DE102012019471A1 - Method for determining e.g. fluorescence lifetime of paper to identify banknote, involves recording phase difference values of sample light by runtime camera, and determining material characteristic based on difference values - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer (oder mehrerer) Stoffeigenschaft(en), insbesondere einer Fluoreszenzlebensdauer, einer Probe durch Beleuchten einer Probe mit Lichtpulsen und damit synchronisiertem Aufnehmen von spektral aufgespaltetem Probenlicht mittels einer Laufzeitkamera sowie eine Vorrichtung zum Ermitteln einer (oder mehrerer) Stoffeigenschaft(en), insbesondere einer Fluoreszenzlebensdauer, einer Probe, umfassend eine modulierbare Lichtquelle zur Emission von Lichtpulsen, eine ortsauflösende Laufzeitkamera, einen Pulsgeber mit einstellbarer Pulsfrequenz und eine Steuereinheit, wobei die Lichtquelle und die Laufzeitkamera mit dem Pulsgeber verbunden sind und im Strahlengang der Laufzeitkamera zur spektral aufgelösten Aufnahme von Probenlicht ein dispersives Element angeordnet ist. Die Ortsauflösung der Kamera verläuft dabei vorzugsweise längs der Dispersionsrichtung des dispersiven Elements. Sie dient vorzugsweise zur simultanen Aufnahme von Licht von verschiedenen Orten auf der Probe in unterschiedliche Detektorelemente, so dass ein eindimensionales oder zweidimensionales Bild ermittelbar ist.The invention relates to a method for determining a (or more) substance property (s), in particular a fluorescence lifetime, of a sample by illuminating a sample with light pulses and thus synchronized recording of spectrally split sample light by means of a runtime camera and a device for determining one (or more) Substance property (s), in particular a fluorescence lifetime, of a sample comprising a modulatable light source for emitting light pulses, a spatially resolving runtime camera, a pulse generator with adjustable pulse rate and a control unit, wherein the light source and the runtime camera are connected to the pulse generator and in the beam path of the runtime camera for the spectrally resolved recording of sample light a dispersive element is arranged. The spatial resolution of the camera preferably runs along the dispersion direction of the dispersive element. It preferably serves for the simultaneous recording of light from different locations on the sample into different detector elements, so that a one-dimensional or two-dimensional image can be determined.
Im Sinne der Erfindung umfasst der Begriff Licht jede mit optischen Mitteln manipulierbare elektromagnetische Strahlung, also insbesondere ultraviolette, sichtbare und infrarote Strahlung. Probenlicht ist im Sinne der Erfindung Licht, das durch Fluoreszenz von der Probe emittiert wird, angeregt durch die beleuchtenden Lichtpulse. Es kann auch Anteile enthalten, die durch Reflexion und/oder Streuung der beleuchtenden Lichtpulse an der Probe entstehen. Die zu ermittelnde Stoffeigenschaft kann durch jede messbare Größe dargestellt werden, insbesondere kann es sich um eine physikalische, biologische oder chemische Eigenschaft eines einzelnen Inhaltsstoffs der Probe oder, beispielsweise im Falle einer Stoffmischung, der Probe insgesamt handeln.For the purposes of the invention, the term light comprises any electromagnetic radiation which can be manipulated by optical means, that is to say in particular ultraviolet, visible and infrared radiation. For the purposes of the invention, sample light is light which is emitted by fluorescence from the sample, excited by the illuminating light pulses. It may also contain components which are formed by reflection and / or scattering of the illuminating light pulses on the sample. The substance property to be determined can be represented by any measurable variable, in particular it can be a physical, biological or chemical property of a single ingredient of the sample or, for example in the case of a composition, the sample as a whole.
Eine Laufzeitkamera ist im Sinne der Erfindung jeder optoelektronische Detektor, der eine Zeitdifferenz zwischen einem Referenzsignal, das die Emission eines beleuchtenden Lichtpulses anzeigt, und der Detektion von (zeitlich versetzt mit dem Lichtpuls korrelierendem) Licht, insbesondere der Fluoreszenzantwort der Probe auf den beleuchtenden Lichtpuls, in Form einer Phasenverschiebung, einer Zeitdauer, einer Weglänge oder einer anderen äquivalenten Größe (analog oder digital) auszugeben vermag (nachfolgend als Phasendifferenzwert bezeichnet). Die Laufzeitkamera wird dazu mittels des Referenzsignals mit der Lichtquelle synchronisiert. Die Laufzeitkamera kann dabei zur Lichtquelle entweder so angeordnet sein, dass sie rückgestreutes/reflektiertes Probenlicht (Remission) empfängt, oder so, dass sie vorwärtsgestreutes/transmittiertes Probenlicht (Transmission) empfängt.In the context of the invention, a runtime camera is any optoelectronic detector which detects a time difference between a reference signal indicating the emission of an illuminating light pulse and the detection of light (correlated with the light pulse with respect to time), in particular the fluorescence response of the sample to the illuminating light pulse. in the form of a phase shift, time duration, path length, or other equivalent quantity (analog or digital) (hereinafter referred to as the phase difference value). The runtime camera is synchronized by means of the reference signal with the light source. The runtime camera can be arranged to the light source either so that it receives backscattered / reflected sample light (remission), or so that it receives forward scattered / transmitted sample light (transmission).
Im Stand der Technik sind derartige Verfahren und Vorrichtungen aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der jeweils eingangs genannten Art zu verbessern, so dass eine größere Messgenauigkeit möglich wird.The invention has for its object to improve a device and a method of each type mentioned, so that a greater measurement accuracy is possible.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch eine Vorrichtung, welche die in Anspruch 7 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved by a method having the features specified in
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zum zeit-, orts- und spektral aufgelösten Messen einer Stoffeigenschaft einer Probe folgende Schritte durchgeführt werden:
- a) Beleuchten der Probe mit Lichtpulsen einer ersten Pulsfrequenz (mittels einer Lichtquelle),
- b) Aufnehmen von ersten Phasendifferenzwerten von an einem dispersiven Element spektral aufgespaltetem Probenlicht mittels einer mit den Lichtpulsen synchronisierten Laufzeitkamera mit einem (längs der Dispersionsrichtung) ortsauflösenden Detektor,
- c) Beleuchten der Probe mit Lichtpulsen einer zweiten, von der ersten verschiedenen Pulsfrequenz,
- d) Aufnehmen von zweiten Phasendifferenzwerten von an dem dispersiven Element spektral aufgespaltetem Probenlicht mittels der mit den Lichtpulsen synchronisierten Laufzeitkamera und
- e) Ermitteln mindestens einer Stoffeigenschaft anhand (aufgenommener) erster und zweiter Phasendifferenzwerte.
- a) illuminating the sample with light pulses of a first pulse frequency (by means of a light source),
- b) recording first phase difference values of sample light spectrally split at a dispersive element by means of a time-of-flight camera synchronized with the light pulses with a detector (spatially resolving along the dispersion direction),
- c) illuminating the sample with light pulses of a second, different from the first pulse rate,
- d) spectrally recording second phase difference values of at the dispersive element split sample light by means of synchronized with the light pulses runtime camera and
- e) determining at least one substance property based on (recorded) first and second phase difference values.
Vor dem Ermitteln der Stoffeigenschaft in Schritt e) wird vorzugsweise in einem Zwischenschritt identifiziert, dass die aufgenommenen Phasendifferenzwerte signifikant sind. Nichtsignifikante Phasendifferenzwerte werden bei dem Ermitteln der Stoffeigenschaft in Schritt e) vorzugsweise nicht berücksichtigt (in dem Zwischenschritt werden dann nichtsignifikante Phasendifferenzwerte verworfen). Die Identifikation der Signifikanz erfolgt vorzugsweise anhand mindestens eines vorgegebenen (oberen und/oder unteren) Grenzwerts für die Phasendifferenzwerte, insbesondere durch einen Vergleich der aufgenommenen Phasendifferenzwerte mit dem/den vorgegebenen Grenzwerten. Diese können beispielsweise vom Benutzer durch eine visuelle Bewertung des Amplitudenspektrums (oder Intensitätsspektrums) festgelegt werden. Alternativ können sie anhand von vorgegebenen Grenzen für Energiewerte und einen Mindestabstand zwischen Anregungswellenlängen und Fluoreszenzwellenlängen innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens automatisch ermittelt werden, beispielsweise von einer Steuereinheit.Before determining the substance property in step e), it is preferably identified in an intermediate step that the recorded phase difference values are significant. Non-significant phase difference values are preferably not taken into account in the determination of the substance property in step e) (in the intermediate step then non-significant phase difference values are discarded). The significance is preferably identified on the basis of at least one predetermined (upper and / or lower) limit value for the phase difference values, in particular by a comparison of the recorded phase difference values with the predetermined limit value (s). These may be determined, for example, by the user through a visual assessment of the amplitude spectrum (or intensity spectrum). Alternatively, they can be automatically determined based on predetermined limits for energy values and a minimum distance between excitation wavelengths and fluorescence wavelengths within the method according to the invention, for example by a control unit.
Entsprechend ist für eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen, dass die Steuereinheit zum Durchführen folgender Schritte eingerichtet ist:
- a) Einstellen des Pulsgebers zur Abgabe von Pulsen einer ersten Pulsfrequenz,
- b) Ermitteln von ersten Phasendifferenzwerten von (an dem dispersiven Element spektral aufgespaltetem) Probenlicht mittels der Laufzeitkamera,
- c) Einstellen des Pulsgebers zur Abgabe von Pulsen einer zweiten, von der ersten verschiedenen Pulsfrequenz,
- d) Ermitteln von zweiten Phasendifferenzwerten von (spektral aufgespaltetem) Probenlicht mittels der Laufzeitkamera,
- e) Ermitteln mindestens einer Stoffeigenschaft anhand (aufgenommener) erster und zweiter Phasendifferenzwerte.
- a) setting the pulser to deliver pulses of a first pulse rate,
- b) determining first phase difference values of sample light (spectrally split at the dispersive element) by means of the time-of-flight camera,
- c) setting the pulser for delivery of pulses of a second, different from the first pulse rate,
- d) determining second phase difference values of (spectrally split) sample light by means of the time-of-flight camera,
- e) determining at least one substance property based on (recorded) first and second phase difference values.
Anschließend können kann die ermittelte Stoffeigenschafft von der Steuereinheit über eine Schnittstelle ausgegeben werden. Vor dem Ermitteln der Fluoreszenzlebensdauer in Schritt e) wird vorzugsweise in einem Zwischenschritt identifiziert, dass die aufgenommenen Phasendifferenzwerte signifikant sind. Nichtsignifikante Phasendifferenzwerte werden bei dem Ermitteln der Fluoreszenzlebensdauer in Schritt e) vorzugsweise nicht berücksichtigt.Subsequently, the determined substance property can be output by the control unit via an interface. Before determining the fluorescence lifetime in step e), it is preferably identified in an intermediate step that the recorded phase difference values are significant. Non-significant phase difference values are preferably not taken into account in determining the fluorescence lifetime in step e).
Jeder Phasendifferenzwert gibt die Zeitdifferenz zwischen der Emission eines jeweiligen beleuchtenden Lichtpulses und dem Eintreffen der zugehörigen Fluoreszenzantwort in der Laufzeitkamera an. Alternativ kann als Phasendifferenzwert jede zur Zeitdifferenz äquivalente Größe verwendet werden, beispielsweise die entsprechende Winkeldifferenz bezüglich der Pulsfrequenz oder die entsprechende zurückgelegte Weglänge. Neben den Phasendifferenzwerten können auch spektrale Intensitätswerte des Probenlichts ermittelt werden. In vorteilhaften Ausführungsformen kann die Ermittlung der Stoffeigenschaft zusätzlich anhand der spektralen Intensitätswerte erfolgen.Each phase difference value indicates the time difference between the emission of a respective illuminating light pulse and the arrival of the associated fluorescence response in the time-of-flight camera. Alternatively, as a phase difference value, any variable equivalent to the time difference may be used, for example the corresponding angular difference with respect to the pulse frequency or the corresponding traveled path length. In addition to the phase difference values, spectral intensity values of the sample light can also be determined. In advantageous embodiments, the determination of the material property can additionally be carried out on the basis of the spectral intensity values.
Zweckmäßigerweise werden für jeden Phasendifferenzwert für mehrere unterschiedliche (disjunkte) Wellenlängenbereiche separate Subphasendifferenzwerte ermittelt. Jeder Phasendifferenzwert kann dann ein Skalar sein, der aus einem (beispielsweise anhand der Fehler der Subwerte gewichteten) Mittelwert seiner (wellenlängenabhängigen) Subwerte gebildet wird. Alternativ kann der Phasendifferenzwert ein Vektor sein, dessen Komponenten die Subwerte sind.Expediently, separate subphase difference values are determined for each phase difference value for a plurality of different (disjoint) wavelength ranges. Each phase difference value may then be a scalar formed from a mean value of its (wavelength dependent) subvalues (weighted, for example, based on the errors of the subvalues). Alternatively, the phase difference value may be a vector whose components are the subvalues.
Durch die sequentielle Modulation mit mindestens zwei (vorzugsweise drei oder mehr) unterschiedlichen Pulsfrequenzen und dadurch separate Ermittlung der Phasendifferenzwerte bei unterschiedlichen Pulsfrequenzen können eine oder mehrere voneinander verschiedene Stoffeigenschaften mit signifikant höherer Genauigkeit ermittelt werden als bisher. Das gilt insbesondere für stark unterschiedliche Fluoreszenzlebensdauern und auch dann, wenn die betreffenden Fluorophoren ein spektral überlappendes oder gar ähnliches Emissionsspektrum aufweisen. Das Ermitteln der Stoffeigenschaft gelingt insbesondere anhand einer Matrix der ermittelten Phasendifferenzwerte, die in einer ersten Dimension durch die betreffende Wellenlänge (genauer gesagt: durch den betreffenden Wellenlängenbereich) des Probenlichts (oder ein Äquivalent derselben) und in einer zweiten Dimension durch die Pulsfrequenz (oder ein Äquivalent derselben) parametrisiert ist. Zweckmäßigerweise wird eine solche Matrix daher vor dem Ermitteln der Stoffeigenschaft anhand der ermittelten Phasendifferenzwerte erstellt. Je mehr Stützstellen diese Matrix aufweist, also durch Messung bei mehr Pulsfrequenzen oder bei mehr Wellenlängenbereichen, desto höher ist die Genauigkeit bei der Ermittlung der Fluoreszenzlebensdauer.By the sequential modulation with at least two (preferably three or more) different pulse frequencies and thereby separate determination of the phase difference values at different pulse frequencies, one or more mutually different material properties can be determined with significantly higher accuracy than before. This is especially true for strongly different fluorescence lifetimes and also when the respective fluorophores have a spectrally overlapping or even similar emission spectrum. The determination of the substance property succeeds in particular on the basis of a matrix of the ascertained phase difference values which in a first dimension are represented by the respective wavelength (more precisely: by the relevant wavelength range) of the sample light (or an equivalent thereof) and in a second dimension by the pulse frequency (or Equivalent of the same) is parametrized. Expediently, such a matrix is therefore created before the determination of the substance property on the basis of the determined phase difference values. The more nodes this matrix has, ie by measuring at more pulse frequencies or at more wavelength ranges, the higher the accuracy in determining the fluorescence lifetime.
Da die Ermittlung der Stoffeigenschaft und damit die Bewertung einer einzelnen Probe in kurzer Zeit möglich ist, können anstelle von (womöglich zunächst ausgesonderten) Stichproben vorzugsweise alle Produkte eines Herstellungsprozesses auf diese Weise untersucht werden.Since it is possible to determine the property of the substance and hence the evaluation of a single sample in a short time, preferably all products of a production process can be investigated in this way instead of (possibly first rejected) samples.
Es kann vorteilhaft sein, Phasendifferenzwerte, die Lichtlaufzeiten unterhalb einer vorgegebenen Mindestlaufzeit und oberhalb einer vorgegebenen Maximallaufzeit entsprechen, zu verwerfen (nicht bei der Ermittlung der Fluoreszenzlebensdauer zu berücksichtigen). Dadurch kann vermieden werden, dass Licht von außerhalb der Probe oder aus einer Verpackung stammendes Probenlicht die Genauigkeit der Ermittlung der Stoffeigenschaft beeinträchtigt. Eine noch höhere Genauigkeit kann erreicht werden, indem eine Probe mit fluoreszenzfreier Verpackung verwendet wird. It may be advantageous to discard phase difference values that correspond to light propagation times below a predetermined minimum run time and above a predefined maximum run time (not to be taken into account when determining the fluorescence lifetime). As a result, it can be avoided that light from outside of the sample or sample light originating from a packaging impairs the accuracy of the determination of the property of the substance. Even higher accuracy can be achieved by using a sample with fluorescence-free packaging.
In besonderen Ausführungsformen des Verfahrens kann vor dem Beleuchten und Aufnehmen von Probenlicht vorteilhafterweise ein Fluoreszenz-Löscher (engl. „quencher”) in die Probe eingebracht werden. Dadurch können eine oder mehrere Fluoreszenzlebensdauern verändert und so die Messgenauigkeit erhöht werden. Das gelingt insbesondere, indem ein erster Messdurchgang (mit mindestens zwei verschiedenen Pulsfrequenzen) ohne Fluoreszenzlöscher und nach dem Hinzufügen des Fluoreszenzlöschers ein zweiter Messdurchgang (mit mindestens zwei verschiedenen Pulsfrequenzen, vorzugsweise denselben wie im ersten Durchgang) durchgeführt werden. Anhand der Fluoreszenzlebensdauer unter Anwesenheit des Löschers kann beispielsweise ein chemometrisches Modell erstellt und bei einer späteren Ermittlung der Stoffeigenschaft einer regulären (löscherfreien) Probe verwendet werden. Neben der Fluoreszenzlebensdauer kann dann beispielsweise auch die Konzentration eines beteiligten fluoreszierenden Stoffes ermittelt werden.In particular embodiments of the method, a fluorescence quencher may advantageously be introduced into the sample prior to illuminating and picking up sample light. As a result, one or more fluorescence lifetimes can be changed and thus the measurement accuracy can be increased. This is achieved in particular by carrying out a first measuring run (with at least two different pulse frequencies) without a fluorescence quencher and after adding the fluorescence quencher a second measuring pass (with at least two different pulse frequencies, preferably the same as in the first pass). On the basis of the fluorescence lifetime in the presence of the extinguisher, for example, a chemometric model can be created and used in a later determination of the substance property of a regular (extinguisher-free) sample. In addition to the fluorescence lifetime, it is then also possible, for example, to determine the concentration of a fluorescent substance involved.
Vorteilhaft sind Verfahrensformen, in denen eine Probe verwendet wird, die von einer geschlossenen Hülle umgeben ist, insbesondere eine flüssige Probe. Im Sinne der Erfindung ist die Hülle ein Teil der Probe, so dass auch von ihr eine Stoffeigenschaft ermittelt werden kann. So kann beispielsweise die Fluoreszenzlebensdauer nichtinvasiv durch die Hülle ermittelt werden. Die Hülle kann insbesondere eine Verpackung sein. Dadurch können bereits verpackte Produkte bewertet werden. Vorzugsweise kann dabei eine Fluoreszenzlebensdauer einer leeren oder einer mit einem nichtfluoreszierenden Stoff gefüllten Hülle, die beispielsweise in einer Kalibriermessung ermittelt werden kann, zur Ermittlung der Stoffeigenschaft der Probe verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist eine solche Verfahrensform zur Untersuchung eines in eine Flasche abgefüllten Getränks.Advantageous are process forms in which a sample is used, which is surrounded by a closed shell, in particular a liquid sample. For the purposes of the invention, the shell is part of the sample, so that a material property can also be determined by it. For example, the fluorescence lifetime can be determined noninvasively by the sheath. The envelope may in particular be a package. As a result, already packaged products can be evaluated. Preferably, a fluorescence lifetime of an empty shell or a shell filled with a nonfluorescent substance, which can be determined, for example, in a calibration measurement, can be used to determine the material property of the sample. Such a method is particularly advantageous for the examination of a beverage bottled in a bottle.
Beispielsweise kann für die ermittelte Stoffeigenschaft ein oberer oder unterer Grenzwert oder ein Intervall zulässiger Werte vorgegeben sein. Wird ein Überschreiten eines oberen Grenzwerts, ein Unterschreiten eines unteren Grenzwerts oder ein Verlassen eines Intervalls identifiziert, kann die untersuchte Probe abweichend von anderen Proben behandelt werden. Beispielsweise kann sie ausgesondert werden. Eine andere Möglichkeit der Behandlung ist die Einordnung untersuchter Proben in unterschiedliche Qualitätsstufen, insbesondere mit Kennzeichnung der Proben mit der betreffenden Qualitätsstufe.For example, an upper or lower limit value or an interval of permissible values can be specified for the determined substance property. If an upper limit value is exceeded, a lower limit value is exceeded or an interval is left out, the examined sample can be treated differently from other samples. For example, it can be singled out. Another possibility of the treatment is the classification of examined samples in different quality levels, in particular with identification of the samples with the relevant quality level.
In einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann anhand der ermittelten Stoffeigenschaft ein Herstellungsprozess für die Probe gesteuert werden. Dadurch können die Auswirkungen von Fehlern im Herstellungsprozess deutlich vermindert werden.In a particular embodiment of the method according to the invention, a production process for the sample can be controlled on the basis of the determined material property. This can significantly reduce the impact of errors in the manufacturing process.
Ein Problem bei einer spektroskopischen Transreflexionsmessung, bei der das Beleuchtungslicht insbesondere eine spektroskopisches Antwortsignal aus dem oberen Bereich der Probe liefert, ist die unerwünschte Messung von Glanz, also einer gerichteten Reflexion von Anregungslicht an der Probenoberfläche. Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen, in denen Phasendifferenzwerte, die kleiner als ein vorgegebener Phasendifferenzgrenzwert sind, beim Ermitteln der Stoffeigenschaft nicht verwendet werden. Auf diese Weise kann beispielsweise eine höhere Genauigkeit der ermittelten Stoffeigenschaft erreicht werden, indem gestreutes oder reflektiertes Beleuchtungslicht (das ausschließlich während des beleuchtenden Lichtpulses auftritt) nicht berücksichtigt wird, denn die Glanzinformation erreicht den Sensor vor der eigentliche Messinformation im Probenlicht, die aus dem inneren der Probe stammt. Mittels zeitaufgelöster Spektroskopie läßt sich der Glanz aus der Messung herausrechnen oder durch Verwerfen einer individuellen Messantwort, also des gemessenen Phasendifferenzwertes, vor einer bestimmten Zeit – vorzugsweise der Pulsdauer der beleuchtenden Lichtpulse – herausfiltern. Auf diese Weise kann der im Stand der Technik nötige Aufwand im optischen Aufbau zur Vermeidung von Glanzeinflüssen auf die ermittelte(n) Stoffeigenschaft(en) reduziert oder gar vollständig vermieden werden.A problem with a spectroscopic transreflection measurement, in which the illumination light in particular provides a spectroscopic response signal from the upper region of the sample, is the undesired measurement of gloss, ie a directed reflection of excitation light on the sample surface. Therefore, embodiments in which phase difference values that are smaller than a predefined phase difference limit value are not used in determining the property of the substance are advantageous. In this way, for example, a higher accuracy of the determined material property can be achieved by scattered or reflected illumination light (which occurs exclusively during the illuminating light pulse) is not taken into account, because the gloss information reaches the sensor before the actual measurement information in the sample light, which from the inside of the Sample comes. By means of time-resolved spectroscopy, the gloss can be calculated out of the measurement or filtered out by discarding an individual measurement response, ie the measured phase difference value, before a specific time, preferably the pulse duration of the illuminating light pulses. In this way, the effort required in the prior art in the optical design to avoid the effects of gloss on the determined substance property (s) can be reduced or even completely avoided.
Vorteilhaft kann es auch sein, mittels der Laufzeitkamera (wiederholt, insbesondere quasi-permanent) einen räumlichen Abstand der Probe von der Laufzeitkamera zu ermitteln. Dadurch kann auf einen zusätzlichen Abstandssensor verzichtet werden. Mit der Zusatzinformation, aus welchem Abstand die spektroskopisch zerlegte Messantwort kommt, können Korrekturverfahren genutzt werden, um die Messgenauigkeit zu erhöhen und die Plausibilität der Messung einzuschätzen. Ein solches Verfahren mit Abstandsmessung kann beispielsweise in der Prozessmesstechnik eingesetzt werden, wenn Proben in unterschiedlichem Abstand von der Messvorrichtung (beispielsweise auf einem Transportband mit unterschiedlich hohem Befüllungsprofil) spektroskopisch vermessen werden sollen. Der Abstand zur Probe und damit der optische Weg, der zweimal durchlaufen wird, variieren. Damit variiert der Einfluß der Atmosphäre im optischen Weg, beispielsweise aufgrund von Feuchtigkeit. Durch Messung des genauen Probenabstandes lassen sich Korrekturen der Absorption vorgegebener Wellenlängen, beispielsweise verursacht durch Luftfeuchtigkeit, in die spektroskopische Messung einbeziehen, um einen aus der Absorption resultierenden Messfehler zu kompensieren. Es kann daher zweckmäßig sein, den ermittelten Abstand bei der Ermittlung der Fluoreszenzlebensdauer oder zur Ermittlung einer (anderen) Stoffeigenschaft der Probe zu verwenden, beispielsweise als Korrekturfaktor in einer Rechenvorschrift. Alternativ oder zusätzlich kann der ermittelte Abstand in einer zeitlich parallel ablaufenden Messung und in der Auswertung einer solchen Messung verwendet werden.It can also be advantageous to use the runtime camera (repeatedly, in particular quasi-permanently) to determine a spatial distance of the sample from the runtime camera. This can be dispensed with an additional distance sensor. With the additional information from which distance the spectroscopically decomposed measurement response comes, correction methods can be used to increase the measurement accuracy and to estimate the plausibility of the measurement. Such a method with distance measurement can be used, for example, in process measurement technology if samples are to be measured spectroscopically at different distances from the measuring device (for example, on a conveyor belt with a different high filling profile). The distance to the sample and thus the optical path, which pass twice will vary. Thus, the influence of the atmosphere in the optical path varies, for example due to moisture. By measuring the exact sample distance, corrections of the absorption of given wavelengths, for example caused by atmospheric moisture, can be included in the spectroscopic measurement in order to compensate for a measurement error resulting from the absorption. It may therefore be expedient to use the determined distance when determining the fluorescence lifetime or for determining a (different) material property of the sample, for example as a correction factor in a calculation rule. Alternatively or additionally, the determined distance can be used in a time-parallel measurement and in the evaluation of such a measurement.
Vorzugsweise weist die Laufzeitkamera ein eindimensionales oder zweidimensionales Feld (engl. „array”) von Photomischdetektoren auf. Dadurch kann spektral aufgelöstes Probenlicht mit geringem Aufwand aufgenommen werden. Bei einem zweidimensionalen Feld kann zudem nicht nur ein näherungsweise punktförmiger Probenfleck, sondern eine linienförmige Probenregion ortsaufgelöst vermessen werden. Auf diese Weise kann entweder (beispielsweise durch Zusammenfassen der Messorte durch gewichtete Mittelung der betreffenden Phasendifferenzwerte) die Messgenauigkeit verbessert oder (beispielsweise durch separate Behandlung der Messorte) die Messung beschleunigt werden.The runtime camera preferably has a one-dimensional or two-dimensional field ("array") of photonic mixer detectors. As a result, spectrally resolved sample light can be recorded with little effort. In the case of a two-dimensional field, not only an approximately punctiform sample spot but also a line-shaped sample region can be measured in a spatially resolved manner. In this way, the measuring accuracy can either be improved (for example by combining the measuring locations by weighted averaging of the relevant phase difference values) or the measurement can be accelerated (for example by separate treatment of the measuring locations).
Vorteilhaft sind solche Ausgestaltungen, in denen der Strahlengang der Laufzeitkamera mindestens einen Lichtwellenleiter umfasst, wobei das dispersive Element zwischen dem Lichtwellenleiter und der Laufzeitkamera angeordnet ist. Dadurch kann die Vorrichtung kompakt aufgebaut sein.Advantageously, such embodiments in which the beam path of the runtime camera comprises at least one optical waveguide, wherein the dispersive element between the optical waveguide and the runtime camera is arranged. As a result, the device can be made compact.
Zweckmäßigerweise ist das dispersive Element ein Plangitter oder ein abbildendes Gitter oder ein Prisma.Conveniently, the dispersive element is a planitter or an imaging grating or a prism.
Die Lichtquelle umfasst vorzugsweise eine oder mehrere Halbleiterlichtquellen, beispielsweise LED, OLED oder Laser. Alternativ können Gasentladungsblitzlampen eingesetzt werden. Wenn die Lichtquelle selbst kontinuierlich emittiert, können die beleuchtenden Lichtpulse aus dem kontinuierlichen Lichtstrom mittels eines Modulators erzeugt werden, der im Sinne der Erfindung Teil der Lichtquelle ist. Verwendbar sind beispielsweise akustooptische oder elektrooptische Modulatoren (AOM, EOM) oder polarisationsoptische Modulatoren wie Pockelszellen oder Flüssigkristallschalter. Zweckmäßigerweise kann die Lichtquelle gekühlt werden, um eine reproduzierbare Anregungswellenlänge und Intensität zu erreichen. Das ist besonders wegen der unterschiedlichen Verlustleistungen bei verschiedenen Pulsfrequenzen vorteilhaft.The light source preferably comprises one or more semiconductor light sources, for example LED, OLED or laser. Alternatively, gas discharge flash lamps can be used. If the light source itself emits continuously, the illuminating light pulses can be generated from the continuous luminous flux by means of a modulator, which in the sense of the invention is part of the light source. For example, acoustooptic or electrooptical modulators (AOM, EOM) or polarization optical modulators such as Pockels cells or liquid crystal switches can be used. Conveniently, the light source can be cooled to achieve a reproducible excitation wavelength and intensity. This is particularly advantageous because of the different power losses at different pulse frequencies.
Die Nutzung mehrerer (spektral nicht zusammenhängender) Anregungswellenlängen (Anregungswellenlängenbereiche) erlaubt die genauere Bestimmung von zeitaufgelösten Fluoreszenzvorgängen und Phasenlagen, insbesondere bei Existenz unterschiedliche Fluorophore in der Probe. Verschiedene Anregungswellenlängen können mittels unterschiedlicher Lichtquellen oder mittels eines variablen spektralen Filters vor einer in mehreren spektralen Bändern emittierenden Lichtquelle erzeugt werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Lichtquelle(n) zu jedem (erwarteten) Spektralbereich der Fluoreszenzantwort eine spektral beabstandete Anregungswellenlänge emittieren.The use of multiple (spectrally non-contiguous) excitation wavelengths (excitation wavelength ranges) allows the more accurate determination of time-resolved fluorescence events and phase angles, especially if different fluorophores are present in the sample. Different excitation wavelengths can be generated by means of different light sources or by means of a variable spectral filter in front of a light source emitting in several spectral bands. It is advantageous if the light source (s) emit a spectrally spaced excitation wavelength for each (expected) spectral range of the fluorescence response.
Vorteilhaft sind Ausgestaltungen, in denen im Strahlengang der Laufzeitkamera ein zweites dispersives Element angeordnet ist, dessen Dispersionsrichtung unter einem von Null verschiedenen Winkel zur Dispersionsrichtung des ersten dispersiven Elements angeordnet ist. Dadurch kann die spektrale Auflösung verbessert werden.Embodiments are advantageous in which a second dispersive element is arranged in the beam path of the time-of-flight camera whose dispersion direction is arranged at an angle other than zero to the dispersion direction of the first dispersive element. This can improve the spectral resolution.
Durch Ausgestaltung der Vorrichtung derart, dass ein Teil jedes beleuchtenden Lichtpulses der Lichtquelle als Referenzlicht (ohne Wechselwirkung mit der Probe) zu der Laufzeitkamera gelangt (Zweistrahlaufbau) kann die Messgenauigkeit deutlich verbessert werden. Alternativ kann die Vorrichtung einen zusätzlichen optoelektronischen Detektor aufweisen, wobei ein Teil jedes beleuchtenden Lichtpulses der Lichtquelle als Referenzlicht zu dem Detektor gelangt. So steht für jede Messung ein genauer Referenzzeitstempel der optischen Anregung zur Verfügung. Die Laufzeitkamera kann zu diesem Zweck beispielsweise zwei optische Eingänge oder einen kombinierten optischen Eingang für das Probenlicht und das Referenzlicht aufweisen. Der kombinierte optische Eingang kann beispielsweise ein segmentierter Querschnittswandler sein. Bei zwei Eingängen kann das Referenzlicht in einen Bereich des Sensors der Laufzeitkamera abgebildet werden, der nicht für die spektroskopische Auswertung genutzt wird. Alternativ können die beiden Eingänge (auch die separaten Eingänge eines kombinierten Eingangs) mit optischen Verschlüssen (engl. „shutter”) versehen sein, um entweder Probenlicht oder Referenzlicht zum Sensor gelangen zu lassen.By designing the device such that a part of each illuminating light pulse of the light source as reference light (without interaction with the sample) arrives at the transit time camera (two-beam setup), the measurement accuracy can be significantly improved. Alternatively, the device may comprise an additional optoelectronic detector, wherein a portion of each illuminating light pulse of the light source passes as a reference light to the detector. Thus, an accurate reference time stamp of the optical excitation is available for each measurement. The runtime camera may, for example, have two optical inputs or a combined optical input for the sample light and the reference light for this purpose. The combined optical input may be, for example, a segmented cross-section converter. With two inputs, the reference light can be imaged into an area of the sensor of the runtime camera, which is not used for the spectroscopic evaluation. Alternatively, the two inputs (including the separate inputs of a combined input) may be provided with optical shutters to allow either sample light or reference light to pass to the sensor.
In allen Ausgestaltungsvarianten kann das Referenzlicht als Zeitreferenz, beispielsweise für eine Abstandsmessung, und/oder als spektrale Intensitätsreferenz genutzt werden. Das Abtrennen des Referenzlichts gelingt in allen Ausgestaltungsvarianten beispielsweise mittels eines Strahlteilers und/oder eines Lichtwellenleiters. Alternativ ist eine Freistrahloptik denkbar, so dass das Spektrometer direkt oder über Spiegel Licht von der Lichtquelle aufnimmt.In all design variants, the reference light can be used as a time reference, for example for a distance measurement, and / or as a spectral intensity reference. The separation of the reference light succeeds in all design variants, for example by means of a beam splitter and / or an optical waveguide. Alternatively, a free-beam optics is conceivable, so that the spectrometer receives light from the light source directly or via mirrors.
Vorzugsweise erfolgt das Ermitteln der Stoffeigenschaft(en) mittels einer Ausgleichsrechnung, insbesondere unter Minimierung einer Abweichungsfunktion, insbesondere von Abweichungsquadraten. Das ermöglicht eine hohe Messgenauigkeit mit geringem Kostenaufwand. The determination of the substance property (s) preferably takes place by means of a compensation calculation, in particular by minimizing a deviation function, in particular deviation squares. This allows a high measurement accuracy with low cost.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Ausgleichsrechnung eine Anpassung eines vorgegebenen oder vorgebbaren (zwei- oder mehrdimensionalen) mathematischen Modells, das von Beleuchtungs-Pulsfrequenzen und Fluoreszenz-Wellenlängen abhängt, an die ermittelten Phasendifferenzwerte erfolgt. Das ermöglicht eine hohe Messgenauigkeit trotz geringem Rechenaufwand, welche optional durch das Hinzuziehen der Intensitäts- und/oder Amplitudenwerte weiter gesteigert werden kann.Embodiments in which an adaptation of a predetermined or predefinable (two-dimensional or multidimensional) mathematical model, which depends on illumination pulse frequencies and fluorescence wavelengths, to the determined phase difference values are advantageous in the compensation calculation. This allows a high measurement accuracy despite low computational effort, which can optionally be further increased by the inclusion of the intensity and / or amplitude values.
Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen das Ermitteln der Stoffeigenschaft(en) nicht anhand von Intensitätswerten und/oder Amplitudenwerten der Laufzeitkamera erfolgt. Dadurch kann/können die Stoffeigenschaft(en) anhand der Phasendifferenzwerte trotz geringem Rechenaufwand hochgenau gemessen werden.Embodiments in which the determination of the substance property (s) does not take place on the basis of intensity values and / or amplitude values of the runtime camera are particularly preferred. As a result, the substance property (s) can be measured with high precision using the phase difference values despite the low computational complexity.
Besonders schnell und genau gelingt das Ermitteln der Stoffeigenschaft(en) anhand eines vorgegebenen oder vorgebbaren Emissionsverhältnisses mindestens zweier verschiedener Fluorophorsorten, da durch das Emissionsverhältnis der Lösungsraum des mathematischen Modells eingeschränkt werden kann. Das Emissionsverhältnis wird vorzugsweise als bekannte Information über die Probe vorausgesetzt und vorgegeben.The determination of the substance property (s) on the basis of a predetermined or predeterminable emission ratio of at least two different types of fluorophore is particularly fast and accurate since the solution space of the mathematical model can be limited by the emission ratio. The emission ratio is preferably assumed and specified as known information about the sample.
Vorzugsweise kann vor der Ausgleichsrechnung die Fluoreszenzlebensdauer der dominierenden Fluorophorsorte zunächst anhand der ermittelten Phasendifferenzwerte oder anhand von aus einer Leermessung einer Verpackung stammenden Phasendifferenzwerten ermittelt werden. Das erlaubt eine besonders hohe Genauigkeit der Messung.Preferably, before the compensation calculation, the fluorescence lifetime of the dominant type of fluorophore can first be determined on the basis of the determined phase difference values or on the basis of phase difference values derived from an empty measurement of a packaging. This allows a particularly high accuracy of the measurement.
Besonders genau gelingt das Ermitteln einer oder mehrerer Stoffeigenschaft in der Ausgleichsrechnung, indem eine vorgebbare oder vorgegebene oder ermittelte Fluoreszenzlebensdauer einer dominierenden Fluorophorsorte konstant belassen wird.The determination of one or more substance properties in the compensation calculation is particularly accurate in that a prescribable or predefined or determined fluorescence lifetime of a dominant type of fluorophore is left constant.
Insbesondere kann in der Ausgleichsrechnung vorteilhafterweise eine erste Fluoreszenzlebensdauer von Null (für eine fiktive Fluorophorsorte, die das Anregungslicht darstellt) verwendet und als Stoffeigenschaft eine zweite Fluoreszenzlebensdauer ermittelt werden. Dadurch kann insbesondere in Fällen, in denen die Lichtquelle sowohl in einem Wellenlängenbereich zur Anregung von Fluoreszenz in der Probe als auch in einem Wellenlängenbereich der Fluoreszenz emittiert, die Fluoreszenz von reflektiertem/gestreutem Anregungslicht im Probenlicht getrennt werden. Vorzugsweise wird dies genutzt, um anschließen anhand der zweiten Fluoreszenzlebensdauer einen Reflexionsgrad der Probe unter Kompensation der störenden Fluoreszenz zu ermitteln. Vorteilhafterweise können in der Ausgleichsrechnung weitere Fluoreszenzlebensdauern ermittelt werden, insbesondere anhand eines Modells mit einer entsprechenden Anzahl von Fluorophorsorten (zuzüglich der fiktiven Fluorophorsorte mit der ersten Fluoreszenzlebensdauer von Null).In particular, a first fluorescence lifetime of zero (for a fictitious type of fluorophore representing the excitation light) can advantageously be used in the compensation calculation, and a second fluorescence lifetime can be determined as the substance property. As a result, in particular in cases where the light source emits both in a wavelength range for exciting fluorescence in the sample and in a wavelength range of the fluorescence, the fluorescence of reflected / scattered excitation light in the sample light can be separated. This is preferably used to subsequently determine a reflectance of the sample with compensation of the interfering fluorescence on the basis of the second fluorescence lifetime. Advantageously, further fluorescence lifetimes can be determined in the compensation calculation, in particular based on a model with a corresponding number of fluorophore species (plus the fictitious fluorophore variety with the first fluorescence lifetime of zero).
Vorzugsweise liegen die erste und zweite Pulsfrequenz zwischen 1 MHz und 1000 MHz. Dasselbe gilt für eine eventuelle dritte und weitere Pulsfrequenzen in weiteren (ebenfalls miteinander synchronisierten) Beleuchtungs- und Aufnahmeschritten. Diese Frequenzen sind vorteilhaft, weil bei der Mehrzahl der bekannten fluoreszierenden Stoffen die Fluoreszenzlebensdauern im Bereich von 0,01 ns bis 100 ns liegen.Preferably, the first and second pulse frequencies are between 1 MHz and 1000 MHz. The same applies to a possible third and further pulse frequencies in further (also synchronized with each other) lighting and recording steps. These frequencies are advantageous because in the majority of known fluorescents, the fluorescence lifetimes are in the range of 0.01 ns to 100 ns.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die beleuchtenden Lichtpulse einen sinus- oder cosinusförmigen Intensitätsverlauf auf. Dadurch kann die Messgenauigkeit deutlich verbessert werden. Die Vorrichtung umfasst dazu zweckmäßigerweise Mittel zum Erzeugen von Lichtpulsen mit sinus- oder cosinusförmigen Intensitätsverlauf. Es kann sich dabei beispielsweise um einen digitalen Signalprozessor (DSP) handeln. Eine andere Möglichkeit besteht darin, hinter den Ausgang des (Rechteck-)Pulsgebers eine Signalverzögerungseinheit zu schalten, die im zeitlichen Mittel sinus-halbwellenförmige Verzögerung der elektrischen Pulse bewirkt, wobei die verzögerten Pulse an die Lichtquelle und/oder auch an die Laufzeitkamera ausgegeben werden. Alternativ zu einer Signalverzögerung kann auch die Methode harmonischen Fehlerzurückweisung verwendet werden. Vorzugsweise erfolgt die Erzeugung der beleuchtenden Lichtpulse derart, dass dabei Oberwellen (Harmonische) der Grundanregung (weitgehend) vermieden werden.In an advantageous embodiment, the illuminating light pulses have a sinusoidal or cosinusoidal intensity profile. As a result, the measurement accuracy can be significantly improved. The device expediently comprises means for generating light pulses with sinusoidal or cosinusoidal intensity profile. It may be, for example, a digital signal processor (DSP). Another possibility is to switch behind the output of the (rectangular) pulser a signal delay unit, which causes on average temporal mean sinusoidal-wave delay of the electrical pulses, the delayed pulses are output to the light source and / or to the runtime camera. As an alternative to a signal delay, the harmonic error rejection method can also be used. The generation of the illuminating light pulses preferably takes place in such a way that harmonics of the basic excitation are largely avoided.
Es kann vorteilhaft sein, eine breitbandig emittierende Lichtquelle einzusetzen und mehrschichtige Proben unter Nutzung der Kenntnis über Absorptionsvorgänge des Schichtaufbaus eine zeitaufgelöste spektrale Antwort der Rückseite der Probe und/oder des jeweils durchdrungenen Schichtaufbaus auszuwerten. Dabei durchläuft das Anregungslicht jede Schicht der Probe als optischen Pfad zweimal (Transflexion). In jeder Schicht wird ein Teil des Anregungslichtes durch Fluorophore absorbiert und das Anregungslicht für die nächste Schicht spektral in der Amplitude verändert. Die Steuereinheit simuliert dieses Verhalten zweckmäßigerweise in einem entsprechenden Mehrschichtenmodell. Eine breitbandig emittierende Lichtquelle ist im Sinne der Erfindung eine Lichtquelle, die in einem signifikanten spektralen Anteil (über eine Breite von mindestens 400 nm) des Bereichs von 300 nm bis 3000 nm emittiert. Es kann sich beispielsweise um einen thermischen Strahler, eine Halogenlampe, oder auch – mit eingeschränktem Wellenlängenbereich – eine Xenon- oder Deuteriumlampe sein. Halbleiterlichtquellen wie weiße LED können ebenfalls im VIS-Bereich breitbandig emittierten, beispielsweise von 350 nm bis 780 nm. Wichtig ist, dass der Anregungswellenlängenbereich der in der Probe erwarteten Fluorophore umfasst ist.It may be advantageous to use a broadband emitting light source and to evaluate multilayer samples using the knowledge of absorption processes of the layer structure, a time-resolved spectral response of the back of the sample and / or the respective penetrated layer structure. In this case, the excitation light passes through each layer of the sample as an optical path twice (transflection). In each layer, part of the excitation light is absorbed by fluorophores and the excitation light for the next layer is spectrally changed in amplitude. The control unit expediently simulates this behavior in a corresponding multilayer model. A broadband emitting light source in the context of the invention is a light source which is in a significant spectral Portion (over a width of at least 400 nm) of the range of 300 nm to 3000 nm emitted. It may be, for example, a thermal radiator, a halogen lamp, or - with a limited wavelength range - a xenon or deuterium lamp. Semiconductor light sources, such as white LEDs, can also emit broadband in the VIS range, for example from 350 nm to 780 nm. It is important that the excitation wavelength range of the fluorophores expected in the sample is included.
Die Erfindung umfasst auch eine Steuereinheit und ein Computerprogramm, eingerichtet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Steuereinheit beziehungsweise das Computerprogramm kann zu diesem Zweck folgende Komponenten umfassen:
- – ein Softwaremodul zum Einstellen des Pulsgebers zur Abgabe von Pulsen einer ersten Pulsfrequenz,
- – ein Softwaremodul zum Ermitteln von ersten Phasendifferenzwerten von Probenlicht mittels der Laufzeitkamera,
- – ein Softwaremodul zum Einstellen des Pulsgebers zur Abgabe von Pulsen einer zweiten, von der ersten verschiedenen Pulsfrequenz,
- – ein Softwaremodul zum Ermitteln von zweiten Phasendifferenzwerten von Probenlicht mittels der Laufzeitkamera,
- – ein Softwaremodul zum Ermitteln mindestens einer Stoffeigenschaft anhand (aufgenommener) erster und zweiter Phasendifferenzwerte.
- A software module for setting the pulser for delivering pulses of a first pulse frequency,
- A software module for determining first phase difference values of sample light by means of the runtime camera,
- A software module for setting the pulser for delivering pulses of a second, different from the first pulse rate,
- A software module for determining second phase difference values of sample light by means of the runtime camera,
- A software module for determining at least one substance property based on (recorded) first and second phase difference values.
Es kann sich dabei um unterschiedliche Softwaremodule handeln, es kann sich aber auch bei mehreren oder gar allen der genannten Softwaremodule um dasselbe Softwaremodul handeln.These may be different software modules, but it may also be the same software module in the case of several or even all of the named software modules.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Identifikation eines Objekts, insbesondere einer Banknote, insbesondere mit Identifikation eines fluoreszierenden Bestandteils des Objekts anhand einer Fluoreszenzwellenlänge und/oder einer Fluoreszenzlebensdauer. Diese Verwendung erlaubt damit eine neue Sicherheitsbewertung von Banknoten, bei der nicht nur anhand der Fluoreszenz eines oder mehrerer Inhaltsstoffe in den Banknoten die Existenz dieses/dieser Inhaltsstoffe(s) nachgewiesen, sondern auch deren Fluoreszenzlebensdauer mit einem vorgegebenen Wert verglichen werden kann. Zweckmäßigerweise werden dabei die Fehlerintervalle des vorgegebenen Werts einerseits und der ermittelten Fluoreszenzlebensdauer andererseits miteinander verglichen und ausschließlich bei einer Überlappung der Fehlerintervalle die betreffende Banknote als echt identifiziert. Die Fluoreszenzlebensdauer(n) des/der Inhaltsstoffe(s) können so als zusätzliches Sicherheitsmerkmal verwendet werden.Particularly advantageous is the use of a device according to the invention for identifying an object, in particular a banknote, in particular with identification of a fluorescent constituent of the object on the basis of a fluorescence wavelength and / or a fluorescence lifetime. This use thus allows a new security assessment of banknotes, in which not only on the basis of the fluorescence of one or more ingredients in the banknotes the existence of these / these ingredients (s) detected, but also their fluorescence lifetime can be compared with a predetermined value. Expediently, the error intervals of the predefined value on the one hand and the fluorescence lifetime determined on the other hand are compared with one another and the banknote in question is identified as genuine only if the error intervals overlap. The fluorescence lifetime (s) of the ingredient (s) can thus be used as an additional security feature.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Aufgabe, die Genauigkeit der Messung einer Stoffeigenschaft einer fluoreszierenden Probe mittels optischer Spektroskopie zu verbessern. Zu diesem Zweck ist eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Stoffeigenschaft, insbesondere einer eines Reflexionsgrades, einer Probe, insbesondere von Papier, umfassend eine modulierbare Lichtquelle zur Emission von Lichtpulsen, eine ortsauflösende Laufzeitkamera, einen Pulsgeber und eine Steuereinheit, wobei die Lichtquelle und die Laufzeitkamera mit dem Pulsgeber verbunden sind und im Strahlengang der Laufzeitkamera zur spektral aufgelösten Aufnahme von Probenlicht ein dispersives Element angeordnet ist, vorgesehen, deren Steuereinheit zum Durchführen folgender Schritte eingerichtet ist:
- a) Einstellen des Pulsgebers zur Abgabe von Pulsen,
- b) Aufnehmen von Intensitätswerten und zugehörigen Phasendifferenzwerten von an einem dispersiven Element spektral aufgespaltetem Probenlicht mittels der Laufzeitkamera,
- c) Identifizieren einer Teilmenge der Intensitätswerte, deren zugehörige Phasendifferenzwerte kleiner als ein vorgegebener Schwellwert sind,
- e) Ermitteln mindestens einer Stoffeigenschaft anhand der Teilmenge der Intensitätswerte.
- a) setting the pulser for delivery of pulses,
- b) recording intensity values and associated phase difference values of spectrally split sample light on a dispersive element by means of the time-of-flight camera,
- c) identifying a subset of the intensity values whose associated phase difference values are less than a predetermined threshold,
- e) determining at least one substance property based on the subset of the intensity values.
Die Steuereinheit führt dabei vorzugsweise das folgende erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln einer Stoffeigenschaft, insbesondere eines Reflexionsgrades, einer Probe, insbesondere von Papier, durch, wobei folgende Schritte durchgeführt werden:
- a) Beleuchten der Probe mit Lichtpulsen mittels einer Lichtquelle,
- b) Aufnehmen von Intensitätswerten und zugehörigen Phasendifferenzwerten von an einem dispersiven Element spektral aufgespaltetem Probenlicht mittels einer mit den Lichtpulsen synchronisierten Laufzeitkamera mit einem ortsauflösenden Detektor,
- c) Identifizieren einer Teilmenge der Intensitätswerte, deren zugehörige Phasendifferenzwerte kleiner als ein vorgegebener Schwellwert sind,
- e) Ermitteln der Stoffeigenschaft anhand der Teilmenge der Intensitätswerte.
- a) illuminating the sample with light pulses by means of a light source,
- b) recording intensity values and associated phase difference values of sample light spectrally split at a dispersive element by means of a time-of-flight camera synchronized with the light pulses with a spatially resolving detector,
- c) identifying a subset of the intensity values whose associated phase difference values are less than a predetermined threshold,
- e) Determining the substance property based on the subset of the intensity values.
Dieser weitere Aspekt der Erfindung ermöglicht die Ermittlung des Reflexionsvermögens (Reflexionsgrads) sowohl in einer wellenlängenabhängigen Form als auch integriert über alle gemessenen Wellenlängen ohne den Fehler, der durch die Fluoreszenzemission der Probe entsteht. Diese Form der Ermittlung ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Lichtquelle sowohl in einem Wellenlängenbereich zur Anregung von Fluoreszenz in der Probe als auch in einem Wellenlängenbereich der Fluoreszenz emittiert.This further aspect of the invention makes it possible to determine the reflectance both in a wavelength-dependent form and integrated over all the measured wavelengths without the error arising from the fluorescence emission of the sample. This form of determination is particularly advantageous when the light source emits both in a wavelength range for excitation of fluorescence in the sample and in a wavelength range of the fluorescence.
Dieser zweite Aspekt der Erfindung umfasst auch eine Steuereinheit und ein Computerprogramm, eingerichtet zur Durchführung des Verfahrens. Die Steuereinheit beziehungsweise das Computerprogramm kann zu diesem Zweck folgende Komponenten umfassen:
- a) Softwaremodul zum Einstellen des Pulsgebers zur Abgabe von Pulsen,
- b) Softwaremodul zum Aufnehmen von Intensitätswerten und zugehörigen Phasendifferenzwerten von an einem dispersiven Element spektral aufgespaltetem Probenlicht mittels der Laufzeitkamera,
- c) Softwaremodul zum Identifizieren einer Teilmenge der Intensitätswerte, deren zugehörige Phasendifferenzwerte kleiner als ein vorgegebener Schwellwert sind,
- e) Softwaremodul zum Ermitteln mindestens einer Stoffeigenschaft anhand der Teilmenge der Intensitätswerte.
- a) software module for setting the pulser for delivery of pulses,
- b) software module for recording intensity values and associated phase difference values of spectrally split sample light on a dispersive element by means of the time-of-flight camera,
- c) software module for identifying a subset of the intensity values whose associated phase difference values are smaller than a predetermined threshold value,
- e) software module for determining at least one substance property based on the subset of the intensity values.
Es kann sich dabei um unterschiedliche Softwaremodule handeln, es kann sich aber auch bei mehreren oder gar allen der genannten Softwaremodule um dasselbe Softwaremodul handeln.These may be different software modules, but it may also be the same software module in the case of several or even all of the named software modules.
Die Erfindung ermöglicht die Nutzung von Fluoreszenz-, Phosphoreszenz- und Lumineszenzvorgängen in Stoffen auf nichtinvasive, technisch einfache, kostengünstige und schnelle Weise zur Bestimmung von Probeneigenschaften und/oder zur Unterscheidung von Proben und/oder zur Quantifizierung/Konzentrationsbestimmung von Probenbestandteilen von ruhenden oder bewegten Proben. Auch Plausibilitätskontrollen sind möglich. Die beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen können aufgrund der hohen Messgeschwindigkeit und Messgenauigkeit zur Bestimmung der an der Probe beteiligten Inhaltstoffe und/oder deren Verpackung in der Prozessmesstechnik, Bioanalytik, Lebensmittelüberwachung und Werkstofftechnik eingesetzt werden. Die Vorrichtung kann zu diesem Zweck auf einer Traverse über einer Transportvorrichtung, auf welcher Proben vorbeibewegbar sind, montiert sein. Dabei ist es möglich, Mehrfach- und Multifluoreszenzvorgänge zu analysieren und – sofern notwendig – die ermittelten Daten so aufzubereiten, dass sie zur unmittelbaren Verwendung in der Prozesstechnik genutzt werden können, insbesondere in laufenden Herstellungsprozessen („in-line”, „on-line” oder „at-line”). Auch die optische Qualitätskontrolle der Abwesenheit bestimmter nicht erwünschter Anteile an der Probe, beispielsweise Verunreinigungen, ist auf diesem Wege möglich (Indirektes Messverfahren).The invention enables the use of fluorescence, phosphorescence and luminescence processes in substances in a non-invasive, technically simple, cost-effective and rapid manner for the determination of sample properties and / or for the differentiation of samples and / or for the quantification / concentration determination of sample components of quiescent or moving samples , Plausibility checks are also possible. Due to the high measuring speed and measuring accuracy, the described methods and devices can be used to determine the ingredients used in the sample and / or their packaging in process measuring technology, bioanalytics, food monitoring and materials technology. For this purpose, the device can be mounted on a crossbeam over a transport device on which samples can be moved past. It is possible to analyze multiple and multi-fluorescence processes and - if necessary - to process the determined data in such a way that they can be used for immediate use in process engineering, especially in ongoing production processes ("in-line", "on-line"). or "at-line"). Also, the optical quality control of the absence of certain unwanted portions of the sample, such as impurities, is possible in this way (indirect measurement method).
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of exemplary embodiments.
In den Zeichnungen zeigen:In the drawings show:
In allen Zeichnungen tragen übereinstimmende Teile gleiche Bezugszeichen.In all drawings, like parts bear like reference numerals.
Die Vorrichtung
Die sogenannte SBI-Korrektur („Suppression of Background Illumination”) des Sensors
Von der Probe
Die Intensitäts- und Lichtlaufzeitantwort der Probe
Mit einer eindimensional ortsauflösenden Laufzeitkamera
Die Steuereinheit
Während die Lichtquelle
Die Steuereinheit
Die Steuereinheit
Vorzugsweise bildet die Steuereinheit
Zur weiteren Auswertung wird der Steuereinheit
Die Ausgleichsrechnung wird genauer, wenn durch Kenntnisse von einzelnen Fluoreszenzvorgängen in der Probe, beispielsweise aus der Werkstofftechnik oder durch gezielte Leermessungen von Verpackungen, der (plausible) potentielle Lösungsraum eingeschränkt wird. Zur Minimierung von Messfehlern können zudem Messwerte aus Referenzmessungen, beispielsweise Hell- und Dunkelmessungen, zur Korrektur verwendet werden. Beispielsweise können eine oder mehrere Fluoreszenzlebensdauer(n) und/oder Phasendifferenzwert(e) aus einer oder mehreren Dunkelmessungen und/oder aus einer oder mehreren Messungen bekannter Stoffanteile der Probe
Zusätzlich kann das Amplitudenspektrum (spektrale Intensität) des Probenlichts P von der Steuereinheit
Vorzugsweise erfolgt die Aufnahme des Probenlichts P von regulären Proben
Mit den beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen ist es möglich, Fluoreszenzvorgänge spektral aufzulösen und gleichzeitig über die Zeitauflösung Stoffe zu unterscheiden und Lösungsansätze bei unbekannten Fluorophorgemischen über eine Auswertung des Phasenganges zu ermitteln. Durch Erstellung eines chemometrischen Modells und (empirische) Kalibrierung des Modells für eine betreffende Applikation ist es möglich, die Konzentration eines oder mehrerer fluoreszierender Stoffe in Stoffgemischen zu bestimmen. Dabei wird mit dem gezeigten Referenzaufbau eine absolute Messgenauigkeit für Fluoreszenzlebensdauern im ns-Bereich von 0,1 ns und eine Standardabweichung kleiner 50 ps erreicht, die noch deutlich gesteigert werden kann. Die chemometrischen Modelle können durch zusätzliche Kalibrierungen nach Zugabe von „Quenchern” zu den fluoreszierenden Stoffen mit noch höherer Genauigkeit erstellt werden. Mit den einmal erstellten chemometrischen Modellen ist der Einsatz in der Prozessmesstechnik zur Quantifizierung/Konzentrationsüberwachung und stofflichen Plausibilitätskontrolle, auch von verpackten Proben, kostengünstig und schnell möglich. With the described methods and devices, it is possible to spectrally resolve fluorescence processes and at the same time to differentiate substances via the time resolution and to determine solution approaches for unknown fluorophore mixtures via an evaluation of the phase response. By creating a chemometric model and (empirical) calibration of the model for a particular application, it is possible to determine the concentration of one or more fluorescent substances in mixtures. With the reference structure shown, an absolute measurement accuracy for fluorescence lifetimes in the ns range of 0.1 ns and a standard deviation of less than 50 ps is achieved, which can still be significantly increased. The chemometric models can be created with even higher accuracy by additional calibrations after adding "quenchers" to the fluorescers. With the once created chemometric models, the use in the process measuring technology for quantification / concentration monitoring and material plausibility control, even of packaged samples, cost and quickly possible.
Ein erster Nachweis der Messgenauigkeit des beschrieben Verfahrens und der beschriebenen Vorrichtungen erfolgte durch Analyse von fluoreszierenden Sicherheitsmerkmalen in Banknoten am Beispiel von 20 €- und 50 €-Noten. Dabei konnten die einzelnen Fluoreszenzlebensdauern von flächigen grünen und faserigen blauen Sicherheitsmerkmalen in räumlich eng beieinanderliegenden Bereichen nachgewiesen werden.A first proof of the measuring accuracy of the described method and the devices described was carried out by analyzing fluorescent security features in bank notes using the example of € 20 and € 50 notes. The individual fluorescence lifetimes of areal green and fibrous blue security features could be detected in spatially close areas.
Ein zweiter Nachweis der Messgenauigkeit des beschrieben Verfahrens und der beschriebenen Vorrichtungen erfolgte durch den Nachweis der Fluoreszenzeigenschaften in mit Tonic-Getränk gefüllten Flaschen. Es wurde der Chinin-Anteil im Tonic-Getränk durch die ebenfalls fluoreszierende Verpackung (Polyethylen mit unbekannten Beimischungen) hindurch analysiert. Die Flaschen stellen dabei eine geschlossene Hülle um die gemessene Probe dar und sind Teil der Probe. Die (relevanten) Fluoreszenzlebensdauern und Emissionsspektren einerseits des Inhaltsstoffs Chinin und andererseits der Verpackung (Multifluoreszenzantwort) konnten aus dem überlagerten Emissionsspektrum bestimmt werden. Durch eine Messung der Leerverpackung als Referenzmessung konnte nachgewiesen werden, dass die Analyse der Multifluoreszenzvorgänge in der Probe zur richtigen Lösung für die Fluoreszenzlebensdauer des Chinins führt, wobei im allgemeinen Fall Vorkenntnissen aus den Materialeigenschaften die Plausibilität der gefundenen Lösung unterstützen können.A second proof of the measurement accuracy of the described method and the described devices was made by the detection of the fluorescence properties in bottles filled with tonic beverage. The quinine content in the tonic beverage was analyzed through the likewise fluorescent packaging (polyethylene with unknown admixtures). The bottles represent a closed envelope around the measured sample and are part of the sample. The (relevant) fluorescence lifetimes and emission spectra on the one hand of the quinine ingredient and on the other hand of the packaging (multifluorescent response) could be determined from the superimposed emission spectrum. By measuring the empty packaging as a reference measurement, it could be demonstrated that the analysis of the multifluorescence processes in the sample leads to the correct solution for the fluorescence lifetime of quinine, in which case prior knowledge of the material properties can support the plausibility of the solution found.
Durch Zugabe von Quenchern, insbesondere Chloriden, beispielsweise NaCl – in dieser Applikation beispielsweise als Quencher für chemisch funktionelle Gruppen des Chinin –, konnte eine Veränderung der Fluoreszenzlebensdauer bewirkt und nachgewiesen werden. Die Erfindung erlaubt es, für eine konkrete Applikation ein jeweiliges Chemometriemodell zu erstellen, mit dem die Konzentration von Quencherstoffen in Proben durch zeitaufgelöste Spektroskopie ermittelt werden kann, und ermöglicht somit ein indirektes Messverfahren, beispielsweise für Qualitätsmerkmale einer Probe.By adding quenchers, in particular chlorides, for example NaCl - in this application, for example, as a quencher for chemically functional groups of quinine -, a change in the fluorescence lifetime could be effected and detected. The invention makes it possible to create a respective chemometrics model for a specific application, with which the concentration of quencher substances in samples can be determined by time-resolved spectroscopy, and thus makes possible an indirect measurement method, for example for quality features of a sample.
Das beschriebene Verfahren und die die beschriebene Vorrichtung
Ein besonders vorteilhafter Aspekt der Erfindung betrifft die Bestimmung des Reflexionsvermögens fluoreszierender Proben als Stoffeigenschaft, beispielsweise in Form eines Reflexionsgrads. Bekannt sind beispielsweise Grundlagen zur Bestimmung des (wellenlängenabhängigen) Reflexionsvermögens fluoreszierenden Proben bei der Prüfung von Papier und Pappe gemäß
Durch die erfindungsgemäße Nutzung der zeitaufgelösten Fluoreszenzmessung können die Nachteile der Messung nach
Alternativ zum Verwerfen von Messwerten in Abhängigkeit der Antwortzeit des Probenlichts kann ein gemessenes Reflexionsvermögen (Reflexionsgrad) einer Probe, insbesondere von Papier, durch Anpassen eines Modells einer Probe mit (mindestens) zwei Fluorophorsorten korrigiert werden, wobei für eine Sorte eine erste fiktive Fluoreszenzlebensdauer von Null vorgegeben wird. Sie stellt das von der Probe reflektierte/gestreute Anregungslicht dar. Sind in der Probe mehrere reale Fluorophorsorten enthalten, können diese im Modell näherungsweise als eine einzige (mit einer gemeinsamen zweiten Fluoreszenzlebensdauer) simuliert werden. Die reale/simulierte Fluorophorsorte in der Probe hat beispielsweise eine Lebensdauer von 2 ns, die zur Korrektur des gemessenen Reflexionsgrades zu ermitteln ist. Zu diesem Zweck wird die Probe wie oben beschrieben mit mindestens zwei verschiedenen Pulsfrequenzen beleuchtet und spektral aufgelöste Phasendifferenzwerte aufgenommen. Anhand der Phasendifferenzwerte wird das Modell mit den zwei unterschiedlichen Fluorophorsorten an die gemessenen Phasendifferenzwerte (und optional an die gemessenen Intensitätswerte) angepasst. Durch die Trennung in zwei Fluorophorsorten werden die Reflexion T und die Fluoreszenz E separiert, so dass der Reflexionsgrad korrigiert werden kann. Da sowohl eine breitbandig emittierende Lichtquelle als auch die Fluorophore komplexe Eigenschaften aufweisen und sich durch eine einzelne Fluoreszenzlebensdauer nur ungenau beschreiben lassen, wird die zweite Fluoreszenzlebensdauer vorzugsweise wellenlängenabhängig aus dem Modell ermittelt und das Reflexionsvermögen (Reflexionsgrad) entsprechend vorzugsweise wellenlängenabhängig korrigiert.As an alternative to discarding readings as a function of sample light response time, a measured reflectance of a sample, particularly paper, can be corrected by fitting a model of a sample with (at least) two fluorophore species, with a first fictitious fluorescence lifetime of zero for one species is given. It represents the excitation light reflected / scattered by the sample. If the sample contains several real fluorophore species, they can be simulated in the model approximately as a single (with a common second fluorescence lifetime). For example, the real / simulated fluorophore species in the sample has a lifetime of 2 ns, which is to be determined to correct for the measured reflectance. For this purpose, the sample is illuminated as described above with at least two different pulse frequencies and recorded spectrally resolved phase difference values. Based on the phase difference values, the model with the two different types of fluorophore is adapted to the measured phase difference values (and optionally to the measured intensity values). By separating into two fluorophore species, the reflection T and the fluorescence E are separated, so that the reflectance can be corrected. Since both a broadband emitting light source and the fluorophores have complex properties and can be described inaccurately by a single fluorescence lifetime, the second fluorescence lifetime is preferably determined as a function of wavelength from the model and the reflectivity (reflectance) is corrected according to wavelength dependent.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Messvorrichtungmeasuring device
- 22
- Probesample
- 33
- Lichtquellelight source
- 44
- LaufzeitkameraRuntime Camera
- 55
- Pulsgeberpulser
- 66
- Steuereinheitcontrol unit
- 77
- Lichtwellenleiteroptical fiber
- 88th
- Eintrittsspaltentrance slit
- 99
- Dispersives ElementDispersive element
- 1010
- Spektrometerspectrometer
- Ee
- Fluoreszenzemissionfluorescence emission
- LL
- Beleuchtende LichtpulseIlluminating light pulses
- PP
- Probenlichtsample light
- TT
- Probenlicht aus ReflexionSample light from reflection
- λλ
- Wellenlängewavelength
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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