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Single-Shot-Imaging-Fourier-Spektroskopie für chaotisch bewegte Objekte oder turbulente Szenen

Ref-Nr: TA-18/117TLB & 18/118TLB


Kurzfassung

Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben zwei neue Verfahren zur ortsauflösenden Single-Shot-FT-Spektroskopie entwickelt, mit denen hyperspektrale Bildinformation von bewegten Objekten oder turbulenten Szenen in rauer Umgebung gewonnen werden können.Bei beiden erfindungsgemäßen Mini-Spektroskopen führt der Einsatz einer neuartigen, anamorphotischen Spiegeloptik in Verbindung mit Bildfeld-Diskriminatoren zu einer kompakten optischen Anordnung und verhindert störende Einflüsse im Interferogramm.


Hintergrund

Der Bedarf, Proben spektral und ortsaufgelöst zu analysieren und zu bestimmen, sei es die Zusammensetzung von Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen oder auch die Detektion einer bestimmten Substanz als Komponente eines Stoffes, erstreckt sich über eine Vielzahl von Wirtschaftszweigen. In Forschung und Entwicklung, im medizinischen Umfeld, aber auch bei der Emissionsmessung und der Erkennung gefährlicher Chemikalien, ist die Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FT-IR-Spektroskopie) zur Analyse, Detektion oder Identifikation von Proben nicht mehr wegzudenken.


Problemstellung

Gerade für Anwendungen bei denen mobile z. B. handgeführte oder in Drohnen beziehungsweise in Helikoptern eingebaute Geräte eingesetzt werden müssen, fehlt es an Verfahren, die bei unruhiger Bewegung der Probe oder des Spektrometers schlüssige Ergebnisse liefern können. Gefragt sind hohe Lichtausbeute, kurze Belichtungszeiten und eine hohe Wellenzahlgenauigkeit des gemessenen ortsaufgelösten Spektrums sowie eine hohe Robustheit des Gerätes auch bei Erschütterungen. Ebenso sollten Geräte in kleinen Baugrößen mit kurzen optischen Wegen innerhalb des Interferometers und möglichst wenig optischen Komponenten realisierbar sein.


Lösung

Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben nun gleich zwei neue Verfahren zur ortsauflösenden Single-Shot-FT-Spektroskopie entwickelt, mit denen hyperspektrale Bildinformation von bewegten Objekten oder turbulenten Szenen in rauer Umgebung gewonnen werden können.
Bei beiden erfindungsgemäßen Mini-Spektroskopen ohne bewegliche Komponenten führt der Einsatz einer neuartigen, anamorphotischen Spiegel-Optik in Verbindung mit Bildfeld-Diskriminatoren zu einer kompakten optischen Anordnung und verhindert störende Einflüsse im Interferogramm. Ebenso können bei beiden Ansätzen die erfindungsgemäßen Spiegelgruppen monolithisch und damit vergleichsweise klein ausgeführt werden. Dies ermöglicht letztendlich die Konstruktion von neuartigen mobilen Messgeräten.

 

Single-Shot-FT-Spektrometer "Tilt" mit Zweistrahl-Interferometer

Bei diesem Verfahren werden Zweistrahl-Interferometer eingesetzt, bei denen zwei Bildfeld-Diskriminatoren direkt im Interferometer, an den beiden dort entstehenden kohärenten Bildern des Messobjektes, zum Einsatz kommen. Mögliche Zweistrahl-Interferometer sind hierbei Michelsontyp-, Mach-Zehnder- und zyklische Zweistrahl-Interferometer. Nach einer Bildfeld-Diskriminierung verbleibt für die Detektion jeweils nur ein schmales Teilbild. Aus den beiden kohärenten Teilbildern kann für jeden Messfleck des Bildes ein Interferogramm im Single-Shot-Modus gewonnen werden. Somit können viele Interferogramme – jeweils eines pro Messfleck – gleichzeitig aufgenommen werden. Diese liefern nach der Fourier-Transformation der Interferogramme ein hyperspektrales Teilbild. Durch Addition der zeitlich versetzt aufgenommenen, hyperspektralen Teilbilder ergibt sich das hyperspektrale Gesamtbild.
Sowohl im Michelsontyp- als auch im Mach-Zehnder-Interferometer wird in jedem Interferometer-Arm ein Retroreflektor, bestehend aus zwei Spiegeln, platziert, dem jeweils ein Bildfeld-Diskriminator zugeordnet ist. Durch den Retroreflektor entsteht eine laterale Verschiebung der Teilstrahlenbündel, die immer konstant ist d. h. invariant unter Verschiebung oder Verwacklung des Lichtstrahls ist.
Beim zyklischen Zweistrahl-Interferometer wird hingegen nur ein Retroreflektor aus zwei Spiegeln im umlaufenden Strahlengang eingesetzt. Diesem werden in jedem der beiden Strahlengänge wiederum je ein Bildfeld-Diskriminator zugeordnet, der sich innerhalb des Retroreflektors befindet.
Bei allen erwähnten Interferometertypen erfolgt also erstmalig die Bildfeld-Diskriminierung direkt im oder am Retroreflektor, also im Inneren des Interferometers.
Dieser Ansatz hat große Stärken in Bezug auf die Bildfeld-Diskriminierung lateral ausgedehnter Messobjekte. Auch bei lichtschwachen Objekten kann ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis durch den bekannten Lichtleitwertvorteil der FT-Spektroskopie erzielt werden. Durch die Tilt der Retroreflektoren, invariant unter Verschiebung, ist das Spektrometer selbst bei Erschütterungen wenig anfällig für eine Dejustierung.

 

Single-Shot-FT-Spektrometer "Shear" mit Michelsontyp-Interferometer

Dieses Verfahren erzeugt durch den Einsatz eines Michelsontyp-Interferometers in Verbindung mit einem speziellen Retroreflektor als Endreflektor, konkret umgesetzt als eine Dreifach-Winkelspiegelgruppe, eine bei Quer-Verschiebung invariante Lateral-Shear. Dadurch ist dauerhaft eine hohe Wellenzahlgenauigkeit erreichbar. Dies ermöglicht Messungen mit hoher spektraler Auflösung.
Aufgrund des Retroreflektors in Form einer monolithisch aufgebauten Dreifach-Winkelspiegelgruppe, bei der die drei planen Spiegelflächen jeweils senkrecht zu einer gemeinsamen Bezugsebene angeordnet sind, müssen sich die Bildfeld-Diskriminatoren nicht im Interferometer befinden. Es ist in diesem Fall ausreichend, dem Michelsontyp-Interferometer einen einzigen Bildfeld-Diskriminator voranzustellen. Bei der Untersuchung von alleinstehenden Punktlicht-Quellen kann sogar völlig auf einen Bildfeld-Diskriminator verzichtet werden.
Für die Imaging-FT-Spektroskopie kann also ein neues Instrument zur robusten Erzeugung räumlicher Interferogramme mit dauerhaft hoher Wellenzahlgenauigkeit und ohne bewegliche Komponenten im Interferometer geschaffen werden.


Vorteile

  • Hyperspektraler Single-Shot-Sensor mit Bildgebung
    • Messung in sich bewegter Objekte wie z.  B. Feuerstürme
    • Single-Shot-Ansatz ermöglicht Einsatz von vergleichsweise kostengünstigen Lichtquellen
  • Handgehaltener oder drohnenunterstützter Betrieb möglich: Hohe Robustheit im Feldeinsatz und Langzeitstabilität
  • Gute Ausnutzung der Lichtenergie, somit gute Energiebilanz
  • Hohes Potential zur Miniaturisierung
  • Kostenvorteile durch einfachen optischen Aufbau
  • Interferometer ohne bewegliche Komponenten
  • Akkumulation von Spektren gegebenenfalls möglich
  • Möglichkeit der Integration eines Autofokussystems zur präzisen Objekterfassung

Anwendungsbereiche

  • Untersuchung der Haut (Hautkrebs-Screening)
  • Untersuchung von teilweise freigelegtem Gewebe z. B. bei Tumor-Operationen
  • Inspektion des Augeninneren bspw. Netzhaut
  • Analyse von Lebensmitteln, insbesondere auf unruhig laufendem Transportband, auch Schüttgut-Produkte wie Getreide und Hülsenfrüchte
  • Fluoreszenzlicht-Analyse von Objekten und Szenen im UV-Auflicht
  • Messung in sich bewegter Objekte wie ausbrechende Vulkane oder Feuerstürme beim Überflug von Waldbränden
  • Erfassen wirbelnder Partikel
  • Identifikation von Kunststoffen in bewegten Objekten anhand des Spektrums, bspw. bei Müllsortierung am Band
  • Messungen aus der Hand und manueller Scan über Objekte (Spurensicherung in der Kriminalistik, Medizin, Hygiene, Archäologie, Botanik, Mineralogie)
  • Wärmebildgebung im Nah- und Fernbereich
  • Flughafenscanner

 

 


Service

Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.


Technologie-Lizenz-Büro (TLB) der Baden-Württembergischen Hochschulen GmbH

Dipl.-Ing Julia Mündel
+ 49 721 790 040
muendel@tlb.de
www.tlb.de
Adresse
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe



Entwicklungsstand

Funktionsnachweis


Patentsituation

  • EP 20 167 242.5 anhängig
  • EP 20 167 240.9 anhängig

Stichworte

Single-Shot Spektroskopie, bildgebende FT-Spektroskopie, Interferometer, Retroreflektor, Bildfeld-Diskriminator, Robustheit, hyperspektrale Bildgebung

Kontakt | Geschäftsstelle

TransferAllianz e. V.
Christiane Bach-Kaienburg
(Geschäftsführerin)

c/o TransMIT GmbH
Kerkrader Straße 3
D-35394 Gießen