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Dokumentenidentifikation DE102006018513A1 25.10.2007
Titel Verfahren und Schaltung zur Verarbeitung von hinsichtlich spektraler Merkmale von Licht indikativen Signalen
Anmelder opsolution GmbH, 34119 Kassel, DE
Vertreter Beck & Rössig - European Patent Attorneys, 81679 München
DE-Anmeldedatum 19.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006018513
Offenlegungstag 25.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.10.2007
IPC-Hauptklasse G01J 3/28(2006.01)A, F, I, 20060419, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01N 21/25(2006.01)A, L, I, 20060419, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung richtet sich auf eine Verfahren sowie eine elektronische Schaltung zur Verarbeitung von Signalen die als solche Indikativ sind für Merkmale oder die Charakteristik der spektralen Verteilung von Licht das für eine spektrometrische Messung im Zusammenspiel mit einer LED-Lichtquelle bereitgestellt wird.

Aus DE 103 53 703 A1 ist ein mobiles Miniaturspektrometer bekannt durch welches insbesondere in vivo Stoffanalysen des menschlichen Gewebes durchgeführt werden können. Dieses Miniaturspektrometer ist mit einer Schnittstelle versehen über welche die jeweiligen Messdaten an eine zentrale Auswertungseinheit übertragen und dort ausgewertet werden können.

Zur Durchführung spektrometrischer Messungen ist es möglich LEDs als Lichtquellen zu verwenden. Diese LEDs können für spektrometrische Messungen derart ausgesucht werden, dass die Unterschiede der spektralen Emission von LED, die verursacht sind durch Unterschiede der Temperatur der emittierenden Schicht, für weite Temperaturbereiche (z. B. 5°C bis 40°C) in sehr guter Näherung dargestellt werden können durch eine Temperaturkompensationskurve (TKK), die entsprechend der genauen Temperaturdifferenz skaliert und in der Wellenlänge verschoben wird. Dies gilt vornehmlich für die Differenzen des Logarithmus der spektralen Intensitäten (oder hiervon linear abhängiger Größen) als Funktion der Wellenlänge.

Aus der vorgenannten Beziehung ergeben sich einige Möglichkeiten zur Korrektur etwaiger Störeinflüsse. In der auf die Anmelderin zurückgehenden deutschen Patentanmeldung DE 10 2005 063 263.7 ist explizit dargestellt bei der Messung an einem Objekt, dessen spektrale Charakteristik sich darstellen lässt aus einer oder mehreren Basisfunktionen, deren Amplitude z.B. abhängig sein kann von einer Stoffkonzentration im Messobjekt, bei Nutzung eines Least-square-Verfahrens oder einer äquivalenten Auswertung diese Temperaturkompensationskurve als weitere Basisfunktion zu betrachten. Der Inhalt jener Patentanmeldung ist durch die hiermit erfolgte Bezugnahme vollumfänglich in die vorliegende Anmeldung eingebunden.

Ein solches Anpassungsverfahren kann u.U. nur eingeschränkt angewendet werden, wenn über die wahre Messkurve kein detailiertes A-priori-Wissen verfügbar ist. Ein weiteres Problem ist, dass die Anpassung, d.h. das Finden der Parameter der Basisfunktionen, die z.B. von zu bestimmenden Stoffkonzentrationen abhängen sollen, auf Grund der größeren Anzahl von anzupassenden Basisfunktionen einerseits länger dauert und andererseits mit einer größeren Unsicherheit behaftet ist.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst, indem auf Basis einer Referenzmessung und mindestens zweier weiterer Messungen an derselben Referenz eine Referenzkurve für die spektrale Emission berechnet wird, die dann bei der Durchführung von Messungen an nahezu beliebigen Objekten als Referenz verwendet wird.

Diese Kurve wird so bestimmt, dass sie einer Kurve der spektralen Emission zu einer Temperatur entspricht, die außerhalb oder weit außerhalb des Temperaturbereichs liegt, in dem die Temperaturen der LED bei den Messungen tatsächlich liegen.

Je nach zur Verfügung stehenden spektralen Bereichen und je nach Stellung der exakten Messaufgabe kann es sinnvoll sein, solche Referenzkurven sowohl für eine Temperatur unterhalb (kalte Referenz) als auch für eine Temperatur oberhalb (heiße Referenz) der Temperaturen während der Messungen zu bestimmen.

Die weiteren Verfahrensschritte bei Durchführung einer Messung können dann sowohl unter Bezug auf die kalte Referenz als auch unter Bezug auf die heiße Referenz durchgeführt werden, die resultierenden Ergebnisse der spektralen Messung können zur Überprüfung miteinander verglichen und zur Verringerung der Messunsicherheit gemittelt werden.

Durch die Verwendung einer solchen extremen Referenz wird gewährleistet, dass das unkorrigierte Messspektrum nahezu unabhängig vom Messobjekt einem solchen Messspektrum sehr ähnlich wird, welches bei einer Messung an der Referenz, die auch zur Erzeugung der extremen Referenz verwendet wurde, entsteht. Entsprechend dem zu Grunde liegenden Verfahren kann aber jede Messung (logarithmisch dargestellt) an einer Referenz durch Subtraktion (oder Addition, je nach exakter formaler Darstellung) einer skalierten und verschobenen LED-typischen Temperaturkompensationskurve auf eine Messung bei einer anderen Temperatur abgebildet werden.

An einer Referenz kann die Bestimmung von Verschiebung und Skalierung sukzessive erfolgen: zunächst wird über die Bestimmung der Korrelation der vorab bestimmten Temperaturkompensationskurve mit der unkorrigierten Messkurve der Referenz für verschiedene Verschiebungen die Verschiebung maximaler Korrelation (maximaler Betrag des Pearson'schen Korrelationskoeffizienten) bestimmt. Im nächsten Schritt kann dann über ein Least-squares-Verfahren die beste Skalierung bestimmt werden.

Da nun die Beziehung zwischen Skalierung und Verschiebung linear ist, dies wird bereits bei der Erzeugung der extremen Referenz vorausgesetzt und benutzt, kann die Beziehung zwischen Skalierung und Verschiebung eindeutig aus drei Messungen an einer Referenz bei verschiedenen Temperaturen erfolgen. Aus zwei dieser Messungen wird die unverschobene Temperaturkompensationskurve als Logarithmus des Verhältnisses I1/I2 der jeweiligen spektralen Intensitäten oder einer von diesen linear abhängenden Größe bestimmt: TKK(lambda) = log10(I1(lambda)/I2(lambda)) = log10(I1(lambda)) – log10(I2(lambda))

Wird nun eine Messung unter Bezug auf die Größe I1 bei einer Temperatur entsprechend derjenigen zur Messung 2 durchgeführt erhält man die selbe Situation wie bei der Bestimmung der Temperaturkompensationskurve, d.h. der notwendige Korrekturterm ist genau die unverschobene Temperaturkompensationskurve. (Durch Subtraktion dieser Kurve von der Messkurve erhält man im Idealfall ein konstantes Spektrum mit dem Wert 0.) Das bedeutet, zur vollständigen Bestimmung der linearen Abhängigkeit der notwendigen Skalierung von der Verschiebung, reicht es aus, eine weitere Messung an einer Referenz durchzuführen, für die explizit Verschiebung und Skalierung bestimmt werden.

Mit Hilfe weiterer expliziter Bestimmungen von Skalierung und Verschiebung aus Messungen an der Referenz bei weiteren Temperaturen kann die messtechnisch bedingte Unsicherheit der Bestimmung der linearen Beziehung verringert werden.

Mit Hilfe dieser linearen Beziehung kann nun rechnerisch bestimmt werden, welche Werte bei einer beliebigen Temperatur die Referenzmessung ergeben würde. Dies wird bei der Bestimmung der extremen Referenz benutzt.

Wie oben schon erwähnt, wird durch den Bezug auf eine extreme Referenz sichergestellt, dass unabhängig vom Messobjekt eine unkorrigierte Messung des Spektrums, d.h. der Logarithmus des Verhältnisses der Werte der extremen Referenz zu den gemessenen Intensitäten (oder linear von den Intensitäten abhängenden Werten), einer unkorrigierten Messung an einer Referenz sehr ähnlich wird. Denn die unkorrigierten Messwerte (wie hier immer Logarithmus des Verhältnisses von Intensitäten) ergeben sich additiv aus den zu einer Messung bei der Messtemperatur an einer Referenz gehörenden Werten (unter Bezug auf die extreme Refernenz) und den Messwerten am Objekt, wie sie sich bei Messung am Objekt unter Bezug auf eine Referenz, die bei exakt der Messtemperatur aufgenommen worden wäre, ergeben. Letzte Größe hängt vom Objekt ab, die erste Größe kann durch die Festlegung der virtuellen Temperatur der extremen Referenz beeinflusst werden, so dass der Einfluss des Objektes auf die Form der unkorrigierten Messung abhängig von der Wahl der extremen Referenz sehr klein gemacht werden kann.

Ohne im Voraus zur Verfügung stehende Kenntnis über das Messobjekt ist es nun möglich, alleine aus der Messung am Messobjekt unter Bezug auf eine extreme Referenz durch ein wie oben beschriebenes Korrelationsverfahren die Verschiebung der notwendigen Temperaturkompensationskurve nahezu exakt zu bestimmen, und aus dieser Verschiebung unter Verwendung der vorher bestimmten Beziehung zwischen Verschiebung und Skalierung die vollständige, skalierte Temperaturkompensationskurve zu bestimmen, so dass mit dieser die Daten korrigiert werden können, so dass im Ergebnis ein Spektrum entsteht wie es auch bei einer Messung am Objekt unter Bezug auf eine Messung an der Referenz bei einer der Messtemperatur identischen Temperatur entstehen würde. Die korrigierten Messwerte werden unabhängig von der Temperatur.

Diese Verfahren kann insbesondere immer dann vorteilhaft angewendet werden, wenn es möglich ist, eine extreme Referenz so festzulegen, dass es spektrale Bereiche gibt, in denen, etwas lax ausgedrückt, der Einfluss der Temperatur auf die Form der unkorrigierten Messung den Einfluss des Messobjekts auf die Form dominiert. Es ist nicht notwendig, dass diese Bedingung im gesamten erfassten Spektralbereich erfüllt ist.

Weiterhin ist wegen der Linearität der Beziehung zwischen Skalierung und Verschiebung sogar eine Übertragung der Korrektur aus der Information über die Verschiebung, die aus dem Messspektrum zu einer LED gewonnen wird, auf die Verschiebung und Skalierung der zu anderen LED gehörenden Messspektren möglich, sofern im Rahmen von Kalibriermessungen (z.B. direkt nach der Geräteproduktion) die Beziehung zwischen den notwendigen Verschiebungen der einzelnen Temperaturkompensationskurven explizit bestimmt wird und gleichzeitig dafür Sorge getragen wird, dass sich die Temperaturen der LED untereinander bei einer Messung nicht signifikant unterscheiden, z.B. indem sie thermisch an eine einzige Kupfermasse o.ä. angebunden werden. Das bedeutet, die weiter oben angeführte Bedingung für die Anwendbarkeit muss lediglich in einem spektralen Bereich, der zu einer einzigen aller verwendet LED gehört, erfüllt sein.


Anspruch[de]
Verfahren zur Verarbeitung von Signalen die als solche Indikativ sind für Merkmale oder die Charakteristik der spektralen Verteilung von Licht das im Rahmen einer spektrometrischen Messung im Zusammenspiel mit einer LED-Lichtquelle bereitgestellt wird, bei welchem:

– auf Basis einer ersten Referenzmessung und mindestens zweier weiterer Messungen an derselben Referenz eine Referenzkurve für die spektrale Emission generiert wird, und

– die Referenzkurve dann bei der Auswertung von Untersuchungsmessungen als Referenz verwendet wird,

– wobei die Referenzkurve so bestimmt wird dass sie einer Kurve der spektralen Emission zu einer Temperatur entspricht, die außerhalb des Temperaturbereichs liegt, in dem die Temperaturen der LED bei Untersuchungsmessungen tatsächlich liegen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je nach zur Verfügung stehenden spektralen Bereichen und je nach Stellung der exakten Messaufgabe Referenzkurven sowohl für eine Temperatur unterhalb (kalte Referenz) als auch für eine Temperatur oberhalb (heiße Referenz) der Temperaturen bei Untersuchungsmessungen bestimmt werden. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung einer Untersuchungsmessung sowohl unter Bezug auf die kalte Referenz als auch unter Bezug auf die heiße Referenz durchgeführt wird, und die resultierenden Ergebnisse der spektralen Messung zur Überprüfung miteinander verglichen und zur Verringerung der Messunsicherheit gemittelt werden. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Verwendung einer extremen Referenz gewährleistet wird, dass das unkorrigierte Messspektrum nahezu unabhängig vom Messobjekt einem solchen Messspektrum sehr ähnlich wird, welches bei einer Messung an der Referenz, die auch zur Erzeugung der extremen Referenz verwendet wurde, entsteht. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Messung (logarithmisch dargestellt) an einer Referenz durch Subtraktion (oder Addition, je nach exakter formaler Darstellung) einer skalierten und verschobenen LED-typischen Temperaturkompensationskurve auf eine Messung bei einer anderen Temperatur abgebildet wird. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Referenz die Bestimmung von Verschiebung und Skalierung sukzessive erfolget indem zunächst über die Bestimmung der Korrelation der vorab bestimmten Temperaturkompensationskurve mit der unkorrigierten Messkurve der Referenz für verschiedene Verschiebungen die Verschiebung maximaler Korrelation (maximaler Betrag des Pearson'schen Korrelationskoeffizienten) bestimmt wird und im nächsten Schritt dann über ein Least-squares-Verfahren die beste Skalierung bestimmt wird. Elektronische Schaltung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens. Mobiles Spektrometer mit:

– einer Lichtquelleneinrichtung die als solche wenigstens eine LED umfasst,

– einer Betriebsschaltung zur Ansteuerung der LED,

– einer Spektrometereinrichtung zur Erfassung der spektralen Charakteristik eines zu analysierenden Lichtes das im Zusammenspiel mit jener Lichtquelleneinrichtung generiert wurde, und

– einer elektronischen Schaltung zur Verarbeitung der durch die Spektrometereinrichtung generierten Signale, wobei die elektronische Schaltung derart aufgebaut und konfiguriert ist ist, dass durch diese eine Signalverarbeitung unter Rückgriffnahme auf wenigstens eine Referenzkurve erfolgt die nach Maßgabe des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6 generiert wurde, erfolgt.
Postprozessingsystem zur Generierung von Daten zu einer spektralen Verteilung von Licht auf Grundlage eines Normierungsansatzes, mit einer Rechnereinrichtung zur Bewerkstelligung eines Datenverarbeitungsprozesses, wobei die Rechnereinrichtung derart ausgebildet ist, dass diese jenen Normierungsansatz abarbeitet, wobei der Normierungsansatz eine Normierung unter Rückgriffnahme auf eine Referenzkurve beinhaltet, wobei jene Referenzkurve nach Maßgabe des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6 generiert ist. Postprozessingsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Verarbeitung vorgesehen Ausgangsdaten über ein Datentransfernetzwerk, insbesondere Internet zum Zugriff zur Verfügung gestellt werden. Postprozessingsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Verarbeitung vorgesehen Ausgangsdaten über ein Mobilfunksystem in das Datentransfernetzwerk, eingespeist werden.






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