WO1995007446A1 - Spektrometer - Google Patents

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WO1995007446A1
WO1995007446A1 PCT/EP1993/002446 EP9302446W WO9507446A1 WO 1995007446 A1 WO1995007446 A1 WO 1995007446A1 EP 9302446 W EP9302446 W EP 9302446W WO 9507446 A1 WO9507446 A1 WO 9507446A1
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WO
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spectrometer
light
lamp
evaluation device
light guide
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PCT/EP1993/002446
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French (fr)
Inventor
Klaus Michael Ohle
Original Assignee
Kabelwerke Reinshagen Gmbh
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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    • G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
    • G01J3/0218—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using optical fibers
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    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J2003/2866—Markers; Calibrating of scan

Definitions

  • the invention relates to a spectrometer of the type mentioned in the preamble of claim 1.
  • Spectrometers of this type can be used to determine a spectrum of an irradiated medium obtained after irradiation, specifically either when irradiating or reflecting on the irradiated medium.
  • the chemical composition of the medium can be concluded from the spectrum obtained.
  • the evaluation device which is generally formed by a computer, can search for characteristic lines of certain substances in the spectrum and select them from disturbances. By determining such lines, a certain substance can be determined qualitatively and by evaluating the line intensity the quantity thereof.
  • the use of light guides in particular flexible light guides, which consist for example of glass fiber bundles, enables loss-free light guidance in order to achieve high sensitivities.
  • a spectrometer of the type mentioned is known from EP 0 377 737 AI, which shows the use of light guides for transmitting the light between the lamp, the irradiated medium and the spectrometer.
  • DE 31 36 448 AI discloses a phaser-optical measuring device in which a stabilization signal for the transmission link is generated by means of two doped glass filters with absorption bands that are as identical as possible.
  • a disadvantage of known spectrometers of the type mentioned at the outset is the dependence of the line intensities measured on the brightness of the lamp used. Complex regulations for keeping the light intensity of the lamp constant or complex additional measuring devices are required. Intensity fluctuations can also occur when transmitting light with light guides, for example due to mechanical adjustments of light coupling points or due to partial breakage of light guides. Constantly repeated calibration measurements or complex compensation devices are therefore required, which lead to high workload. It is therefore an object of the present invention to provide a spectrometer of the type mentioned at the outset, with which high-precision measurements are possible with simple construction and reduced workload through calibration measurements.
  • the invention makes use of the fact that light guides are commercially available, in which the optical material used has impurities which cause light absorption in interference lines.
  • these interference lines are used for light intensity calibration.
  • the intensity of the interference lines i.e. their relative absorption, can be seen in the glass manufacturer's manual or can be determined during the basic calibration of the device. If the spectrometer is now operated with the lamp in the desired state, a certain intensity of the interference line results at the output of the spectrometer, that is to say in its detector. If the brightness of the lamp changes now, the intensity of the interference line changes accordingly, so that the new light intensity of the lamp can be easily calculated. The intensity of the other lines to be determined in the spectrum can be corrected accordingly.
  • the change in the light intensity can be determined at several wavelengths. It can thus be determined whether the lamp intensity has changed or whether the light attenuation in the transmission path has changed, for example due to glass broken fiber or due to shifted light coupling points. Changes in the transmission link would result in a uniform change in intensity at all wavelengths.
  • the light intensity of an incandescent lamp changes, for example due to voltage fluctuations, its temperature changes, which, owing to Planck's law of radiation, leads to a known deformation of the lamp spectrum which can be seen in tables and which the evaluation device recognizes and for all wavelengths can take into account accordingly. In this way, intensity corrections can be carried out on the measurement results with high precision for all wavelengths.
  • the features of claim 3 are also advantageous.
  • the position of the drive that is to say the angular position of the grating in the case of a grating spectrometer, must always be known exactly according to the prior art. Because e.g. due to wear and tear, a zero value must be determined mechanically and fed to the evaluation device for calibration so that it can determine the associated wavelength from time to time when passing through this zero value. This can be omitted according to the invention if known interference lines are determined in their wavelength, on the basis of which the relative position of the determined spectrum can be corrected with respect to the absolute wavelengths of the interference lines.
  • a spectrometer grating is driven by a continuously running stepper motor via a sinusoidal drive, for example by means of a connecting rod
  • the evaluation device suffices for the step pulses of the motor, the predetermined drive form (for example sinusoidal) of the transmission and the position of the interference lines to be able to specify the respective wavelength precisely with every position of the spectrometer.
  • the predetermined drive form for example sinusoidal
  • the features of claim 5 are also advantageous.
  • the construction according to the invention can correct the fluctuating light intensity of a lamp by means of constant comparative measurements, for example each time a spectrometer continuously scans the spectrum.
  • 1 is a schematic representation of the structure of a spectrometer with associated light guides
  • Fig. 2a - d some spectra appearing in the spectrometer of Fig. 1 and
  • a lamp 1 radiates light in the direction of the arrow into the beam end 2 of an illuminating light guide 3, which consists of a fiber bundle with a large number of optical fibers, which are arranged in a closely packed bundle in the usual construction and are provided with a common sheath. Suitable types of glass are used for the fibers, for example.
  • the fibers of the illuminating light guide 3 run into a coupling light guide 5 together with the fibers of a transmission light guide 6 designed in accordance with the illuminating light guide 3.
  • the fibers of the illuminating light guide 3 and of the transmission light guide 6 run together in a mixed arrangement through the coupling light guide 5 to its coupling end 7, where, as shown by arrows, light is emitted from the fibers originating from the illumination light guide 3 and retroreflected light is radiated into the fibers of the transmission light guide 6.
  • the coupling end 7 of the coupling light guide 5 is opposite or in contact with an object to be examined, for example the skin 8 of a patient to be examined.
  • the retroreflected light runs through the transmission light guide 6 to the entry slit 9 of a grating spectrometer 10.
  • an entry beam 11 with a cross-sectional shape of the entry gap 9 is thrown from the entry slit 9 onto a grating plate 13 arranged on a plate 12 with adjustable angles, and from there as a diffracted beam 14 after being blocked by an exit slit 15 onto a detector 16 which detects the intensity quantity of the diffracted beam 14 is determined.
  • the entire spectrum can be traversed and all the wavelengths of the light reflected by the skin 8 can be determined in terms of their intensity with high spectral resolution.
  • the width of the entrance slit 9 and the exit slit 15 determine the spectral resolution.
  • the areas of the column determine the light yield, that is to say the light intensity that can be detected by the detector 16 and thus the light sensitivity of the grating spectrometer 10.
  • grating spectrometers have a low light sensitivity due to their design, to resolve spectral structures of low intensity, it is necessary to ensure that the light losses are as small as possible over the entire light transmission path from lamp 1 to detector 16. In particular, the light retroreflected by the skin 8 must be transmitted as completely as possible to the detector 16 without loss of light.
  • the emission end 17 of the transmission light guide 6, which is located towards the entry slit 9, differs from its otherwise e.g. round cross-sectional shape flattened.
  • the normal cross-sectional shape of the transmission light guide 6 is round. With a gradual transition, this cross-section merges into the end cross-section, which is elongated and rectangular, precisely in the shape of the entry gap 9.
  • the radiating end 17 can be fitted into the entry gap 9 and form the entry gap directly. In this way, light coupling losses during the transition from the transmission light guide 6 to the grating spectrometer 10 are completely avoided.
  • the coupling of the transmission light guide 6 to the entry gap 9 can also be done differently, e.g. by means of a coupling optics.
  • FIGS. 2a to d A few spectra are shown in FIGS. 2a to d, namely between the wavelength limit values 400 and 1200 nanometers, between which the spectrometer shown in FIG. 1 is operated in one exemplary embodiment.
  • These wavelength limit values result from the drive (not shown) which drives the plate 12 rotating the grating plate 13 and which can be adjusted between end angle values which are assigned to the wavelength limit values.
  • Fig. 2a shows the intensity spectrum of the lamp 1, namely in a solid line at the target voltage of one used Incandescent lamp and in dashed lines at a lower intensity, i.e. at a lower lamp voltage. It can be seen that, according to Planck's law of radiation, the spectrum is not only lower, but also of a different curve shape, with the maximum shifting to longer wavelengths. At higher lamp voltages there would be a shift of the maximum to the left with a corresponding increase in the maximum.
  • 2b shows the transparency of the light guides in a strongly schematized example.
  • the light guides consist, for example, of glass fibers of a certain glass material which has interfering atoms which lead to the two absorption lines shown, referred to as interfering lines S j and S. Their intensity (line height) and wavelength position can be measured with suitable means or taken from the glass manual.
  • 2b shows a solid line the transparency spectrum of the light guide in the proper state and in dashed lines with loss of intensity, which can occur due to incorrect coupling, for example, of the radiation end 2 of the illuminating light guide 3 with respect to the lamp 1 or, for example, due to breakage of glass fibers after un ⁇ proper handling of the light guide. It can be seen that there is a constant parallel shift of the spectrum at all wavelengths.
  • 2c shows the reflection spectrum of the skin, determined by light reflection on the skin 8, with a characteristic absorption line B, which is caused by a substance to be determined in the patient's blood, for example oxygen-saturated hemoglobin.
  • FIG. 2d shows the resulting intensity spectrum, determined by the spectrometer 10 with its detector 16 when the wavelength range is traversed, which results from the multiplication of the spectra of FIGS. 2a, 2b and 2c.
  • the intensity of line B should be determined precisely during a measurement, since the intensity of this line determines the concentration of the speaking substance, for example the oxygen-saturated hemoglobin, in the patient's blood. If the intensity of the lamp according to FIG. 2a would now decrease, for example due to voltage fluctuations, or if the transparency of the light guide were reduced, as shown in curve 2b, there would be a total intensity reduction in the measured spectrum according to FIG would lead to an incorrect determination of the intensity of line B. However, these intensity changes would also change the intensities of the interference lines S ⁇ and S2 determined in the spectrum according to FIG. 2d. However, since these intensities are known, the intensity of line B can be compared with the known intensities of lines S j and S2 using a correction calculation, and the true value can thus be determined.
  • the intensity of line B can be compared with the known intensities of lines S j and S2 using a correction calculation, and the true value can thus be determined.
  • the evaluation device 18 shown in FIG. 1 is used for this purpose, which is designed, for example, as a computer and is connected to the detector 16 with a measuring line 19. Via a further line 20, the evaluation device 18 receives angular position signals from the spectrometer 1, from which it can determine the wavelength set in each case by the spectrometer 10.
  • the evaluation device 18 can determine whether the intensity of the lamp according to FIG. 2 a or the transparency of the light guide according to FIG. 2 b has changed, and can accordingly determine the intensity of the to correct the determining line B.
  • the evaluation device 18 can take into account the resulting different curve shapes of the spectrum with different lamp voltages. It can calculate the respective curve of the spectrum or take it from an input family of curves. As a result, the light intensities can be taken into account precisely at all wavelengths.
  • FIG. 3 shows in a diagram in the upper part the representation of FIG. 2d in a schematic form, that is to say the spectrum between the wavelength limit values determined by the spectrometer 10.
  • the wavelength set at a time is plotted as a function of time in the case of a continuously scanning spectrometer.
  • the spectrometer 10 is a spectrometer whose drive (not shown in FIG. 1) consists of a continuously running motor, for example a stepper motor, with a sinusoidal drive, for example a connecting rod drive, the rotary movement of the plate 12 which supports the grating plate 13 derives.
  • the wavelength set in the spectrometer 10 is therefore, as shown, sinusoidally dependent on the measuring time t.
  • the interference lines S ⁇ and S2 given in the example in FIG. 2d and the line B to be determined are therefore determined during the continuous sinusoidal traversing of the spectrum at the points designated on the time axis.
  • the wavelengths L j and L2 associated with the known interference lines S j and S2 are known and can be input to the evaluation device 18 in a table.
  • the sinusoidal drive shape is predetermined from the structure of the spectrometer 10 and can be entered into the evaluation device 18 in a corresponding curve or tabular form.
  • the evaluation device 18 can receive the step pulses of the motor from the spectrometer 10, for example, via the line 20 shown in FIG. A mechanical zero value determination or information about the direction in which the motor is running are not necessary, since the extreme points of the sine curve shown in FIG. 3 can be determined from the symmetrical position of the recurrent interference lines S j and S2.
  • the intensities of the interference lines S j and S2 are taken into account at time intervals when the spectrum is scanned. Fluctuations in the light intensity of the lamp 1, as shown in FIG. 2a, can therefore only be taken into account at time intervals. Short-term fluctuations in the intensity of the lamp, which are shorter than the time interval between the determinations of the intensities of the interference lines S 1 and S 2, as shown in FIG. 3, cannot be corrected by the evaluation device 18 in this way.
  • a light sensor in the form of a simple photocell 21 is provided, which looks at the light from the lamp 1 and is connected to the evaluation device 18 by a line 22.
  • the photocell 21 should be designed to measure as quickly as possible. Their training and wiring for measured value acquisition can, however, be provided very simply, in particular without long-term stability and therefore very inexpensively, since only relative intensity fluctuations have to be reproduced exactly over a very short period of time with the photocell 21. 3, the time intervals between the recurring measurements of the Interference lines S j and S2, the evaluation device 18 can absolutely determine the light intensity of the lamp 1. In the intervening time interval, it can correct the intensity of the lamp from the measured values of the photocell 21.
  • a grating spectrometer 10 is provided as the spectrometer.
  • another spectrometer can also be used within the scope of the invention, for example a semiconductor spectrometer with photosensitive CCD arrays.

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Abstract

Ein Spektrometer zur Bestimmung des Spektrums eines von einer breitbandig strahlenden Lampe bestrahlten Mediums, mit einem Lichtleiter zur Übertragung des Lichtes vom Meßort zum Spektrometer und/oder von der Lampe zum Meßort und mit einer Auswerteinrichtung zur Erfassung und rechnerischen Verarbeitung der von einem am Ausgang des Spektrometers angeordneten Detektor erfaßten Lichtintensität in Abhängigkeit von der vom Spektrometer selektierten Wellenlänge ist dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter aus einem optischen Material mit durch Absorption Störlinien hervorrufenden Verunreinigungen besteht, wobei die Konzentration der Verunreinigugen und die Länge des Lichtleiters derart gewählt sind, daß die sich ergebenden Intensitäten der Störlinien im Empfindlichkeitsbereich des Spektrometers liegen, und daß das Spektrometer und die Auswerteinrichtung derart ausgebildet sind, daß bei wiederholten Vergleichsmessungen die Intensitäten wenigstens einer Störlinie bestimmt werden.

Description

Spektrometer
Die Erfindung betrifft ein Spektrometer der im Oberbegriff des An¬ spruches 1 genannten Art.
Derartige Spektrometer können zur Bestimmung eines nach Be¬ strahlung erhaltenen Spektrums eines bestrahlten Mediums verwen¬ det werden, und zwar wahlweise bei Durchstrahlung von oder Re¬ flexion an dem bestrahlten Medium. Aus dem erhaltenen Spektrum kann auf die chemische Zusammensetzung des Mediums geschlos¬ sen werden. Die in der Regel von einem Computer gebildete Aus¬ werteinrichtung kann im Spektrum nach charakteristischen Linien bestimmter Substanzen suchen und diese aus Störungen selektieren. Durch Feststellung solcher Linien kann qualitativ eine bestimmte Substanz und durch Auswertung der Linienintensität deren Quanti¬ tät bestimmt werden. Die Verwendung von Lichtleitern, insbeson¬ dere von flexiblen Lichtleitern, die beispielsweise aus Glasfaser¬ bündeln bestehen, ermöglicht eine verlustfreie Lichtführung, um hohe Empfindlichkeiten zu erreichen. Ein Spektrometer der eingangs genannten Art ist aus der EP 0 377 737 AI bekannt, die die Verwendung von Lichtleitern zur Übertragung des Lichtes zwischen Lampe, bestrahltem Medium und Spektrometer zeigt.
Ferner ist aus der DE 31 36 448 AI ein phaseroptisches Meßgerät bekannt, bei dem mittels zweier möglichst identischer dotierter Glasfilter mit Absorptionsbanden ein Stabilisierungssignal für die Übertragungsstrecke erzeugt wird.
Aus der GB 2 189 623 A ist es bekannt, aus dem Lampenlicht über Filter zwei Wellenlängen zu Vergleichszwecken zu bestimmen.
Aus der JP 3-31745 A in Patents Abstracts of Japan, P-1195, April 25, 1991, Vol. 15, No. 166 ist es bekannt, bei einem Spektrometer im Spektrum bestimmte Wellenlängen zu ermitteln und nach Ver¬ rechnung zur Eichung und zur Steuerung des Spektrometerantriebes zu verwenden.
Aus der US 4,822,168 ist es bekannt, bei einem Spektrometer aus dem von dem Medium kommenden Licht einen Teilstrahl einer Meßeinrichtung zu Vergleichszwecken zuzuführen.
Nachteilig bei bekannten Spektrometern der eingangs genannten Art ist die Abhängigkeit der gemessenen Linienintensitäten von der Helligkeit der verwendeten Lampe. Es sind aufwendige Regelungen zur Konstanthaltung der Lichtintensität der Lampe oder konstruktiv aufwendige zusätzliche Meßeinrichtungen erforderlich. Auch bei der Lichtübertragung mit Lichtleitern können sich Intensitäts¬ schwankungen ergeben, beispielsweise durch mechanische Verstellungen von Lichtkoppelstellen oder durch teilweisen Bruch von Lichtleitern. Es sind daher ständig wiederholte Eichmessungen oder aufwendige Kompensationseinrichtungen erforderlich, die zu hohem Arbeitsaufwand führen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Spektrometer der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem mit einfachem konstruktivem Aufbau und verringertem Arbeitsaufwand durch Eichmessungen hochgenaue Messungen möglich sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles des Anspruches 1 gelöst.
Die Erfindung macht sich zunutze, daß Lichtleiter handelsüblch verfügbar sind, bei denen das verwendete optische Material Verun¬ reinigungen aufweist, das in Störlinien Lichtabsorption hervorruft. Mit der Erfindung werden diese Störlinien zur Lichtintensitätsei¬ chung verwendet. Die Intensität der Störlinien, also deren relative Absorption, ist aus dem Handbuch des Glasherstellers ersehbar oder kann bei der Grundeichung des Gerätes ermittelt werden. Wird nun das Spektrometer mit Lampe im Sollzustand betrieben, so ergibt sich am Ausgang des Spektrometers, also in dessen Detektor, eine bestimmte Intensität der Störlinie. Ändert sich jetzt die Hellig¬ keit der Lampe, so ändert sich entsprechend die Intensität der Stör¬ linie, so daß die neue Lichtintensität der Lampe einfach errechnet werden kann. Die übrigen im Spektrum zu bestimmenden Linien können in ihrer Intensität entsprechend korrigiert werden. Werden solche Vergleichsmessungen von Zeit zu Zeit wiederholt, so kann auch bei schwankender Lampenintensität diese ständig erfaßt und rechnerisch kompensiert werden. Die üblichen Eichmessungen an Standardmedien mit ihrem entsprechenden Arbeitsaufwand können also entfallen. Die laufenden Vergleichsmessungen können vom Spektrometer automatisch von Zeit zu Zeit durchgeführt werden, so daß die Gerätebedienung wesentlich vereinfacht und die Arbeitszeit verkürzt wird.
Vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 2 vorgesehen. Wer¬ den die Intensitäten zweier oder mehrerer Störlinien bestimmt, so kann die Änderung der Lichtintensität bei mehreren Wellenlängen bestimmt werden. Es kann damit festgestellt werden, ob sich die Lampenintensität geändert hat oder ob sich die Lichtabschwächung in der Übertragungsstrecke geändert hat, beispielsweise durch Glas- faserbruch oder durch verschobene Lichtkoppelstellen. Bei Ände¬ rungen in der Übertragungsstrecke ergäbe sich eine gleichmäßige Intensitätsänderung bei allen Wellenlängen. Ändert sich aber die Lichtintensität einer Glühlampe, beispielsweise aufgrund von Span¬ nungsschwankungen, so verändert sich deren Temperatur, was auf¬ grund des Planck'schen Strahlungsgesetzes zu einer bekannten, aus Tabellen entnehmbaren Verformung des Lampenspektrums führt, die die Auswerteinrichtung erkennen und für alle Wellenlängen ent¬ sprechend berücksichtigen kann. Dadurch lassen sich Intensitätskor¬ rekturen an den Meßergebnissen hochgenau für alle Wellenlängen durchführen.
Weiterhin vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 3 vorgese¬ hen. Bei derartigen Spektrometern, die ein Spektrum scannend ab¬ fahren, muß nach dem Stand der Technik die Lage des Antriebes, also bei einem Gitterspektrometer die Winkelstellung des Gitters, stets genau bekannt sein. Da sich im Antrieb z.B. aufgrund von Verschleiß Verschiebungen ergeben können, muß mechanisch ein Nullwert ermittelt und der Auswerteinrichtung zur Eichung zuge¬ führt werden, damit diese von Zeit zu Zeit beim Durchfahren dieses Nullwertes die zugehörige Wellenlänge festlegen kann. Dies kann erfindungsgemäß entfallen, wenn in ihrer Wellenlänge bekannte Störlinien ermittelt werden, anhand deren die relative Lage des er¬ mittelten Spektrums in bezug auf die absoluten Wellenlängen der Störlinien korrigiert werden kann.
Vorteilhaft sind dabei die Merkmale des Anspruches 4 vorgesehen. Wird beispielsweise ein Spektrometergitter über einen sinusförmi¬ gen Antrieb, z.B. mittels Pleuelstange von einem kontinuierlich lau¬ fenden Schrittmotor angetrieben, so genügen der Auswerteinrich¬ tung die Schrittimpulse des Motors, die vorgegebene Antriebsform (z.B. sinusförmig) des Getriebes und die Lage der Störlinien, um hochgenau bei jeder Stellung des Spektrometers die jeweilige Wel¬ lenlänge angeben zu können. Auf diese Weise lassen sich konstruk¬ tiv sehr einfache, hinsichtlich der absoluten Wellenlängenbe¬ stimmung hochgenaue Spektrometer bauen. Weiterhin vorteilhaft sind die Merkmale des Anspruches 5 vorgese¬ hen. Die erfindungsgemäße Konstruktion kann durch ständige Ver¬ gleichsmessungen, z.B. bei jedem Durchlauf eines laufend das Spektrum scannenden Spektrometers, die schwankende Lichtinten¬ sität einer Lampe korrigieren. Dabei können allerdings nur lang¬ same Schwankungen der Lampe korrigiert werden, die langsamer sind als der zeitliche Abstand zwischen Vergleichsmessungen. Schnellere Intensitätsschwankungen der Lampe können jedoch mit dem Lichtsensor ermittelt werden, wobei dieser in sehr einfachem Meßaufbau ohne größere Stabilitätsanforderungen vorgesehen sein kann, da er nur kurzzeitige Schwankungen der Lichtintensität und diese auch nur relativ bestimmen muß.
In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und schema¬ tisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaues eines Spektro¬ meters mit zugehörigen Lichtleitern,
Fig. 2a - d einige in dem Spektrometer der Fig. 1 auftretende Spektren und
Fig. 3 eine Darstellung des gemessenen Spektrums unter Berück¬ sichtigung der Antriebscharakteristik des Spektrome¬ ters.
Eine Lampe 1 strahlt in Pfeilrichtung Licht in das Einstrahlende 2 eines Beleuchtungslichtleiters 3, der aus einem Faserbündel mit ei¬ ner großen Zahl von Lichtleitfasern besteht, die in üblicher Kon¬ struktion in einem eng gepackten Bündel angeordnet und mit einer gemeinsamen Ummantelung versehen sind. Für die Fasern werden beispielsweise geeignete Glassorten verwendet.
An einer Gabelung 4 laufen die Fasern des Beleuchtungslichtleiters 3 in einen Koppellichtleiter 5 zusammen mit den Fasern eines ent¬ sprechend dem Beleuchtungslichtleiter 3 ausgebildeten Übertra¬ gungslichtleiters 6. Die Fasern des Beleuchtungslichtleiters 3 und des Übertragungslichtleiters 6 laufen gemeinsam in vermischter Anordnung durch den Koppellichtleiter 5 bis zu dessen Koppelende 7, wo, wie mit Pfeilen dargestellt, Licht von den vom Beleuchtungslichtleiter 3 stammenden Fasern abgestrahlt und rück¬ gestrahltes Licht in die Fasern des Übertragungslichtleiters 6 einge¬ strahlt wird.
Das Koppelende 7 des Koppellichtleiters 5 befindet sich gegenüber oder in Anlage mit einem zu untersuchenden Gegenstand, bei¬ spielsweise der Haut 8 eines zu untersuchenden Patienten.
Das rückgestrahlte Licht läuft über den Übertragungslichtleiter 6 bis zum Eintrittsspalt 9 eines Gitterspektrometers 10.
Im Gitterspektrometer 10 wird vom Eintrittsspalt 9 ein Ein¬ trittsstrahl 11 mit Querschnittsform des Eintrittsspaltes 9 auf eine auf einem Teller 12 winkeleinstellbar angeordnete Gitterplatte 13 geworfen und von dieser als gebeugter Strahl 14 nach Ausblendung durch einen Austrittsspalt 15 auf einen Detektor 16, der die Inten¬ sität des gebeugten Strahles 14 bestimmt.
Durch Verdrehen des Tellers 12 des Gitterspektrometers 10 läßt sich das gesamte Spektrum durchfahren und lassen sich alle Wel¬ lenlängen des von der Haut 8 rückgestrahlten Lichtes in hoher Spektralauflösung auf ihre Intensität bestimmen. Dabei bestimmen jeweils die Breite des Eintrittsspaltes 9 und des Austrittsspaltes 15 die Spektralauflösung. Die Flächen der Spalte bestimmen die Lichtausbeute, also die vom Detektor 16 erfaßbare Lichtintensität und somit die Lichtempfindlichkeit des Gitterspektrometers 10.
Da Gitterspektrometer bauartbedingt eine geringe Lichtemp¬ findlichkeit haben, ist es zur Auflösung intensitätsschwacher Spek¬ tralstrukturen erforderlich, auf dem gesamten Lichtübertragungs¬ weg von der Lampe 1 bis zum Detektor 16 auf möglichst geringe Lichtverluste zu achten. Insbesondere muß das von der Haut 8 rückgestrahlte Licht mög¬ lichst vollständig zum Detektor 16 ohne Lichtverluste übertragen werden.
Dazu ist das zum Eintrittsspalt 9 hin gelegene Abstrahlende 17 des Übertragungslichtleiters 6 abweichend von dessen ansonsten z.B. runder Querschnittsform abgeflacht ausgebildet. Die normale Quer¬ schnittsform des Übertragungslichtleiters 6 ist rund. Mit allmähli¬ chem Übergang geht dieser Querschnitt in den Endquerschnitt über, der langgestreckt rechteckig ausgebildet ist, und zwar genau in der Form des Eintrittsspaltes 9. Das Abstrahlende 17 kann in den Ein¬ trittsspalt 9 eingepaßt sein und unmittelbar den Eintrittsspalt ausbil¬ den. Auf diese Weise werden Lichteinkoppelverluste beim Über¬ gang vom Übertragungslichtleiter 6 auf das Gitterspektrometer 10 vollständig vermieden.
Die Einkoppelung des Übertragungslichtleiters 6 an den Eintritts¬ spalt 9 kann jedoch auch anders, z.B. mittels einer Koppeloptik, er¬ folgen.
An der Koppelstelle zwischen dem Koppelende 7 des Koppel¬ lichtleiters 5 mit der Haut 8 werden ebenfalls Lichtverluste vermie¬ den dadurch, daß auf der gesamten Endfläche des Koppelendes 7 Licht sowohl ein- als auch ausgestrahlt wird, so daß auch hier kein Licht verloren geht.
In den Fig. 2a bis d sind einige Spektren dargestellt, und zwar zwi¬ schen den Wellenlängengrenzwerten 400 und 1200 Nanometer, zwischen denen das in Fig. 1 dargestellte Spektrometer in einem Ausführungsbeispiel betrieben wird. Diese Wellenlängengrenzwerte ergeben sich durch den nicht dargestellten, den die Gitterplatte 13 drehenden Teller 12 antreibenden Antrieb, der zwischen Win¬ kelendwerten, die den Wellenlängengrenzwerten zugeordnet sind, verstellbar ist.
Fig. 2a zeigt das Intensitätsspektrum der Lampe 1, und zwar in durchgezogener Linie bei Sollspannung einer verwendeten Glühlampe und in gestrichelter Linie bei geringerer Intensität, also bei niedrigerer Lampenspannung. Man sieht, daß nach dem Planck'schen Strahlungsgesetz das Spektrum nicht nur niedriger, sondern auch von anderer Kurvenform ist, wobei sich das Maxi¬ mum zu längeren Wellenlängen verschoben hat. Bei höheren Lam¬ penspannungen ergäbe sich eine Verschiebung des Maximums nach links bei entsprechender Vergrößerung des Maximums.
Fig. 2b zeigt die Transparenz der Lichtleiter in einem stark sche¬ matisierten Beispiel. Die Lichtleiter bestehen z.B. aus Glasfasern eines bestimmten Glasmateriales, das Störatome aufweist, die zu den beiden dargestellten, als Störlinien Sj und S bezeichneten Ab¬ sorptionslinien fuhren. Deren Intensität (Linienhöhe) und Wellen¬ längenlage kann mit geeigneten Mitteln vermessen oder dem Glas¬ handbuch entnommen werden. Fig. 2b zeigt mit durchgezogener Linie das Transparenzspektrum des Lichtleiters in ordnungsgemä¬ ßem Zustand und in gestrichelter Linienführung bei Intensitäts¬ verlust, der auftreten kann durch Fehlkopplungen beispielsweise des Einstrahlendes 2 des Beleuchtungslichtleiters 3 gegenüber der Lampe 1 oder beispielsweise durch Bruch von Glasfasern nach un¬ sachgemäßer Behandlung des Lichtleiters. Man sieht, daß dabei sich bei allen Wellenlängen eine konstante Parallelverschiebung des Spektrums ergibt.
Fig. 2c zeigt das durch Lichtreflexion an der Haut 8 bestimmte Re- flexionsspektrum der Haut mit einer charakteristischen Absorpti¬ onslinie B, die von einer zu bestimmenden Substanz im Blut des Patienten hervorgerufen wird, beispielsweise von sauerstoffgesät¬ tigtem Hämoglobin.
Fig. 2d zeigt das resultierende, vom Spektrometer 10 mit seinem Detektor 16 beim Abfahren des Wellenlängenbereiches ermittelte Intensitätsspektrum, das sich aus der Multiplikation der Spektren der Fig. 2a, 2b und 2c ergibt.
Die Intensität der Linie B soll bei einer Messung genau bestimmt werden, da die Intensität dieser Linie die Konzentration der ent- sprechenden Substanz, also beispielsweise des sauerstoffgesättigten Hämoglobins, im Blut des Patienten wiedergibt. Würde sich jetzt die Intensität der Lampe gemäß Fig. 2a z.B. durch Spannungs¬ schwankungen verringern oder würde die Transparenz des Licht¬ leiters sich verringern, wie in Kurve 2b dargestellt, so ergäbe sich im gemessenen Spektrum gemäß Fig. 2d eine Gesamtintensi- tätsverringerung, die zu einer Fehlbestimmung der Intensität der Linie B führen würde. Diese Intensitätsveränderungen würden aber auch die im Spektrum gemäß Fig. 2d bestimmten Intensitäten der Störlinien S^ und S2 verändern. Da diese Intensitäten aber bekannt sind, kann mit einer Korrekturrechnung die Intensität der Linie B mit den bekannten Intensitäten der Linien Sj und S2 verglichen und somit der wahre Wert ermittelt werden.
Dazu dient die in Fig. 1 dargestellte Auswerteinrichtung 18, die beispielsweise als Computer ausgebildet ist und mit einer Meßlei¬ tung 19 an den Detektor 16 angeschlossen ist. Über eine weitere Leitung 20 erhält die Auswerteinrichtung 18 Winkelstellungssignale vom Spektrometer 1, woraus sie die jeweils vom Spektrometer 10 eingestellte Wellenlänge bestimmen kann.
Durch ständig wiederholte Bestimmung der Intensitäten wenigstens einer der Störlinien S^ oder S2 kann die Auswerteinrichtung 18 feststellen, ob sich die Intensität der Lampe gemäß Fig. 2a oder die Transparenz des Lichtleiters gemäß Fig. 2b verändert hat, und kann entsprechend die ermittelte Intensität der zu bestimmenden Linie B korrigieren.
Die Auswerteinrichtung 18 kann bei Intensitätsänderungen der Lampe gemäß Fig. 2a die sich ergebenden unterschiedlichen Kur¬ venformen des Spektrums bei unterschiedlichen Lampenspannungen berücksichtigen. Sie kann die jeweilige Kurve des Spektrums be¬ rechnen oder einer eingegebenen Kurvenschar entnehmen. Dadurch können die Lichtintensitäten bei allen Wellenlängen genau berück¬ sichtigt werden. Dabei kann unterschieden werden zwischen kon¬ stanten Abschwächungen bei Störungen im Lichtleiter (Fig. 2b) oder bei wellenlängenabhängigen Abschwächungen durch verän¬ derte Lampenintensität (Fig. 2a).
Werden, wie in Fig. 2a bis d dargestellt, zwei Störlinien Sj und S2 berücksichtigt, so lassen sich bei zwei Wellenlängen L^ und L2 Schwankungen der Intensität der Lampe (Fig. 2a) bzw. des Licht¬ leiters (Fig. 2b) feststellen. Ändern sich die Intensitäten von S^ und S2 unterschiedlich, so steht fest, daß keine Änderung der Transpa¬ renz des Lichtleiters vorliegt, was zu wellenlängenkonstanter Inten- sitätsabschwächung führen würde, sondern eine Änderung bei der Lampe vorliegt, was zu einem formveränderten Lampenspektrum führt, wie in Fig. 2a dargestellt. Aus z.B. tabellarisch eingegebenen unterschiedlichen Lampenspektren für unterschiedliche Glühtempe¬ raturen einer Glühlampe kann die Auswerteinrichtung 18 die aktu¬ elle Intensitätskurve der Lampe berechnen und bei der Korrektur der Linie B bei deren Wellenlänge berücksichtgen.
Fig. 3 zeigt in einem Diagramm im oberen Teil die Darstellung der Fig. 2d in schematisierter Form, also das vom Spektrometer 10 be¬ stimmte Spektrum zwischen den Wellenlängengrenzwerten. Im un¬ teren Teil der Darstellung ist bei einem kontinuierlich scannenden Spektrometer die jeweils zu einem Zeitpunkt eingestellte Wellen¬ länge in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen.
Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Spektrometer, des¬ sen in Fig. 1 nicht dargestellter Antrieb aus einem kontinuierlich laufenden Motor, z.B. einem Schrittmotor, mit einem sinusförmi¬ gen Antrieb, also beispielsweise einem Pleuelstangenantrieb, die Drehbewegung des die Gitterplatte 13 tragenden Tellers 12 ableitet. Die jeweils im Spektrometer 10 eingestellte Wellenlänge ist daher, wie dargestellt, sinusförmig von der Meßzeit t abhängig. Die im Beispiel der Fig. 2d angegebenen Störlinien S^ und S2 sowie die zu bestimmende Linie B werden daher beim ständigen sinusförmigen Durchlaufen des Spektrums zu den auf der Zeitachse bezeichneten Punkten ermittelt. Die den bekannten Störlinien Sj und S2 zugehörigen Wellenlängen Lj und L2 sind bekannt und können der Auswerteinrichtung 18 in einer Tabelle eingegeben werden. Die sinusförmige Antriebsform ist aus dem Aufbau des Spektrometers 10 vorgegeben und kann der Auswerteinrichtung 18 in entsprechender Kurven- oder Tabellen¬ form eingegeben sein. Die Auswerteinrichtung 18 kann über die in Fig. 1 angegebene Leitung 20 vom Spektrometer 10 beispielsweise die Schrittimpulse des Motors empfangen und somit aus der zeitli¬ chen Zuordnung des Erkennens der Störlinien S^ und S2 zu jedem Zeitpunkt die jeweils eingestellte Wellenlänge berechnen. Eine me¬ chanische Nullwertermittlung oder Angaben über die Richtung, in der der Motor läuft, sind nicht erforderlich, da aus der symmetri¬ schen Lage der wiederkehrend Störlinien Sj und S2 die Extrem¬ punkte der in Fig. 3 dargestellten Sinuskurve bestimmbar sind.
Wie Fig. 3 zeigt, werden beim Scannen des Spektrums die In¬ tensitäten der Störlinien Sj und S2 in zeitlichen Abständen berück¬ sichtigt. Schwankungen der Lichtintensität der Lampe 1, wie in Fig. 2a dargestellt, können daher nur in zeitlichen Abständen be¬ rücksichtigt werden. Kurzzeitige Intensitätsschwankungen der Lampe, die kürzer sind als der zeitliche Abstand zwischen den Be¬ stimmungen der Intensitäten der Störlinien S^ und S2, wie in Fig. 3 dargestellt, lassen sich auf diese Weise von der Auswerteinrichtung 18 nicht korrigieren.
Daher ist, wie Fig. 1 zeigt, ein Lichtsensor in Form einer einfachen Fotozelle 21 vorgesehen, die das Licht der Lampe 1 betrachtet und mit einer Leitung 22 an die Auswerteinrichtung 18 angeschlossen ist.
Die Fotozelle 21 soll möglichst schnell messend ausgebildet sein. Ihre Ausbildung und Beschaltung zur Meßwerterfassung kann aber sehr einfach, insbesondere ohne Langzeitstabilität und somit sehr kostengünstig vorgesehen sein, da mit der Fotozelle 21 nur relative Intensitätsschwankungen über einen sehr kurzen Zeitraum genau wiedergegeben werden müssen. Zu den aus Fig. 3 ersichtlichen zeitlichen Abständen zwischen den wiederkehrenden Messungen der Störlinien Sj und S2 kann die Auswerteinrichtung 18 die Lichtin¬ tensität der Lampe 1 absolut bestimmen. Im dazwischenliegenden Zeitintervall kann sie die Intensität der Lampe aus den Meßwerten der Fotozelle 21 korrigieren.
Bei der Ausführungsform der Fig. 1 ist als Spektrometer ein Gitter¬ spektrometer 10 vorgesehen. Es kann jedoch im Rahmen der Erfin¬ dung auch ein anderes Spektrometer verwendet werden, beispiels¬ weise ein Halbleiterspektrometer mit fotosensitiven CCD-Arrays.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Spektrometer zur Bestimmung des Spektrums eines von einer breitbandig strahlenden Lampe bestrahlten Mediums, mit ei¬ nem Lichtleiter zur Übertragung des Lichtes vom Meßort zum Spektrometer und/oder von der Lampe zum Meßort und mit einer Auswerteinrichtung zur Erfassung und rechneri¬ schen Verarbeitung der von einem am Ausgang des Spek¬ trometers angeordneten Detektor erfaßten Lichttintensität in Abhängigkeit von der vom Spektrometer selektierten Wel¬ lenlänge, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (3, 5, 6) aus einem optischen Material mit durch Absorption Störlinien (S , S ) hervorrufenden Verunreinigungen besteht, wobei die Konzentration der Verunreinigungen und die Länge des Lichtleiters derart gewählt sind, daß die sich ergebenden Intensitäten der Störlinien (S^, S2) im Emp¬ findlichkeitsbereich des Spektrometers (10) liegen, und daß das Spektrometer (10) und die Auswerteinrichtung (18) der¬ art ausgebildet sind, daß bei wiederholten Vergleichsmessun¬ gen die Intensitäten wenigstens einer Störlinie (S^, S2) be¬ stimmt werden.
2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vergleichsmessungen die Intensitätsverhältnisse von Störlinien (Sj, S2) bestimmt werden.
3. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem zur Wellenlängenselektion von einem kontinu¬ ierlich laufenden Motor über ein Getriebe zwischen zwei Wellenlängengrenzwerten kontinuierlich verstellbaren Spek¬ trometer, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteinri- chung (18) bei den Vergleichsmessungen die Lage der Störli¬ nien (Sj, S-)) mit der Stellung von Motor oder Getriebe ver¬ gleicht.
4. Spektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteinrichtung (18) aus der Lage der Störlinien (S S2), der Antriebsform des Motors und der Kinematik des Getriebes eine Wellenlängeneichung des Spektrometers (10) ausführt.
5. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Lampe (1) ein an die Auswerteinrichtung (18) angeschlossener Lichtsensor (Fotozelle 21) vorgesehen ist, der auf relative Lichtschwankungen innerhalb der Zeitabstände zwischen Vergleichsmessungen ausgewertet wird.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3136448A1 (de) * 1980-09-24 1982-06-24 ASEA AB, 72183 Västerås "faseroptisches messgeraet"
GB2189623A (en) * 1986-04-23 1987-10-28 Kollmorgen Tech Corp Remote reading spectrophotometer
EP0381053A1 (de) * 1989-01-28 1990-08-08 Shimadzu Corporation Verfahren zum Betrieb eines Spektrophotometers
DE4224299A1 (de) * 1992-07-23 1994-02-10 Ohle Klaus Michael Spektrometer

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