anspruch 1 ein optisches Messverfahren, bei dem ein Messobjekt mit von einer Lichtquelle kommendem Licht bestrahlt und ein durch das Messobjekt hindurch transmittiertes oder von diesem reflektiertes Lichtspektrum gemessen wird. Die Lichtquelle erzeugt ein Messlicht mit Wellenlängen, die Wellenlängen in einer Kompensationswellenlängendomäne enthalten, in der das Messobjekt das Messlicht beinahe vollständig absorbiert. Zunächst wird gemäß dem Verfahren das Spektrum des von der Lichtquelle erzeugten Lichts gemessen und anschließend wird das Messobjekt mit dem von der Lichtquelle kommenden Licht bestrahlt, um das Spektrum des durch das Messobjekt hindurch transmittierten oder von diesem reflektierten Lichts zu messen. Danach erfolgt das Berechnen des Verhältnisses der Intensität des durch das Messobjekt hindurch transmittierten oder von diesem reflektierten Lichts zu der Intensität des von der Lichtquelle in der Kompensationswellenlängendomäne erzeugten Lichts, und das Multiplizieren der Intensität des von der Lichtquelle erzeugten Lichts jeder Wellenlänge mit dem Verhältnis, um ein informationsloses Spektrum zu erhalten. Schließlich wird ein erstes Differenzspektrum als kompensiertes Probespektrum durch Subtrahieren des informationslosen Spektrums von dem Spektrum des durch das Messobjekt hindurch transmittierten oder von diesem reflektierten Lichts erhalten.

Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Messverfahrens wird ein Differenzspektrum als kompensiertes Quellenspektrum durch Subtrahieren des informationslosen Spektrums von dem Spektrum des von der Lichtquelle erzeugten Lichts und ein Absorptionsspektrum aus dem kompensierten Probespektrum und dem kompensierten Quellenspektrum erhalten. Danach ermittelt das Verfahren das Absorptionsspektrum aus dem kompensierten Messspektrum und Hintergrundspektrum, welches das kompensierte Quellenspektrum ist. Anschließend misst das Verfahren einen charakteristischen Wert des Messobjekts basierend auf dem Absorptionsspektrum.

Ferner wird nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ein temporäres Absorptionsspektrum aus dem kompensierten Messspektrum und dem Hintergrundspektrum, dem Spektrum des von der Lichtquelle erzeugten Lichts. Anschließend erhält das Verfahren ein Absorptionsspektrum durch Kompensieren des temporären Absorptionsspektrums für additive Fehler durch Basislinienkompensation oder -differenzbildung. Schließlich wird ein charakteristischer Wert des Messobjekts basierend auf dem Absorptionsspektrum bestimmt.

Des weiteren wird bei einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel das Absorptionsspektrum durch Hinzufügen eines Referenzmaterials zu dem Messobjekt gemessen, so dass die Absorption in der Kompensationswellenlängendomäne Null wird.

Ferner ist ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzmaterial Wasser ist.

Des weiteren ist ein anderes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationswellenlängendomäne bei dem erfindungsgemäßen optischen Messverfahren die Absorptionswellenlängendomäne für O-H ist.

Des weiteren ist ein anderes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationswellenlängendomäne bei dem erfindungsgemäßen optischen Messverfahren die Absorptionswellenlängendomäne für C-H ist.

Ferner betrifft ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine optische Messvorrichtung, die ein Messobjekt mit Licht bestrahlt, um Intensitäten des durch das Messobjekt hindurch transmittierten oder von diesem reflektierten Lichts zu messen und einen Materialwert des Messobjekts basierend auf den Intensitäten zu messen. Die Vorrichtung weist die folgenden Bauteile auf:

eine Lichtquelle, die Messlicht in einer Messwellenlängendomäne zum Messen eines charakteristischen Werts des Messobjekts und Messlicht in einer Kompensationswellenlängendomäne erzeugt, in der Licht nahezu vollständig von dem Messobjekt absorbiert wird;

ein spektroskopisches optisches System, welches das Messlicht in die Messwellenlängendomäne und die Kompensationswellenlängendomäne teilt;

ein optisches Lichtwegsystem, welches das von der Lichtquelle emittierte Messlicht einem ersten Lichtweg und einem zweiten Lichtweg zuleitet, wobei sich das Messobjekt im zweiten Lichtweg befindet, wobei das optische Lichtwegsystem den ersten Lichtweg und den zweiten Lichtweg wieder zusammenführt;

eine photometrische Einheit, die von dem optischen Lichtwegsystem emittiertes Licht misst, um Intensitäten des in die Messwellenlängendomäne und die Kompensationswellenlängendomäne geteilten Lichts zu messen;

einen Speicher, der Lichtintensitäten der Messwellenlängendomäne und der Kompensationswellenlängendomäne speichert, welche von der photometrischen Einheit während einer Referenzmessung ausgegeben werden, bei der ein Licht blockierendes Material in dem zweiten Lichtweg angeordnet oder das Messobjekt aus dem zweiten Lichtweg entfernt ist; und

eine Arithmetikeinheit, die das Verhältnis der Lichtintensität im Kompensationswellenlängendomäne, die durch die photometrische Einheit während einer ordentlichen Messung erkannt wurde, bei der das Messobjekt im zweiten Lichtweg angeordnet ist, zu der Lichtintensität im Kompensationswellenlängendomäne, welche in dem Speicher gespeichert ist, berechnet, Absorptionsvermögen durch arithmetisches Verarbeiten des Verhältnisses der Lichtintensität, der im Speicher gespeicherten Lichtintensitäten und der Ausgangswerte der photometrischen Einheit während der ordentlichen Messung erhält, und den charakteristischen Wert des Messobjekts basierend auf den Absorptionsvermögen bestimmt.

Des weiteren ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel dadurch gekennzeichnet, dass bei der optischen Messvorrichtung nach Anspruch 8 die Arithmetikeinheit die Berechnung –log{(Im – n × I0)/(n × I0)} für in dem Speicher gespeicherte Lichtintensitäten I0 und Ausgangswerte Im der photometrischen Einheit während der ordentlichen Messung durchführt, wobei n das Verhältnis der Lichtintensität angibt.

Ferner ist ein anderes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der optischen Messvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das optische Lichtwegsystem eine optische Faser aufweist, die einen ersten Abschnitt hat, der den ersten optischen Pfad bildet, und einen zweiten Abschnitt, der den zweiten optischen Pfad bildet, und wobei der zweite Abschnitt einen Messteil umfasst, in dem das Messobjekt angeordnet ist.

Des weiteren ist ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das optische Lichtwegsystem eine integrierende Kugel aufweist, auf der die photometrische Einheit angeordnet ist.

Ferner ist ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das optische Lichtwegsystem eine integrierende Kugel und einen in der integrierende Kugel angeordneten Lichtkegel aufweist, der eine optische Öffnung hat, welche in die integrierende Kugel hinein offen ist.

Des weiteren ist ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass bei der optischen Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12 das spektroskopische optische System ein optisches Fourier-Transformationsinterferenzsystem aufweist.

Ferner ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das spektroskopische optische. System eine Drehscheibe mit Filtern aufweist, von denen einige das Licht der Messwellenlängendomäne und andere das Licht der Kompensationswellenlängendomäne durchlassen, das nahezu vollständig von dem Messgegenstand absorbiert wird.

Ferner ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das spektroskopische optische System einen Brechungsgitter-Monochromator umfasst.

Ferner ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das spektroskopische optische System einen Prisma-Monochromator umfasst.

Das Licht der Kompensationswellenlängendomäne, welches auf das Messobjekt fällt, wird von dem Messobjekt beinahe vollständig absorbiert. Das Spektrum des informationslosen Störlichts kann daher durch Berechnen des Verhältnisses der Stärke des von dem Messobjekt kommenden Lichts zu der Lichtstärke der Lichtquelle in der Kompensationswellenlängendomäne und durch Multiplizieren des Spektrums der Lichtquelle mit dem Stärkenverhältnis ermittelt werden.

Das Differenzspektrum zwischen dem Spektrum der Lichtquelle und dem Spektrum des informationslosen Störlichts wird das auf das Messobjekt fallende kompensierte Spektrum der Lichtquelle. Das Absorptionsspektrum wird daher aus dem Hintergrundspektrum erhalten, welches das kompensierte Spektrum der Lichtquelle ist.

Weist das Messobjekt keine Kompensationswellenlängendomäne auf, kann die informationslose Störlichtkomponente in dem genannten Verfahren eliminiert werden, indem ein Referenzmaterial hinzugefügt wird, das eine Wellenlängendomäne hat, in welcher das Licht beinahe vollständig absorbiert wird.

Enthält das Messobjekt ausreichend Wasser, kann die Wellenlängendomäne von Wasser als die Kompensationswellenlängendomäne verwendet werden, um die informationslose Störlichtkomponente aus dem gemessenen Spektrum durch das genannte Verfahren zu eliminieren.

Die Arithmetikeinrichtung berechnet das Lichtstärkenverhältnis der Messung des verbundenen Kompensationslichts aus dem ersten Lichtwegzweig und dem zweiten Lichtwegzweig zu der in der Speichereinrichtung gespeicherten Messung des Kompensationslichts. Das verbundene Kompensationslicht wird gemessen, wenn das Messobjekt in dem zweiten Lichtwegzweig angeordnet ist. Die Arithmetikeinrichtung ermittelt einen charakteristischen Wert des Messobjekts durch arithmetisches Verarbeiten des Lichtstärkenverhältnisses, der in der Speichereinrichtung gespeicherten Messungen, und der Messungen des verbundenen Lichts aus dem ersten Lichtwegzweig und dem zweiten Lichtwegzweig. Insbesondere berechnet die Arithmetikeinrichtung –log{(Im – n × I0)/(n × I0)}

Die photometrische Einrichtung misst das Licht des ersten und des zweiten Lichtwegzweigs, die durch die integrierende Kugel kombiniert sind.

Das optische Fourier-Transformationsinterferenzsystem teilt das von der Quelle kommende Licht in die Messlichtkomponente und die Kompensationslichtkomponente. Die Drehscheibe teilt ebenfalls das von der Quelle kommende Licht in die Messlichtkomponente und die Kompensationslichtkomponente.

Die optische Faser teilt das von der Quelle kommende Licht in den ersten Zweigteil und den zweiten Zweigteil, und das Messobjekt ist in dem Messbereich des zweiten Zweigteils angeordnet.

Der Brechungsgitter-Monochromator teilt das von der Quelle kommende Licht in eine Messlichtkomponente und eine Kompensationslichtkomponente. Der Prisma-Monochromator teilt ebenfalls das von der Quelle kommende Licht in die Messlichtkomponente und die Kompensationslichtkomponente.

Das direkt aus der optischen Öffnung des Lichtkegels emittierte Licht und das von dem Messobjekt reflektierte Licht fallen auf die integrierende Kugel.

Das informationslose Licht weist die gleichen Informationen auf wie das Spektrum der Lichtquelle und hat daher ein geometrisch ähnliches Spektrum. Erfindungsgemäß kann die Spektrumkomponente des informationslosen Lichts durch Multiplizieren des Spektrums der Lichtquelle mit dem Stärkenverhältnis des von dem Messobjekt kommenden Lichts zu dem Spektrum der Lichtquelle in der Kompensationswellenlängendomäne ermittelt werden. Daher kann die informationslose Lichtkomponente aus dem gemessenen Spektrum durch Subtrahieren des Spektrums des informationslosen Lichts von dem gemessenen Spektrum eliminiert werden.

Ferner wird erfindungsgemäß das Spektrum des informationslosen Lichts ein Kompensationsspektrum, das zu dem Spektrum der Lichtquelle proportional ist. Daher kann ein charakteristischer Wert des Messobjekts aus dem Absorptionsspektrum ermittelt werden, das aus dem Hintergrundspektrum berechnet wird, welches das Kompensationsspektrum ist.

Ferner berechnet die vorliegende Erfindung das Verhältnis zwischen der Messung des verbundenen Kompensationslichts des ersten Lichtwegzweigs und des zweiten Lichtwegzweigs, wenn sich das Messobjekt in dem zweiten Lichtwegzweig befindet. Ein charakteristischer Wert des Messobjekts wird durch arithmetisches Verarbeiten des Lichtstärkenverhältnisses, der in der Speichereinrichtung gespeicherten Messungen und der Messungen des verbundenen Kompensationslichts des ersten Lichtwegzweigs und des zweiten Lichtwegzweigs, die erhalten werden, wenn sich das Messobjekt im zweiten Lichtwegzweig befindet. Folglich muss die Messung des in der Speichereinrichtung gespeicherten Kompensationslichts nur einmal nach der Herstellung der Vorrichtung und nach dem Austausch von Teilen, die von Wellenlängen abhängig sind, wie beispielsweise die Lichtquelle, das Photometer und dergleichen, erhalten werden. Auf diese Weise kann die Drift der Vorrichtung kontinuierlich kompensiert werden, so dass eine kontinuierliche Messung des Messobjekts möglich wird.

Des weiteren kann erfindungsgemäß die Drift kontinuierlich aus den Messungen eines charakteristischen Werts des Messobjekts durch die arithmetische Operation –log{(Im – n × I0)/(n × I0)} entfernt werden.

Des weiteren kann erfindungsgemäß das Licht des ersten Lichtwegzweigs und des zweiten Lichtwegzweigs durch eine integrierende Kugel kombiniert und durch ein Photometer gemessen werden.

Ferner kann erfindungsgemäß Licht durch ein optisches Fourier-Transformationsinterferenzsystem mit hoher Genauigkeit in eine Messlichtkomponente und eine Kompensationslichtkomponente geteilt werden.

Ferner kann erfindungsgemäß Licht in eine Messlichtkomponente und eine Kompensationslichtkomponente durch verhältnismäßig einfache Konstruktionen und mit geringen Kosten durch eine Drehscheibe geteilt werden.

Ferner können erfindungsgemäß der erste und der zweite Lichtwegzweig auf einfache Weise durch eine optische Faser gebildet werden. Da ferner eine optische Faser leicht biegbar ist, ist die Anordnung des ersten und des zweiten Lichtwegzweigs in der Vorrichtung flexibel.

Ferner kann das Licht mittels eines Dispersions-Monochromators mit hoher Genauigkeit in das Messlicht und das Kompensationslicht geteilt werden.

Ferner kann erfindungsgemäß das Licht durch einen Prisma-Monochromator mit hoher Genauigkeit in das Messlicht und das Kompensationslicht geteilt werden.

Ferner werden erfindungsgemäß das direkt von der optischen Öffnung des Lichtkegels kommende Licht und das von dem Messobjekt reflektierte Licht auf die integrierende Kugel geleitet. Folglich werden der erste und der zweite Lichtwegzweig kompakt, so dass die Abmessungen der Vorrichtung klein gehalten werden können.

Ferner wird erfindungsgemäß stets nur ein Detektor verwendet, so dass die Kompensation simultan erfolgt, keine Zeitverzögerung eintritt, und keine Empfindlichkeitsunterschiede auftreten. Ferner treten selten Unfälle auf, da der Schaltmechanismus fixiert ist.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit bevorzugten Ausführungsbeispielen derselben unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, und welche zeigen:

1 Nahinfrarot-Transmittanzspektren von Wasser, die erhalten werden, wenn die Wassermenge in einer Zelle verändert wird;

2 nach der Kompensation erhaltene Absorptionsspektren;

3 Nahinfrarot-Reflexionsenergiespektren der menschlichen Haut;

4 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung;

5 Kurvendarstellungen zum Vergleich der Drift der optischen Messvorrichtung gemäß 4 mit der Drift bekannter Messvorrichtungen;

6 ein Blockdiagramm eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung;

7 eine Draufsicht auf die in der optischen Messvorrichtung von 6 dargestellte Drehscheibe;

8 ein Blockdiagramm eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung;

9 ein Blockdiagramm eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung;

10 ein Blockdiagramm eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung; und

11 Absorptionsspektren einer Orange und einer menschlichen Hand.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der zugehörigen Zeichnungen beschrieben.

Erstes Ausführungsbeispiel

1 zeigt die Ergebnisse der Messung von Nahinfrarot-Transmittanzspektren von Wasser unter Veränderung der Wassermenge in einer Zelle. In 1 zeigt die Kurve A das Spektrum der Lichtquelle, die Kurve B zeigt das Spektrum in dem Fall, dass die Zelle mit Wasser gefüllt ist, und die Kurve C zeigt das Spektrum für den Fall, in dem die Zelle teilweise mit Wasser gefüllt ist. Die Absorption durch Wasser ist bei 5200 cm–1 besonders groß und die Transmittanz wird nahezu Null. Jedoch wird bei der Kurve C das transmittierte Licht bei 5200 cm–1 erkannt. Dieses transmittierte Licht ist das Licht, das nicht das Wasser durchdringt, sondern nur die Zelle, das heißt, es handelt sich um das informationslose Störlicht, das keine Informationen über die Absorption durch Wasser enthält. Das Spektrum dieses Störlichts weist die gleichen Informationen wie das Spektrum der Lichtquelle auf, so dass es eine geometrisch ähnliche Form wie die Kurve A des Lichtquellenspektrums hat. Das Spektrum D des Störlichts wird daher durch Multiplizieren des Spektrums der Lichtquelle mit einem Koeffizienten erhalten, so dass das Ergebnis gleich dem Energiewert des Spektrums C bei 5200 cm–1 ist. Die durch das Subtrahieren des Spektrums D von dem Spektrum C erhaltene Differenz ist das kompensierte Messspektrum E des Lichts, welches das Wasser durchdrungen hat. Die durch Subtrahieren von D von A erhaltene Differenz ist das Spektrum des kompensierten Spektrums des Lichts, das auf die Probe aufgetroffen ist.

2 zeigt ein Absorptionsspektrum F für den Fall, dass die Zelle mit Probenmaterial gefüllt ist, das kompensierte gemessene Absorptionsspektrum G für den Fall, dass das Lichtquellenspektrum das Hintergrundspektrum ist, das kompensierte Spektrum H, das durch eine Grundlinienkompensation aus dem kompensierten gemessenen Absorptionsspektrum G erhalten wurde, und das kompensierte gemessene Absorptionsspektrum I für den Fall, dass das kompensierte Lichtquellenspektrum das Hintergrundspektrum ist.

3 zeigt ein nahinfrarotes Spektrum der diffusen Reflexionsenergie der menschlichen Haut. In 3 zeigt die Kurve J das Lichtquellenspektrum und K zeigt das Probenspektrum. Die Absorption durch Wasser ist bei 5200 cm–1 besonders groß und die Transmittanz wird ungefähr Null. Lebende Organismen sind voll Wasser, jedoch wird Licht auch bei 5200 cm–1 erkannt. Dieses Licht ist diejenige Komponente, welche die Probe nicht passiert hat, das heißt, Spiegelreflexionslicht, bei dem es sich um Störlicht handelt, das keine Informationen über die Probe enthält. Dieses Störlicht enthält die selben Informationen wie das von der Quelle erzeugte Licht, so dass es eine geometrische Form des Spektrums hat, die derjenigen des Lichtquellenspektrums J ähnlich ist. Daher kann das Spektrum L des Störlichts durch Multiplizieren des Lichtquellenspektrums J mit einem Koeffizienten erhalten werden, so dass das resultierende Spektrum den gleichen Energiewert wie das Spektrum K bei 5200 cm–1 hat. Die durch Subtrahieren des Spektrums L von dem Spektrum K erhaltene Differenz ist das kompensierte Messspektrum M des von der Probe diffus reflektierten Lichts. Folglich fehlen in dem kompensierten Messspektrum M Effekte des Störspektrums L. Ferner ist die Differenz, die durch Subtrahieren des Störspektrums L von dem Lichtquellenspektrum J gebildet wird, das Spektrum des kompensierten Spektrums des auf die Probe fallenden Lichts.

Zweites Ausführungsbeispiel

4 zeigt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung. Diese Vorrichtung misst Bestandteile menschlicher Körperflüssigkeiten durch Bestrahlen eines Fingers mit Infrarotlicht. Die Vorrichtung umfasst eine Nickelchrom-Lampe 1, die Infrarotlicht erzeugt, eine Kollimierlinse 2, die das von der Nickelchrom-Lampe 1 emittierte Licht in einen parallelen Strahl umwandelt, ein optisches Fourier-Transformationsinterferenzsystem 4, und einen Spiegel 6, der einen Teil des von dem optischen Fourier-Transfomationsinterferenzsystem 4 emittierten Strahls 5 abtrennt. Ein Infrarotlichtstrahl fällt von der Nickelchromlampe 1 auf das Fourier-Transformationsinterferenzsystem 4, das den Infrarotlichtstrahl teilt und einen Messlichtstrahl emittiert, der eine Messlichtkomponente und eine Kompensationslichtkomponente enthält. Die Messlichtkomponente hat Wellenlängen in einer Messwellenlängendomäne, in welcher Bestandteile menschlicher Körperflüssigkeiten eine gewisse Absorption zeigen. Die Kompensationslichtkomponente hat Wellenlängen in einer Kompensationswellenlängendomäne, in welcher das Messobjekt das Licht beinahe Vollständig absorbiert. Der Spiegel 6teilt den aus dem optischen Fourier-Transformationsinterferenzsystem 4 in die Strahlen 7 und 8.

Die optische Messvorrichtung umfasst ferner eine Linse 9, welche den Strahl 7 konzentriert, eine integrierende Kugel 11, auf welche der Strahl 7 nach dem Durchgang durch das Messobjekt, d.h. einen menschlichen Finger 10, fällt, einen Infrarotdetektor 12 vom Pbs-Typ, Spiegel 13, 14 und eine Linse 15, welche den Strahl 8 um den Finger 10 leiten und ihn auf die integrierende Kugel 11 richten, einen Verstärker 16, einen A/D-Wandler 17, einen Mikrocomputer 18, einen Speicher 19 des Mikrocomputers 18, und eine Anzeige 21. Der A/D-Wandler 17 wandelt das von dem Verstärker 16 verstärkte Ausgangssignal des Infrarotdetektors 12 des Pbs-Typs in ein Digitalsignal zur Ausgabe an den Mikrocomputer um.

Der Mikrocomputer 18 hat einen Referenzsignalmessmodus und einen normalen Messmodus. Der Referenzsignalmessmodus und der normale Messmodus werden durch einen Modusschalter geschaltet, der nicht in 4 dargestellt ist.

Im Referenzsignalmessmodus ist die Öffnung der integrierenden Kugel 11 geschlossen, um den Messstrahl 7 zu blockieren, und nur der Referenzstrahl 8 wird von dem Infrarotdetektor 12 vom Pbs-Typ gemessen. Der Mikrocomputer 18 speichert sodann im Speicher 19 Die Messungen des Referenzstrahls 8, die von dem A/D-Wandler 17 in ein Digitalsignal umgewandelt wurden. Alternativ kann im Referenzsignalmessmodus die Öffnung der integrierenden Kugel 11 offen gehalten werden, und anstelle der Messungen des Referenzstrahls 8 allein kann der Ausgang des Infrarotdetektors 12 vom Pbs-Typ in dem Speicher 19 während des Durchgangs des Messstrahls 7 gespeichert werden.

Andererseits wird bei dem normalen Messmodus das Messobjekt, bei dem es sich um einen menschlichen Finger 10 handelt, an der Öffnung der integrierenden Kugel 11 angeordnet. In diesem Zustand werden der Referenzstrahl 8 und ein Teil des Messstrahls 7, der den Finger 10 passiert hat, von dem Infrarotdetektor 12 des Pbs-Typs gemessen. Der Mikrocomputer 18 führt Berechnungen basierend auf den bereits beschriebenen Gleichungen (9) bis (16) für diese Messungen und die im Speicher 19 gespeicherten Messungen des Referenzstrahls durch. Der Mikrocomputer 18 führt insbesondere die Operationen der Gleichungen (9) und (10) durch und berechnet das von dem Pbs-Infrarotlichtdetektor 12 gemessene Lichtstärkenverhältnis bei einer Kompensationswellenlänge zu der Signalstärke bei einer im Speicher 19 gespeicherten Kompensationswellenlänge. Der Mikrocomputer 18 führt ferner die Operationen der Gleichungen (13) und (14) durch, um die Hintergrundstärken während der Messung durch Multiplizieren der in dem Speicher 19 gespeicherten Signalstärken mit dem Lichtstärkenverhältnis n zu schätzen. Der Mikrocomputer 18 führt des weiteren die Operationen der Gleichungen (15) und (16) durch, um die geschätzten Hintergrundstärken von den Messungen im normalen Messmodus zu subtrahieren. Der Mikrocomputer 18 teilt sodann die Ergebnisse durch die Hintergrundstärken und berechnet den Logarithmus des Umkehrwerts der Ergebnisse, um die Absorptionen zu ermitteln. Basierend auf den derart erhaltenen Absorptionen führt der Mikrocomputer 18 ferner eine multivariate Analyse durch, um die Komponentenkonzentration der menschlichen Körperflüssigkeiten zu berechnen und die Ergebnisse auf der Anzeige 21 anzuzeigen.

Messungen, die durch die zuvor beschriebene optische Messvorrichtung von 4 erhalten wurden, werden in 5 mit Messungen verglichen, die mittels einer bekannten Vorrichtung erhalten wurden. In 5 zeigt die Linie h0 echte Werte, die gestrichelte Linie h1 zeigt die Drift einer bekannten Vorrichtung, welche das sogenannte Einzelstrahlverfahren verwendet, und die gestrichelte Linie h2 zeigt die Drift einer bekannten Vorrichtung, welches das sogenannte Doppelstrahlverfahren verwendet, die in dem US-Patent 4 097 743 beschrieben ist. Die gestrichelte Linie h3 zeigt die Drift der optischen Messvorrichtung nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gemäß 4. Wie in 5 dargestellt, sind sämtliche dieser Vorrichtungen so eingestellt, dass die Messung eine Minute nach ihrer Aktivierung beginnt, wenn ihre Messungen mit dem echten Wert zu 100% übereinstimmen. Die in 5 dargestellten Abweichungen sind in bezug auf die echten Werte berechnet.

Wie sich aus der 4 ergibt, beträgt die Abweichung der Messungen durch die optische Messvorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels 0,99, während die Abweichung durch die das Einzelstrahlverfahren verwendende Vorrichtung 4,60 beträgt, und die Abweichung der das Doppelstrahlverfahren verwendenden Vorrichtung 1,42 ausmacht. Die Drift der Vorrichtung nach dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist somit erheblich verbessert.

Drittes Ausführungsbeispiel

6 zeigt den Aufbau eines anderen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung. Bei dieser optischen Messvorrichtung wird ein von einer Halogenlampe 22 emittierter Infrarotlichtstrahl von einer Linse 23 gesammelt und auf eine optische Faser 24 gerichtet. Die optische Faser 24 teilt das einfallende Infrarotlicht in Lichtwege 25, 28 des optischen Messsystems und einen Lichtweg 26 des optischen Referenzsystems. In den Spalt zwischen den Lichtwegen 25 und 28 des optischen Messsystems wird ein menschlicher Finger 27 als Messobjekt während der Messung mit transmittiertem Licht eingeführt, während eine Blende eingesetzt wird, um das Infrarotlicht zu blockieren, das während der Kompensationslichtmessung von dem Lichtweg 25 zu dem Lichtweg 28 übergeht. Der Lichtweg 28 verbindet sich mit dem Lichtweg 26 des optischen Referenzsystems. Der von der optischen Faser 24 emittierte Infrarotstrahl wird durch eine Linse 29, eine von dem Motor M getriebene Drehscheibe 31 und eine Linse 32 auf eine Photodiode 33 vom Ge-Typ geleitet. Wie in 7 dargestellt, ist die Drehscheibe 31 in um ihre Drehmitte herum ausgebildeten Fenstern mit Interferenzfiltern 31a, 31c, welche Infrarotlicht einer Kompensationswellenlängendomäne transmittieren, und Interferenzfiltern 31b, 31d versehen, die das Infrarotlicht einer Messwellenlängendomäne transmittieren. Ein von der Drehscheibe 31 aus den Interferenzfiltern 31a bis 31d gewählter Filter kann durch einen Photosensor erkannt werden, der einen in einem Umfangsbereich der Drehscheibe 31 gebildeten Schlitz erkennt. Der Photosensor und der Schlitz sind in den Figuren nicht dargestellt.

Das Ausgangssignal der Photodiode 33 des Ge-Typs wird in die elektrische Schaltung eingegeben, welche aus dem Verstärker 16, dem A/D-Wandler 17, dem Mikrocomputer 18, dem Speicher 19 und der Anzeige 21 der in Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungsbeispiel beschriebenen Vorrichtung von 4 besteht. Ein Signal des gewählten Filters, welches angibt, welcher der Interferenzfilter 31a bis 31d gegenwärtig gewählt ist, wird von der Photodiode 33 des Ge-Typs in den Mikrocomputer 18 eingegeben. Der Mikrocomputer 18 stellt die Absorption durch die gleichen Operationen wie für die Vorrichtung von 4 basierend auf den ausgegebenen Messungen der Photodiode 33 und das Signal des gewählten Filters fest, um die Komponentenkonzentration menschlicher Körperflüssigkeiten zu bestimmen.

Bei dem Aufbau des dritten Ausführungsbeispiels ist die Konstruktion des optischen Messsystems und des optischen Referenzsystems vereinfacht, indem eine optische Faser verwendet wird, so dass eine kompakte, kostengünstige Vorrichtung erhalten werden kann.

Viertes Ausführungsbeispiel

8 zeigt den Aufbau eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung. Diese optische Messvorrichtung dient dem Messen der Komponentenkonzentration von Harzmaterialien. Bei dieser optischen Messvorrichtung wird ein von einer Wolframlampe 34 emittierter Lichtstrahl durch eine Linse 35 auf einen Brechungsgitter-Monochromator 36 gerichtet und von diesem in Messlicht einer Messwellenlängendomäne und Kompensationslicht einer Kompensationswellenlängendomäne geteilt. Ein Teil des von dem Brechungsgitter-Monochromator 36 emittierten Lichtstrahls wird auf eine optische Zelle 38 gerichtet, in welcher ein flüssiges Harzmaterial fließt, und das durchgehende Licht wird von einer Blende blockiert, wenn Referenzlicht registriert wird. Der Teil des von dem Brechungsgitter-Monochromator 36emittierten Lichtstrahls wird zusammen mit dem anderen Teil des Lichtstrahls, der nicht auf die optische Zelle 38 gerichtet wurde, auf eine Linse 39 gerichtet, nachdem er das Harzmaterial passiert hat. Das wieder zusammengeführte Licht wird kollektiv in einen TGS-Infrarotdetektor 37 eingegeben.

Das Ausgangssignal des TGS-Infrarotdetektors 37 wird in die in Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungsbeispiel beschriebene und in 4 dargestellte elektrische Schaltung eingegeben, die aus dem Verstärker 16, dem A/D-Wandler 17, dem Mikrocomputer 18, dem Speicher 19 und der Anzeige 21 besteht. Ein Signal, das angibt, welche der Messwellenlängen und der Kompensationswellenlängen gegenwärtig gewählt ist, wird an den Mikrocomputer 18 durch den Brechungsgitter-Monochromator 36 geliefert. Der Mikrocomputer 18 stellt die Absorptionen mittels der gleichen Operationen wie bei der Vorrichtung von 4 fest, um die Komponentenkonzentrationen von flüssigem Harzmaterial zu bestimmen.

Bei dem Aufbau des vierten Ausführungsbeispiels kann ein flüssiges Harzmaterial, das in der optischen Zelle 38 fließt, kontinuierlich in Echtzeit gemessen werden.

Fünftes Ausführungsbeispiel

9 zeigt den Aufbau eines anderen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung. Diese optische Messvorrichtung dient dem Messen der Zuckerkonzentration einer Frucht 45. Bei dieser optischen Messvorrichtung wird ein von einer Halogenlampe 41 emittierter Lichtstrahl durch eine Linse 42 auf einen Prisma-Monochromator gerichtet und durch diesen in Messlicht einer Messwellenlängendomäne und Kompensationslicht einer Kompensationswellenlängendomäne geteilt. Der von dem Prisma-Monochromator 43 emittierte Lichtstrahl wird von einer Linse 40 konzentriert und durch eine Silikaplatte 44 auf die Frucht 45 gerichtet. Das von der Frucht 45 diffus reflektierte Licht wird von einer integrierenden Kugel 46 gesammelt und von einem Detektor 47 erfasst. Das Messobjekt, nämlich die Frucht 45, wird während der Aufzeichnung des Referenzlichts entfernt.

Das Ausgangssignal des Detektors 47 wird in die in Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung beschriebene und in 4 dargestellte elektrische Schaltung eingegeben, die aus dem Verstärker 16, dem A/D-Wandler 17, dem Mikrocomputer 18, dem Speicher 19 und der Anzeige 21 besteht. Ein Signal, das angibt, welche der Messwellenlängen und der Kompensationswellenlängen gegenwärtig gewählt ist, wird an den Mikrocomputer 18 durch den Prisma-Monochromator 43 geliefert. Der Mikrocomputer 18 stellt die diffuse. Reflexion basierend auf dem Signal und den ausgegebenen Messungen des Detektors 47 durch die gleichen Operationen wie bei der Vorrichtung von 4 fest, um so die Zuckerkonzentration der Frucht 45 zu bestimmen.

Bei dem Aufbau des fünften Ausführungsbeispiels kann die Zuckerkonzentration einer Frucht 45 ohne Beschädigung oder Zerstörung der Frucht ermittelt werden.

Sechstes Ausführungsbeispiel

10 zeigt den Aufbau eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung. Diese Messvorrichtung dient der Messung von Komponentenkonzentrationen in menschlichen Körperflüssigkeiten. Bei dieser optischen Messvorrichtung wird ein von einer lichtemittierenden Diode 48 emittierter Lichtstrahl durch eine Linse 49 auf ein optisches Fourier-Transformationsinterferenzsystem 50 gerichtet, welches den Infrarotstrahl in Messlicht einer Messwellenlängendomäne und Kompensationslicht einer Kompensationswellenlängendomäne teilt. Der von dem optischen Fourier-Transformationsinterferenzsystem 50 emittierte Lichtstrahl wird von einer Linse 50a konzentriert und auf einen Lichtkegel 51 gerichtet. Ein menschlicher Finger 52 wird während der Messung der Komponentenkonzentrationen von menschlichen Körperflüssigkeiten an der Öffnungsspitze des Lichtkegels 51platziert. Der Lichtkegel 51 hat eine optische Öffnung 55 an seiner Seite und befindet sich in einer integrierenden Kugel 53. Ein Teil des aif den Lichtkegel 51 fallenden Lichtstrahls wird nicht auf den Finger 52 projiziert und wird von der integrierenden Kugel 53 zusammen mit dem den Finger 52 passierenden Licht von der integrierenden Kugel 53 durch die optische Öffnung 55 gesammelt. Das von der integrierenden Kugel 53 gesammelte Licht wird von einem Detektor 54 erkannt. Die Öffnungsspitze des Lichtkegels 51 wird während des Aufzeichnens des Referenzlichts von einer Blende blockiert.

Das Ausgangssignal des Detektors 52 wird in die in Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung beschriebene und in 4 dargestellte elektrische Schaltung eingegeben, die aus dem Verstärker 16, dem A/D-Wandler 17, dem Mikrocomputer 18, dem Speicher 19 und der Anzeige 21 besteht. Ein Signal, das angibt, welche der Messwellenlängen und der Kompensationswellenlängen gegenwärtig gewählt ist, wird an den Mikrocomputer 18 durch den Fourier-Transformationsinterferenzsystem 50 geliefert. Der Mikrocomputer 18 stellt die Absorption durch den Finger 52 basierend auf dem Signal und den ausgegebenen Messungen des Detektors 54 durch die gleichen Operationen wie bei der Vorrichtung von 4 fest, um so die Komponentenkonzentrationen von menschlichen Körperflüssigkeiten zu bestimmen.

Bei dem Aufbau des sechsten Ausführungsbeispiels ist der Lichtkegel 51 in der integrierenden Kugel 53 enthalten, so dass der Aufbau des optischen Messsystems und des optischen Referenzsystems einfach und kompakt ausgeführt werden kann.

Zwar wurde die vorliegende Erfindung vollständig in Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsbeispielen derselben unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, jedoch sei darauf hingewiesen, dass verschiedene Änderungen und Modifizierungen für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige Änderungen und Modifizierungen gelten als in den durch die nachfolgenden Ansprüche definierten Rahmen der vorliegenden Erfindung fallend, es sei denn, sie weichen davon ab.


Anspruch[de]
Optisches Messverfahren, bei dem ein Messobjekt (10) mit von einer Lichtquelle (1) kommendem Licht bestrahlt und ein durch das Messobjekt (10) hindurch transmittiertes oder von diesem reflektiertes Lichtspektrum gemessen wird, wobei die Lichtquelle (1) ein Messlicht mit Wellenlängen erzeugt, die Wellenlängen in einer Kompensationswellenlängendomäne enthalten, in der das Messobjekt (10) das Messlicht beinahe vollständig absorbiert, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

Messen des Spektrums des von der Lichtquelle (1) erzeugten Lichts;

Bestrahlen des Messobjekts (10) mit dem von der Lichtquelle (1) kommenden Licht und Messen des Spektrums des durch das Messobjekt (10) hindurch transmittierten oder von diesem reflektierten Lichts;

Berechnen des Verhältnisses der Intensität des durch das Messobjekt (10) hindurch transmittierten oder von diesem reflektierten Lichts zu der Intensität des von der Lichtquelle (1) in der Kompensationswellenlängendomäne erzeugten Lichts;

Multiplizieren der Intensität des von der Lichtquelle (1) erzeugten Lichts jeder Wellenlänge mit dem Verhältnis, um ein informationsloses Spektrum zu erhalten; und

Erhalten eines ersten Differenzspektrums als kompensiertes Probespektrum durch Subtrahieren des informationslosen Spektrums von dem Spektrum des durch das Messobjekt (10) hindurch transmittierten oder von diesem reflektierten Lichts.
Optisches Messverfahren nach Anspruch 1, bei dem ein zweites Differenzspektrum als kompensiertes Quellenspektrum durch Subtrahieren des informationslosen Spektrums von dem Spektrum des von der Lichtquelle (1) erzeugten Lichts und ein Absorptionsspektrum aus dem kompensierten Probespektrum und dem kompensierten Quellenspektrum erhalten wird; wobei ein charakteristischer Wert des Messobjekts (10) basierend auf dem Absorptionsspektrum bestimmt wird. Optisches Messverfahren nach Anspruch 1, bei dem ein temporäres Absorptionsspektrum aus dem kompensierten Probenspektrum und dem Spektrum des von der Lichtquelle (1) erzeugten Lichts und ein Absorptionsspektrum durch Kompensieren des temporären Absorptionsspektrums für additive Fehler durch Basislinienkompensation oder -differenzbildung erhalten wird; wobei ein charakteristischer Wert des Messobjekts basierend auf dem Absorptionsspektrum bestimmt wird. Optisches Messverfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, bei dem ein Standardmaterial zu dem Messobjekt (10) hinzugefügt wird, so dass die Transmittanzen in der Kompensationswellenlängendomäne ungefähr null sind. Optisches Messverfahren nach Anspruch 4, bei dem das Standardmaterial Wasser ist. Optisches Messverfahren nach Anspruch 5, bei dem die Kompensationswellenlängendomäne eine Absorptionswellenlängendomäne für O-H umfasst. Optisches Messverfahren nach Anspruch 4, bei dem die Kompensationswellenlängendomäne eine Absorptionswellenlängendomäne für C-H umfasst. Optische Messvorrichtung, die ein Messobjekt (10) mit Licht bestrahlt, um Intensitäten des durch das Messobjekt (10) hindurch transmittierten oder von diesem reflektierten Lichts zu messen und einen Materialwert des Messobjekts (10) basierend auf den Intensitäten zu messen, wobei die optische Messvorrichtung aufweist:

eine Lichtquelle (1), die Messlicht in einer Messwellenlängendomäne zum Messen eines charakteristischen Werts des Messobjekts und Messlicht in einer Kompensationswellenlängendomäne erzeugt, in der Licht nahezu vollständig von dem Messobjekt (10) absorbiert wird;

ein spektroskopisches optisches System (4), welches das Messlicht in die Messwellenlängendomäne und die Kompensationswellenlängendomäne teilt;

ein optisches Lichtwegsystem, welches das von der Lichtquelle (1) emittierte Messlicht einem ersten Lichtweg (8) und einem zweiten Lichtweg (7) zuleitet, wobei sich das Messobjekt (10) im zweiten Lichtweg (7) befindet, wobei das optische Lichtwegsystem den ersten Lichtweg und den zweiten Lichtweg wieder zusammenführt;

eine photometrische Einheit (12), die von dem optischen Lichtwegsystem emittiertes Licht misst, um Intensitäten des in die Messwellenlängendomäne und die Kompensationswellenlängendomäne geteilten Lichts zu messen;

einen Speicher (19), der Lichtintensitäten der Messwellenlängendomäne und der Kompensationswellenlängendomäne speichert, welche von der photometrischen Einheit (11, 12) während einer Referenzmessung ausgegeben werden, bei der ein Licht blockierendes Material in dem zweiten Lichtweg angeordnet oder das Messobjekt (10) aus dem zweiten Lichtweg entfernt ist; und

eine Arithmetikeinheit (18), die das Verhältnis der Lichtintensität im Kompensationswellenlängendomäne, die durch die photometrische Einheit (12) während einer ordentlichen Messung erkannt wurde, bei der das Messobjekt (10) im zweiten Lichtweg angeordnet ist, zu der Lichtintensität im Kompensationswellenlängendomäne, welche in dem Speicher (19) gespeichert ist, berechnet, Absorptionsvermögen durch arithmetisches Verarbeiten des Verhältnisses der Lichtintensität, der im Speicher (19) gespeicherten Lichtintensitäten und der Ausgangswerte der photometrischen Einheit (12) während der ordentlichen Messung erhält, und den charakteristischen Wert des Messobjekts (10) basierend auf den Absorptionsvermögen bestimmt.
Optische Messvorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Arithmetikeinheit (18) die Berechnung –log{(Im – n × I0)/(n × I0)} für in dem Speicher (19) gespeicherte Lichtintensitäten I0 und Ausgangswerte Im der photometrischen Einheit während der ordentlichen Messung durchführt, wobei n das Verhältnis der Lichtintensität angibt. Optische Messvorrichtung nach den Ansprüchen 8 oder 9, bei der das optische Lichtwegsystem eine optische Faser (24) aufweist, die einen ersten Abschnitt hat, der den ersten optischen Pfad (26) bildet, und einen zweiten Abschnitt, der den zweiten optischen Pfad (25) bildet, und wobei der zweite Abschnitt einen Messteil umfasst, in dem das Messobjekt (27) angeordnet ist. Optische Messvorrichtung nach den Ansprüchen 8 oder 9, bei der das optische Lichtwegsystem eine integrierende Kugel (11) aufweist, auf der die photometrische Einheit (12) angeordnet ist. Optische Messvorrichtung nach den Ansprüchen 8 oder 9, bei der das optische Lichtwegsystem eine integrierende Kugel (53) und einen in der integrierende Kugel (53) angeordneten Lichtkegel (51) aufweist, der eine optische Öffnung (55) hat, welche in die integrierende Kugel (53) hinein offen ist. Optische Messvorrichtung nach den Ansprüchen 8 oder 9, bei der das spektroskopische optische System (4) ein optisches Fourier-Transformationsinterferenzsystem aufweist. Optische Messvorrichtung nach den Ansprüchen 8, 9 oder 10, bei der das spektroskopische optische System eine Drehscheibe (31) mit Filtern aufweist, von denen einige das Licht der Messwellenlängendomäne und andere das Licht der Kompensationswellenlängendomäne durchlassen, das nahezu vollständig von dem Messgegenstand (27) absorbiert wird. Optische Messvorrichtung nach den Ansprüchen 8 oder 9, bei der das spektroskopische optische System einen Brechungsgitter-Monochromator (36) umfasst. Optische Messvorrichtung nach den Ansprüchen 8 oder 9, bei der das spektroskopische optische System einen Prisma-Monochromator (43) umfasst.






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