具有led陣列的分光儀的製作方法

2023-05-25 19:12:21 3

專利名稱：具有led陣列的分光儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於確定樣品的至少一個光學屬性的裝置。此外，本發明還涉及 一種用於識別產品是品牌產品還是品牌產品的偽製品的方法，以及一種用於確定樣品的至 少一個光學屬性的方法。這種裝置和方法通常用在化學分析、環境分析、醫療技術中或其他 領域中。本申請的特別重點是用於防止產品剽竊的裝置和方法。
背景技術：
現有技術公開了用於確定樣品的至少一個光學屬性的多種裝置，他們通常以分光 儀的形式實現。這種分光儀通常具有用於生成可調光束的光源和至少一個檢測器。所述至 少一個檢測器被設計為從樣品獲取以冷光形式反射、散射、透射或發射的光(也就是說，磷 光和/或螢光)。光譜學方法已知將照射在樣品上的激發光以光譜方式調諧，並且光譜學方 法還已知按光譜分辨的方式提取從樣品發出的光，例如透光、螢光、磷光、反射光或散射光。由此，這種分光儀通常以這樣的方式來設計，即，他們具有光分離裝置，以光譜地 分離照射在樣品上的激發光和/或從樣品發出的檢測光。因此，例如，可將白光源用作激發 光源，其中為了改變激發光的波長，通過單色器(例如稜鏡和/或光柵)將從所述白光源發 出的光分解成其光譜成分，然後從這些光譜分量選擇特定波長或波長範圍作為激發波長， 並使其照射在樣品上或樣品中。通常，在其中調諧所發射的波長的這種光譜還稱為激發光
■i並 曰O類似地，在檢測端，可通過光分離裝置光譜分離從樣品發出的檢測光，以記錄檢測 光光譜。然而，在這些已知分光儀中使用的用於光譜分離光的裝置在實踐中極度複雜。因 此，由於光束的最小傳播路徑，所以特別是稜鏡分光儀以及使用光柵運行的分光儀需要大 量空間，為了可靠分離還需要適當的機構。此外，這種光學分離裝置在實踐中對于振動極度 靈敏，因此並不非常適用於例如移動單元中，特別是手持單元。為這種類型的分光儀裝置提供可調光源的另一可能在於使得光源自身可調。然 而，目前已知有少量可調光源，所述可調光源，也就是說，能夠可選地在至少兩個波長範圍 內發出光。這種可調光源的領域的一種主要實例是存在於各個技術實施例中的可調雷射。 因此，例如，特定類型的固態雷射、染料雷射和二極體雷射通常可在有限波長範圍可調。然 而，對於這些裝置的缺點在於，這種可調雷射通常可能對于振動、電磁影響、溫度影響或汙 物極度靈敏，由此對於這種雷射的操作需要相當大的技術開銷，並且在上面可調激發光的 波長範圍通常極度有限。同樣，這些缺點的效果就是雷射大部分不適用作手持單元的激發 光源(特別是上述類型的手持單元)，以防止品牌剽竊。

發明內容
因此，本發明的目的在於提供一種用於確定樣品的至少一個光學屬性的裝置，其 避免了本領域已知裝置的缺陷。具體地，該裝置使其能夠檢查產品是品牌產品還是品牌產品的偽製品。然而，該裝置也可用於其他領域中，特別地在需要移動手持單元的領域中。通過具有權利要求1的特徵的裝置實現該目的。在從屬權利要求中體現了可單獨 或組合實現的裝置的有利發展。在說明書內容中合併了所有權利要求。提出一種裝置，包括可調激發光源，用於向所述樣品施加激發光，特別地用激發光 照射所述樣品。此外，所述裝置包括檢測器，用於檢測從樣品發出的檢測光。為了避免結合 這種類型裝置的已知激發光源所出現的上述問題，本發明提出，所述激發光源包括發光二 極管陣列。所述發光二極體陣列至少部分地被配置為單片發光二極體陣列，其中所述單片 發光二極體陣列包括至少三個發光二極體，其每個具有不同的發射光譜。在這種情況下，「單片」應理解為表示如下組件不包括單獨部分(也就是說，單獨 發光二極體)，但實質上在單獨載體上的共同製造過程中製造(也就是說，例如單晶片，如 果合適，具有另外的單獨部分)。具體地，單片發光二極體陣列可具有具有無機半導體芯 片的無機單片發光二極體陣列和/或有機單片發光二極體陣列。其中提供有多個有機發光 二極體(也就是說，例如發光二極體具有聚合物和/或低分子量有機發射器和/或其他有 機層，例如有機η半導或P半導層)的這種有機單片發光二極體陣列可優選地配置有在載 體上集成的相應薄膜電晶體電路(例如有源陣列電路)。備選地或額外地，當前還可在載體 上集成其他組件，例如用於發光二極體的調製激發的電子驅動組件(見下文)。還可在具有 發光二極體陣列的無機半導體晶片上提供相應電路，例如用於驅動發光二極體的電晶體電 路。在該情況下，「陣列」在這裡被理解為表示包括至少三個發光二極體的發光二極體 設置。然而，優選地，為了提供用於記錄光譜的最大可能數目的「支持點」，發光二極體陣列 包括至少四個，特別優選地十個發光二極體，或甚至一百個發光二極體或更多。同時，對於這種類型的發光二極體陣列可技術實現為為單片部件，並且可通過並 行方法中的適當掩模技術或使用串行方法技術來製造，從而在半導體晶片上可彼此並排地 形成不同摻雜的發光二極體或均基於不同發射材料(例如不同無機半導體材料或不同有 機發射物)的發光二極體。例如，發光二極體陣列可包括規則排列的發光二極體的矩形或 正方形陣列，或不規則設置。這些發光二極體的每個優選地具有固定光譜寬度。這裡優選地，使用固有地具有 不超過30nm (優選地甚至不超過20nm)的光譜寬度(優選地，半高全寬，FWHM)的發光二極 管。優選地，使用覆蓋450nm至850nm的光譜寬度的發光二極體陣列。然而，也可實現這個 基本為可見光譜的部分區域，並且在實踐中取決於應用是有利的。如果發光二極體是溫度調節的，也就是說，保持基本恆定的溫度，可進一步改進發光二極體陣列，特別地在實踐中在可攜式單元中使用。為此，可提供溫度調節裝置，例如，其 被設計為調節所述發光二極體陣列的溫度。這個溫度調節裝置可包括一個或多個珀耳帖元 件，例如，其可用於冷卻發光二極體陣列。這樣，可通過溫度調節使得光譜屬性保持恆定，即 使在發光二極體經過負載的情況下和/或在改變周圍溫度的情況下。然而，其他類型的溫 度調節在原理上也是可能的，例如通過液體溫度調節。溫度調節裝置可包括特別地用於設 置操作溫度的調節裝置，例如，具有一個或多個溫度傳感器的調節裝置，所述傳感器用於檢 測發光二極體陣列的當前溫度。如上所述，本領域已知的許多分光儀裝置具有一個或兩個或甚至多個單色器，即光學分離裝置，他們不易在實踐使用中操作。相反，在根據本發明的裝置的情況下，使用例如與可調雷射器類似的可調光源的原理，即其中激發光源自身在其光譜發射屬性方面可變 的原理。例如，可通過例如連續打開來連續使用發光二極體陣列的各個發光二極體。通過 改變發光二極體的各個強度的混合體也是可能的。可按如下方式配置該裝置，例如，所述發 光二極體陣列的發光二極體彼此非常鄰近，以致於如果所述發光二極體陣列的所有發光二 極管打開，則出現基本混合的光束。為此，所述發光二極體可具有例如小於1毫米的平均間 隔(間距)，優選地小於800微米，以及特別優選地小於600微米。在這種類型的設置中，基 本組合所述發光二極體陣列的發光二極體的各個發射，以形成共同激發光束。然而，備選地或另外，還可提供利用光路徑的可逆性並將發光二極體的各個發射 組合以形成共同激發光束的組合裝置。例如，所述組合裝置可包括稜鏡和/或波長選擇鏡 (例如二色鏡)和/或光柵或纖維束，其中發光二極體的各個光束通過這些裝置形成在一 起，並被組合以形成共同激發光束。這樣，在發光二極體可用的光譜寬度內，可通過各個發 光二極體的相應驅動(也就是說，例如打開或關閉或設置光強度)來組合具有期望光譜屬 性的激發光束。同樣，備選地或另外，在檢測端，可提供光學分離裝置，其將檢測光光譜地分解成 至少兩個波長範圍。同樣可提供稜鏡；波長選擇鏡，二色鏡；光柵；或類似裝置。在該處或 獨立地，檢測器可包括例如具有至少兩個單獨檢測器的檢測器陣列，從而例如可在單獨檢 測器上成像不同波長的範圍。例如，為此同樣可使用單片配置的光電二極體陣列。因此，檢測器可具有例如與所述激發光非共線設置的至少一個螢光檢測器和/或 與所述激發光共線設置的至少一個透射光檢測器和/或用於檢測從所述樣品反射的反射 光的反射光檢測器。這種類型的各個設置是可能的，並且通過以下實例被部分描述。具體地，可提供用於驅動裝置的控制裝置。這種類型的控制裝置可包括例如微計 算機和/或其他電子組件，並且可作為電腦程式整體地或部分地實現。例如，控制裝置可 包括微計算機，如果合適，具有易失性和/或非易失性存儲器元件以及輸入和輸出裝置。所 述控制裝置可被設計為特別地通過驅動發光二極體陣列的各個發光二極體(例如通過選 擇用於每個不同發光二極體的相應二極體電流)來生成具有預定光譜屬性的激發光。為了通過在上述一個實施例中的提出的裝置記錄光譜，可連續驅動例如各個發光 二極體，以光譜地調節激發光，並且在每種情況下記錄檢測光。然而，在本發明的一個優選 實施例中，提供復用裝置，其能夠並行記錄多個或所有光譜分量以代替耗時的連續記錄方 法。為此，可將復用裝置設計為通過不同的調製頻率來調製所述發光二極體陣列的至少兩 個發光二極體。因此，特別地可以例如正弦或餘弦方式或以某些其他周期性激發形式(例 如鋸齒圖形、矩形圖形等)改變各個發光二極體的強度。在發光二極體的情況下，可通過例 如二極體電流的調製來影響這種調製，其中在許多情況下，由各個發光二極體發出的光的 光強度與二極體電流成比例，或符合已知關係。其中優選地通過不同調製頻率來調製所有發光二極體的各個發光二極體的這種 調製能夠例如在很短時間內和/或通過記錄光譜的鎖定方法實現檢測信號的光譜分析。這 樣，特別地，可大大改進由裝置記錄的信號和/或由裝置記錄的光譜的信噪比。最後，這還 可稱為「復用優勢」。特別地可通過如下事實來實現光譜的並行記錄，類似於已知鎖定技術，控制裝置還具有解調裝置，其中解調裝置被設計為相位靈敏地和/或頻率靈敏地解調檢測光，以及 在每種情況下將其分配給所解調的發光二極體之一。這樣，在避免光源的連續「調諧」的同 時，可光譜地分離同時記錄的檢測光的檢測光分量，因此可在很短時間內記錄光譜。因此， 可在一秒的很小部分內影響光譜的這種記錄，這對於手持單元變得非常有利。在手持單元 的情況下，由於手的搖動和樣品的相關改變，例如手動設置在要檢查的樣品表面上的手持 單元，常用的光譜方法一般不能夠使用。相反，在幾秒內提供光譜的手持分光儀適用於該目 的。因此，該裝置可被配置為移動手持單元，並且還可包括外殼，其包括用於向液體 試管引入液體或氣體樣品的開口 ；用於引入固體樣品的開口 ；用於向位於外殼外部的樣品 施加激發光，以及用於提取檢測光的開口 ；以及需要的其他部件。外殼還可優選地包括上述 控制裝置。這種類型的移動手持單元可有利地用於化學分析、醫療技術(例如在醫療診斷 領域中)，以及在上述「品牌保護」的領域(防止品牌和產品盜版)。優選，這種類型的手持單元還具有至少一個接口，用於將其連接至移動數據傳輸 單元和/或計算機，例如基於有線和/或無線接口，例如藍牙接口等。備選地或額外地，還 可提供用於無線數據傳輸的數據傳輸裝置，例如用於在移動無線電網絡中發送數據的數據 傳輸裝置。這樣，例如可使用如下方法，其中測試員通過該裝置在現場檢查相對大量的物 品，向中央計算機發送結果(例如可攜式計算機和/或經由移動無線電網絡發送至中央計 算機)，其中在手持單元自身中和/或在中央計算機中(例如與已知光譜相比)，可確定當 前被測試的產品是授權製造商批准的(即，例如許可的)產品還是偽製品。還可相應地影 響從中央計算機到移動手持單元的反饋信號，所述信號包括比較的結果。然而，額外地或備 選地，還可在移動手持單元自身中整體地或部分地影響評估。相應地，提出一種方法，涉及檢查產品是品牌產品(也就是說，來自特定製造商的 特定產品)還是品牌產品的偽製品，其中所述品牌產品具有至少一個特徵光學屬性。在這 種情況下，使用在上述一個實施例中的裝置來測試所述產品是否具有特徵光學屬性。所述 特徵光學屬性同樣可以是例如螢光屬性；磷光屬性；吸收屬性；反射屬性；散射屬性或這些 或其他屬性的組合。例如，可通過目標方式搜索公司標誌中使用的染料(所述染料也可部 分地對於人眼可見)，例如特定的螢光屬性。特別優選地，在這種情況下，品牌產品包括礦物油產品。例如，可將以目標方式可 光譜識別的標記染料與這種礦物油產品混合。這樣，可通過提出的手持單元快速和可靠地 識別出不具有所述標記染料的偽製品。這樣，標記染料可作為染料或顏料單獨混合，或備選 地或額外地，也可包含與產品的分子接合(例如通過化學或物理接合)的標記組的形式。其 他形式的標記也是可以的，並且對於本領域普通技術人員已知。為了評估的目的，可使用關聯方法，例如，其中將通過手持單元和/或通過上述裝 置的某些其他配置記錄的光譜與已知光譜(特別地，基準光譜)相比較。這樣，可快速和可 靠地得到與偽製品的存在或不存在或偽製品相關的相應評論。結合從屬權利要求，根據優選示例性實施例的以下描述，本發明的其他細節和特徵將變得清楚。這樣，各個特徵可通過自身實現，或彼此組合。本發明不限於示例性實施例。 在附圖中示意性示出示例性實施例。在這種情況下，在各個附圖中的相同標號指定彼此相 同或功能相同或在他們的功能方面相應的元素。


圖1示出根據本發明的裝置的基本示意圖；圖2示出作為用於吸收和螢光測量的手持單元的配置中的裝置的示意圖；圖3示出作為用於反射測量的手持單元的裝置配置的示意圖；圖4示出根據具有LED陣列晶片的本發明的激發光源的平面圖的示意圖；圖5示出LED陣列晶片的放大視圖；圖6示出根據圖5的LED陣列晶片的各個LED的發射光譜的視圖；圖7示出具有復用裝置和解調裝置的裝置配置的示意圖；圖8示出從通過圖7中的裝置獲得的測量數據創建光譜的示意圖；圖9示出根據本發明的方法的可能流程圖；圖10示出根據圖7的裝置修改的示意圖；以及圖11示出通過根據圖2的裝置標記有標記物質的礦物油的光譜測量的實例。
具體實施例方式圖1示出根據本發明的裝置110的示例性實施例的示意性視圖，所述裝置110用 於確定樣品112的至少一個光學屬性。在這個簡單的示例性實施例中，裝置110包括塗覆在 鋁載體116上的單片發光二極體陣列114(以下還稱為LED晶片)。通過珀耳帖(Peltier) 元件118(圖1中示出與鋁載體集成)來應用鋁載體116。在這個示例性實施例中，珀耳帖 元件118用作調節LED晶片114的溫度的溫度調節元件。 可選地，在裝置110中的LED晶片114前方引入監視器120，以呈現由LED晶片114 生成的激發光束122。監視器120用於檢測由LED晶片114發射的激發光強度，並且能夠進 行例如激發光源的數學校正。將激發光束122射入樣品112，在該示例性實施例中樣品112是液體並且被容納在 試管124中。所述試管124具備基本圓形的截面，在與激發光束122的入射方向垂直方向 上具備扁平部分126。此外，根據圖1中的示例性實施例的裝置110具有2個檢測器128、130。因此，第 一檢測器128與激發光束122共線設置，並且可用於例如吸收測量。所述檢測器130也可 例如被配置為光電二極體或感光電池的陣列或二極體行，並用於檢測透射的檢測光132。此 夕卜，在圖1中所示的示例性實施例中，在所述透射光132的波束路徑中設置用於散光校正的 平面散光(planastigmatic)校正134。所述平面散光校正134具有校正特別地由圓形樣品 引起的散光失真的作用。在圖1中所示的示例性實施例中，將第二檢測器128設置在與激發光束垂直的觀 察方向(或不同於90°的觀察方向，例如60° -89° )，從而可通過所述檢測器128檢測以 螢光136形式的檢測光(其與激發光束122的入射方向垂直地離開樣品112)。可選地，還 可在檢測器128和樣品112之間配置一個或多個濾波器138。圖1中所示的裝置110可通過很小尺度實現，並且從原理上包括相應驅動和評估 電子器件，可以是例如移動無線電電話的大小。圖2和3示意性示出在外殼210中結合根據圖1的或根據圖1中的裝置的變型的結構的裝置110。例如，所述外殼210可具有在每個實例中不超過20cm的寬度和高度以及不超過5cm的深度的尺度。例如，所述外殼210可以由塑料(例如聚丙烯或類似塑料)構 成，從而裝置110被配置為手持單元，並且可便捷地存放在口袋中，例如，用於實地。圖2中的裝置110同樣具有作為激發光源的發光二極體陣列114，由於發光二極體 陣列114的各個光源設置非常接近(見下文)，所以發光二極體陣列114基本生成單獨的激 發光束122。圖2中未示出樣品112。相反，提供塗覆片212，通過其可將樣品112引入外殼 210的內部，以使其位於激發光束122的波束路徑中。例如，在外殼210中可提供相應安裝 件用於該目的。代替片，還可提供任意其他類型期望的關閉物，例如滑板、插入物或類似類 型的關閉物。此外，在根據圖2的配置中，同樣提供2個檢測器128、130，其功能可參照關於圖1 的描述。此外，根據圖2的示例性實施例的裝置110具有控制裝置214，其可包括例如微計 算機和/或其他電子組件，並且其用於驅動發光二極體陣列114，還用於從檢測器128和 130讀取。裝置110還可包括指示元件216 (例如一個或多個顯示器和/或光學指示器)以 及操作元件218。此外，在根據圖2的示例性實施例中，裝置110包括接口 220，用於與其他 單元(例如一個或多個計算機)進行(基於無線和/或有線)的數據交換。圖3示出裝置110的備選配置。儘管圖1和2中的裝置適用於例如透射、吸收、熒 光和磷光測量，但是在圖3中的示例性實施例的裝置110主要適用於反射測量。為此，能夠 將樣品再次引入外殼210，在類似於圖1或圖2中的設置中測量所述樣品的反射屬性。然 而，以這裡外殼210具有開口 310的方式配置圖3中的實施例的變型。從外殼尺度的觀點同 樣可配置為手持單元的裝置110可通過開口被按壓或放置在例如樣品上(圖3中未示出)， 例如其方式為要檢查的樣品的表面區域位於開口 310的區域中。同樣提供發光二極體陣列114，其是由控制裝置214驅動，並將激發光束122應用 到樣品表面。此外，裝置Iio具有反射檢測器312，其以反射光314的形式提取從樣品反射 的檢測光。在這種情況下，可在發光二極體陣列114和反射檢測器312之間優選地提供屏 幕316，所述屏幕防止激發光122直接從發光二極體陣列114進入檢測器312。由反射檢測 器312提供的反射信號再次被傳送至控制裝置214用於評估。再次提供指示元件216和用 於操作裝置110的操作元件218。如圖3所示的裝置的示例性實施例示意示出用於在裝置110和其他單元(例如中 心伺服器和/或另一計算機)之間數據交換的另一變型。為此，作為備選或除了接口 220 之外，裝置110具有移動數據傳輸裝置318。這樣，可經由標準化的移動無線電網絡交換數 據。然而，作為集成到裝置110中的移動數據傳輸裝置318的備選，可想到其變型，例如，裝 置118經由接口 220連接至另一移動數據傳輸單元，例如行動電話，然後利用所述行動電話 進行數據交換。在圖4的平面圖中示出激發光源410的示例性實施例。激發光源410可用作在例 如圖1至3中所示的裝置110中生成激發光束122的光源。激發光源410包括基板412，其可被配置為例如具有2個孔414的圓形鋁盤414。 珀耳帖元件(圖4中未示出)也可容納在基板412中，以調節激發光源的溫度。例如，所 述珀耳帖元件可容納在基板412的後端上的凹處或通過熱導電粘合劑粘合在所述基板412上。例如通過粘接將圖1所述的發光二極體陣列114容納在激發光源410的基板412 上。以下參照圖5更詳細說明所述發光二極體陣列114的配置。此外，引線416容納在基板412上，並且例如可通過絕緣中間載體(圖4中未示出) 從鋁基板412隔離。例如，可將聚醯亞胺用作在上面應用引線416(例如在厚膜方法中)的 中間載體，由此可向發光二極體陣列114提供電流和驅動。也可使用絕緣漆或絕緣粉末塗 層，作為引線416和鋁基板412之間的中間載體或絕緣層。發光二極體陣列114可粘接在 例如基板412上和/或通過鎖力方法(例如夾住方法)固定在那裡。引線416接下來連接 至發光二極體陣列114的電極，為此例如可使用線接合方法。最後，引線416通過插頭連接器418接觸連接，其中可通過帶狀電纜使其來連接插 頭(源自圖4下方)。插頭連接器418可例如同樣旋擰或粘接在基板412上。這樣，通過圖4中所示的設置，可以構成可在需要這種類型可調激發光源的多個 裝置Iio中使用的緊湊、堅固、較大的振動靈敏性和可調的激發光源410。圖5示出發光二極體陣列114的放大圖。在該示例性實施例中，這個發光二極體 陣列114包括3個單獨的單片發光二極體晶片420、422、424。在這種情況下，第一晶片420 包括9個單獨的發光二極體426，第二晶片422包括6個單獨的發光二極體426，第三晶片 424包括3個這種類型的發光二極體426。在這種情況下，發光二極體426均可看作具有不 同電極接觸428的方形區域，在圖5中的視圖中將電極接觸顯示為黑色。例如通過線接合 方法使得電極接觸428電接觸連接。在這種情況下，單獨的發光二極體426均在每個晶片420、422、424的公共載體430 上構成，其方式為他們具有不同的發射特徵(見下文，圖6)。單獨的電極接觸428可通過例 如線接合連接至引線416 (見圖4)。為此，還可將接合墊設置在單獨的載體430上，可在其 上設置接合墊接合位置。在這種情況下，在圖5中，設置3個發光二極體晶片420、422和424，其方式為整個 發光二極體陣列114具有3. 4mm的寬度B和1. 6mm的高度H。發光二極體陣列114具有約 600 μ m的間距(例如在相鄰發光二極體426之間的中心到中心距離)。在這種情況下，整 個區域的約四分之一用發光二極體426的有效區域來填充，剩餘表面區域是空隙。因此，在 該示例性實施例中，單獨的發光二極體426與各個相鄰發光二極體426的距離為約300 μ m。 然而，可想到與圖5所示設置不同的設置，例如，將整個發光二極體陣列114設置為具有單 獨共用載體430的單獨、單片晶片的設置。單片陣列的發光二極體的構成細節對於半導體 技術領域的普通技術人員是已知的。圖5中示出的具有3個單獨發光二極體晶片420、422 和424的發光二極體陣列114由德國柏林的EPIGAP Optoelektronik GmbH的合同製造來 構成，並包括例如具有AlGaAs/AlGaAs和/或AllnGaP/GaP和/或AllnGaP/GaAs和/或 AlGaAs/GaAl As和/或InGaN/Al203作為半導體材料的發光二極體。圖6示出根據圖5的發光二極體陣列114的18個發光二極體426的單個光譜。這裡，在每個情況下，在橫坐標上繪製波長λ，以及在縱坐標上繪製任意單元的強度Φ (標準 化為1)。可看出，發光二極體陣列114的發光二極體426的光譜覆蓋約450nm和約850nm 之間的光譜範圍。在這種情況下，光譜的各個最大值610並沒有等距地分布。然而，綜合來看，各個發光二極體426的光譜是非常窄帶，從而任意發光二極體426的半高全寬(例如， 對於圖6中具有最常波長的發光二極體426繪製半高全寬)不超過30nm的值。通常的半 高全寬甚至在30nm以下，從而優選地可選擇20nm作為半高全寬的上限。在這種情況下，半高全寬(FWHM)應被理解為表示在強度值的最大值610 —半處的 發射曲線的光譜寬度。基於圖6可容易看出，可通過各個發光二極體426的發射的強度調節來容易地生 成可視光譜範圍內的幾乎任意期望光譜。這種驅動可包括數字驅動，也就是純開/關切換， 但是還可包括最大亮度和關閉狀態之間的中間值，例如以數字灰度級調節(例如亮度的8 或16位驅動)的形式，或者是純模擬驅動。這樣，幾乎可按期望地混合各個發光二極體426 的強度Φ。圖7示出用於確定樣品112的至少一個光學屬性的裝置110的基礎示意圖，其基 本上對應於圖1或圖2的結構。基於該基本示意圖，給出本發明的發展的說明，其中通過各 個發光二極體426的強度的適當調整，可省略激發端的單色儀，然而在其中優選地可幾乎 同時地記錄樣品112的完整光譜。這樣，僅通過圖7中的實例考慮螢光136，但是其他配置 也是可能的，例如(可選地或另外地)透射或吸收光譜、磷光光譜、反射光譜或其他類型分 光儀。在這些實例中，應類似地修改圖7中所示的原理。
圖7示出同樣包括發光二極體陣列114(例如圖5中所示的發光二極體陣列114) 的設置，其中所述發光二極體陣列114的各個發光二極體426可單獨地驅動。然而，可獨立 於發光二極體陣列114，將下述的測量原理擴展到包括可彼此獨立驅動的光譜不同的激發 光源的其他類型激發光源。由此，應參照圖9，其示出根據本發明的方法的概括流程圖，該方 法也可獨立於發光二極體陣列114的存在而執行，也就是，利用具有獨立可控的、光譜不同 的各個激發光源的任意期望激發光源。代替地或除了利用螢光檢測的下述方法，當然，其還 可能類似地評估其他光學屬性，例如反射信號、散射信號、磷光信號、透射信號和/或其他 類型光學信號。圖9中的各個方法步驟可通過未示出的其他方法步驟來補充。此外，圖9中所示 的方法步驟的順序被執行，但並非強制的。此外，也可重複執行單個或多個方法步驟。以下 將聯合闡明圖9中的方法和圖7中的基本結構。對於圖7中的裝置110的結構，可主要參照根據圖1的結構。然而，可相對於圖1 將該結構擴展到在這裡可選地和例如實現2波束結構的效果。因此，基準波束710從激發 光束122分出(例如通過部分透射鏡，未示出，或通過某些其他光學裝置)。通過基準檢測 器712來監視或獲得所述基準波束710的強度。根據圖7中的示例性實施例的裝置110具有復用裝置714和解調裝置716。在每 個實例中，這裡的復用裝置714和解調裝置716共享一系列本地振蕩器718，其由圖7中的 「L0」示出。根據發光二極體426 (或某些其他類型的各個可驅動光源)的數目η，存在η個 本地振蕩器718。本地振蕩器718均生成例如正弦、餘弦、矩形或不同周期信號的形式的時鐘信號 720，其每個具有針對每個發光二極體426 (或其他光源)的各個頻率Π至fn。在復用裝置 714的環境中，將所述時鐘信號720傳送至向各個發光二極體426提供電流的電流源722或 通常的驅動系統。這樣，對於每個發光二極體426生成各個發光二極體電流724，通過所述電流驅動各個分配的發光二極體426。這樣，可通過各個頻率fl至fn調製各個發光二極體 426的強度Φ，從而這些頻率分量包含在激發光122中。在圖9的示意性方法序列中，通過 標號910示意性指定各個光源Π至fn的這個調製步驟。這樣，可通過各個光源的調製910 來調製激發光束122，其方式為所述調製包括不同調製的光譜分量。通常，可由此生成以下 光譜
formula see original document page 13在這種情況下，Φ (λ，t)指示在每種情況下根據波長和時間的強度，其作為各個 光源的強度的總和來組合。該總和包括在每種情況下用於各個光源的恆定偏移分量Oi, 八入)I (在這種情況下，運行變量從1到n，也就是說，在所有光源上)。此外，總和包括對於 各個光源的調製分量，在每種情況下其包括前因子ΦΜ(λ)，在該示例性實施例對於各個 光源通過各個調製頻率fi對其進行餘弦地調製。如上所述，通過本地振蕩器718生成所述
調製頻率。在每種情況下，通過對於各個光源的相位φ 分別使得調製被相移。這樣，通過
在各個光源(例如各個發光二極體426)的可用光譜(相比於圖6)的環境中適當地設置變
量9u|、fi和^ |，在方法步驟910，可通過各個調製的各個光源生成具有期望光譜設計的激
發光束122。在這種情況下，可使用理想地無限數目個各光源，其每個具有無限窄的發射光 譜，從而可通過每種情況下分別調製的各個頻率來建立連續的任意光譜。如上所述，從激發光束122分出基準波束710。在樣品112中，激發光束122相應 地生成螢光136，所述螢光隨後具有單獨調製，以響應步驟910中的調製。在方法步驟912 中，例如通過根據圖7的配置中的檢測器128提取所述螢光。如果使用其他分光儀設置，則 例如在所述方法步驟910中提取透射光、反射光或其他光。然後，類似地執行其他方法步 馬聚ο並行地(或具有時間偏移)，在方法步驟914 (這是可選的方法步驟)，例如通過基 準檢測器712檢測基準波束710。根據在方法步驟910中執行的調製，由2個檢測器128和712 (其中也可能提供更 多檢測器)生成的信號同樣包含具有頻率Π至fn的頻率分量。在螢光136中，在每個實 例中的這些頻率分量對應於樣品112對相應調製光源的光譜的響應。例如，對從第一發光 二極體426 (LEDl)入射的光的螢光響應(通過頻率fl調製)同樣包含在螢光光束136中， 具有頻率fl。因此，所述螢光響應可通過在頻域中螢光的適當頻率分析來恢復，從而可時間 上並行地確定對每個激發光源的螢光響應。為了這個目的，在方法步驟916，螢光檢測器128被分開並與各個本地振蕩器718 的每個時鐘信號720單獨混合在頻率混合器726中。這形成混合信號，隨後由適當濾波器 (圖7中的730)對該信號濾波(圖9中的方法步驟918)。例如，所述濾波器730可具有低 通濾波器和/或帶通濾波器，對於每個混合信號728在每種情況下將其協調至各個調製頻 率fl至fn。這樣，可生成原始信號Sl至Sn，他們由圖7中的標號732來標識並且在每種 情況下他們是對於各個發光二極體LEDl至LEDn的照射的入射的響應信號。在方法步驟916至918中描述的並且在解調裝置716中執行的方法步驟是例如射頻技術中的標準方法，他們用在例如鎖定方法的環境中。由此，所示方法和/或所示配置的修改是可能的，並且對於本領域普通技術人員是已知的。以類似方式，可解調(可選地)在方法步驟914中提取的基準光。在這種情況下 (圖9中的方法步驟920)，這個基準信號可隨後被分成η個獨立信號，然後在每種情況下將 其與時鐘信號720混合在頻率混合器734中。隨後，在方法步驟922，類似於方法步驟918 的以上描述，在濾波器936中引起濾波操作，所述濾波操作同樣再次適於各個調製頻率。這 樣生成各個基準信號738。此外，圖9示出可如何進一步處理由上述方法和例如由圖7所示的裝置110獲得 的原始信號732和基準信號738，以生成樣品112的螢光光譜。然而應指出，以下所述的方 法步驟是可選的，以及原始信號732的其他類型的進一步處理也是可能的。例如可在控制 裝置214中影響信號處理，如例如圖2和3所示。所述控制裝置214還可整體地或部分地 包括復用裝置714和/或解調裝置716，例如以離散電子組件的形式和/或整體地或部分地 以計算機實現的軟體模塊的形式。在方法步驟924，在每種情況下從原始信號Si 732(其中i假設為1和η之間的 值)和分配的基準信號Ri738形成商。這個商形成的結果是一組η個相對螢光Fi。在方 法步驟926，後者可基於(例如各個發光二極體426的)光源的相應波長Xi來繪製。圖8 中示出這種繪製的結果。例如，在每種情況下波長λ i可以是各個發光二極體的最大值610 的波長。這形成包括各個點並且在圖8中示意性示出的光譜。由此還可看出，由於隨著光 源數目的增加可最終組成連續光譜，所以最大可能數目的不同波長λ i是有利的。在方法步驟928，由此獲得的信號和/或已經存在的原始信號732可隨後可選地 被進一步處理和評估。在控制裝置214和/或在外部計算機中可再次被影響的該評估928 可包括例如在根據圖8的光譜中的圖形識別。例如，由此獲得的光譜可與已知基準光譜關 聯。例如，包含在品牌產品中的標記物質的基準光譜。如果確定匹配(例如在預定閾值以 上的匹配)，則推出在樣品112中包含標記物質。這樣，可以從偽製品識別出和區分出例如 品牌產品，例如來自特定製造商的礦物油。由此，可利用圖9中所示的方法和根據該方法的 裝置110(例如根據圖2和/或3的裝置)，以實施品牌保護以及在現場快速和可靠地識別 偽製品。最後，圖10示出在圖7中所示的裝置110的變型。這個方法變型基於根據圖7中 的裝置110通常需要具有用於信號分析的頻率混合器726的一個或多個鎖定放大器，在原 理上其需要相對更大的支出。如果例如使用包括作為集成組件的所需組件的集成電路，則 可降低這個支出。相反，圖10示出可例如通過完成的電子組件操作的裝置110的變型。根據圖10的裝置110首先以基本類似於圖7所示的方式構成，從而對於大部分組 件可參照圖7的以上描述。然而，相比於圖7，在圖10中，首先將至少一個檢測器128提供 的至少一個信號轉換成在一個或多個模數轉換器1010中的一個或多個數位訊號。將所述 模數轉換器1010的一個或多個輸出信號傳送至頻率分析器1012。在該示例性實施例中，所 述頻率分析器1012整體地或部分地執行解調裝置716的功能。這裡，例如通過快速傅立葉 分析(FFT)來分析檢測器128的至少一個信號，從而例如可單獨地在每種情況下確定位於 頻率範圍fl至fn中的部分信號。然後，作為信號Sl至Sn輸出這些信號(在圖10中指示 為「原始信號」732)。例如通過參照圖8所述的方法，例如使用基準信號738來隨後進一步處理這些原始信號732，特別地用於創建與圖8中所示的光譜類似的光譜。此外，還應指出，甚至還可進一步修改圖10中所示的裝置110的變型，以影響同樣可由頻率分析器(代替頻率混合器734)生成的基準信號738。為此，可通過模數轉換器再 次將至少一個基準檢測器112確定的至少一個信號轉換成至少一個數位訊號，並隨後在頻 率分析器中經過頻率分析(例如再次傅立葉變換)。這裡，同樣，這些基準信號Rl至Rn 738 的進一步處理將再次類似於圖8的以上描述。還可想到如下裝置變型由頻率分析器僅生成基準信號738，而類似於圖7生成原 始信號732。還可想到，可使得本地振蕩器718的時鐘信號720對於一個或多個頻率分析器 1012可用，後者用於生成原始信號732和/或生成基準信號738，以進一步改進頻率分析。為了在一個可能實施例中的上述裝置的測試，可在已知物質上執行各種特定測 量。圖11例如示出這種測量的測量結果，其可通過類似於圖2中所示的裝置的測量設置來 獲得。在這種情況下，在這個測量實例的環境中使用類似於圖10所示的實施例的測量和評 估方案，從而對於這個測量的細節，可參照所述圖2和20的描述。在所示示例性實施例中，使用圖2中所示的裝置110來檢測在圓形樣品容器中用 標記物質標記的礦物油的消光光譜。這裡，使用來自Aral的商業柴油作為礦物油。將具有 如下結構分子式的蒽醌與所述柴油混合作為標記物質
formula see original document page 15在礦物油中，標記物質的濃度是500pb (質量單位)。將標記物質溶解在礦物油中， 並填充到由具有17mm直徑和63mm高度(約8ml的容積)的透明玻璃(硼矽酸鹽玻璃)構 成的樣品瓶中。將樣品瓶作為樣品112(見圖1)引入圖2所示的裝置110，並通過激發光 束122照射。在該示例性實施例中，檢測器130僅檢測透射光132。在這方面，在圖10的 範圍內不同於根據圖10的裝置的設置示出螢光136的測量的實例，然而在該示例性實施例 中，代替螢光136，透射光132被檢測、並通過ADC1010來數位化，以及通過頻率分析器1012 來分析。由此測量通過樣品瓶透射的強度11至118(所述強度相應於圖10中的信號Sl至 Sn)。測量持續時間僅是約5秒。然後，從裝置110取出樣品瓶，隨後在101至1018中測量 落在檢測器130上的強度，其相應於圖10中的信號Rl至Rn。這示出(見圖7)基準光束 710不需要一定是從激發光束122分離的光束，但是還可例如通過簡單地取出樣品112整體 地或部分地與後者相同。此外，圖7中基準檢測器712不需要一定與檢測器128、130(見圖 2)單獨實現，但是也可與所述檢測器128、130中的一個或多個整體地或部分地相同。
圖11中所示的圖形表示示出根據ε i = log(10i/li)計算的消光ε。在圖11中 繪製隨以nm為單位的波長λ變化的消光。在這種情況下，在圖11中以方塊示出各個發光 二極體426的各個測量點。實線代表匹配於所記錄的18個測量點的多項式擬合函數。圖11中所示的測量曲線首先示出在約600nm以下範圍內礦物油的消光的範圍。在 波長增加時，該消光大大降低。在從約650至850nm的範圍內，該消光符合標記物質的特徵 消光。該簡單的示例性實施例通過圖2中所示的裝置110示出，可以通過簡單和快速的方 式記錄標記物質的特徵光譜，而不需要耗時和技術複雜的激發光源的調諧。這樣，因此例如 可實現簡單的手持單元，在該實例中在幾秒中內現場地提供與樣品(例如在該實例中的標 記礦物油)相關的信息。因此，這種裝置表現了對於有效抵制盜版的相當大的進步，因為例 如以這個方式通常對於人眼至少大部分不可見並僅附連在原始產品的特徵標記可在現場 例如快速和簡單地找到。 標號列表110用於確定樣品的至少一個光學屬性的裝置112 樣品114發光二極體陣列116鋁載體118珀耳帖元件120監視器122激發光束124 試管126扁平部分128檢測器130檢測器132透射光(檢測光)134平面散光校正I36螢光(檢測光)138濾波器210夕卜殼212塗覆片214控制裝置216指示元件218操作元件220 接口310 開口312反射檢測器314反射光(檢測光)316 屏幕318移動數據傳輸裝置410激發光源
412 基板914獲得基準光414 孑L416 引線
418插頭連接器420發光二極體晶片422發光二極體晶片424發光二極體晶片426發光二極體428電極接觸430 載體610最大值612 半高全寬，FWHM710基準光束712基準檢測器716解調裝置718本地振蕩器720時鐘信號722電流源724發光二極體電流726頻率混合器728混合信號730濾波器732原始信號734頻率混合器736濾波器738基準信號910調製各個光源的強度912獲得螢光1010模數轉換器916將螢光信號與調製頻率混合918 濾波920將基準信號與調製頻率混合922 濾波924 形成商 Si/Ri926基于波長λ i來繪製商Si/Ri = Fi928 評估1012頻率分析器
權利要求
一種用於確定樣品(112)的至少一個光學屬性的裝置(110)，其中所述裝置(110)包括可調激發光源(114；410)，用於向所述樣品(112)施加激發光(122)，其中所述裝置(110)還包括檢測器(128，130；312)，用於檢測從樣品(112)發出的檢測光(132，136；314)，其特徵在於，所述激發光源(114；410)包括發光二極體陣列(114)，其中所述發光二極體陣列(114)至少部分地被配置為單片發光二極體陣列(114)，其中所述單片發光二極體陣列(114)包括至少三個發光二極體(426)，其每個具有不同的發射光譜。
2.如在前權利要求所述的裝置(110)，其中所述發光二極體陣列(114)包括以下發光 二極體陣列(114)中的至少一個具有無機半導體晶片的無機單片發光二極體陣列(114)； 有機單片發光二極體陣列，優選，具有在所述發光二極體陣列的載體上集成的薄膜電晶體 電路的無機單片發光二極體陣列。
3.如兩個在前權利要求中任一個所述的裝置(110)，其中所述發光二極體陣列(114) 包括至少十個發光二極體(426)。
4.如在前權利要求中任一個所述的裝置(110)，還包括溫度調節裝置，其中所述溫度 調節裝置被設計為調節所述發光二極體陣列(114)的溫度。
5.如在前權利要求所述的裝置(110)，其中所述溫度調節裝置包括珀耳帖元件。
6.如兩個在前權利要求中任一個所述的裝置(110)，其中所述溫度調節裝置還包括調 節裝置。
7.如在前權利要求中任一個所述的裝置(110)，其中所述發光二極體陣列(114)的發 光二極體(426)均具有光譜寬度(612)，其中所述光譜寬度(612)不超過值30nm。
8.如在前權利要求中任一個所述的裝置(110)，其中所述發光二極體陣列(114)的發 光二極體(426)覆蓋450nm至850nm的光譜範圍。
9.如在前權利要求中任一個所述的裝置(110)，其中所述發光二極體陣列(114)安裝 在基板(412)上，特別地金屬基板上。
10.如在前權利要求所述的裝置(110)，其中在所述基板(412)上設置至少一個插頭連 接器(418)。
11.如在前權利要求中任一個所述的裝置(110)，還包括至少一個光學組合裝置，其中 所述光學組合裝置被設計為組合來自所述發光二極體陣列(114)的發光二極體(426)的光 束，以形成共同激發光束(122)。
12.如在前權利要求所述的裝置(110)，其中所述光學組合裝置包括以下裝置中的至 少一個稜鏡；波長選擇鏡，特別地二色鏡；濾波器；和光柵；纖維束。
13.如在前權利要求中任一個所述的裝置(110)，還包括光學分離裝置，其中所述光學 分離裝置被設計為將檢測光(132，136 ；314)光譜地分解成至少兩個波長範圍。
14.如在前權利要求所述的裝置(110)，其中所述光學分離裝置包括以下元件中的至 少一個稜鏡；波長選擇鏡，特別地二色鏡；濾波器；和光柵。
15.如在前權利要求中任一個所述的裝置(110)，其中所述檢測器(128，130；312)包括 具有至少兩個單獨檢測器的檢測器陣列。
16.如在前權利要求所述的裝置(110)，其中所述檢測器陣列包括單片光電二極體陣列。
17.如在前權利要求中任一個所述的裝置(110)，其中所述檢測器(128，130；312)具有與所述激發光(122)非共線設置的至少一個發光檢測器(128)。
18.如在前權利要求中任一個所述的裝置(110)，其中所述檢測器(128，130；312)具有 與所述激發光(122)共線設置的至少一個透射光檢測器(130)。
19.如在前權利要求中任一個所述的裝置(110)，其中所述檢測器(128，130；312)具有 至少一個反射光檢測器(312)，用於檢測從所述樣品(112)反 射的反射光(314)。
20.如在前權利要求中任一個所述的裝置(110)，還具有控制裝置(214)，其中所述控 制裝置(214)被設計為通過驅動所述發光二極體陣列(114)的各個發光二極體(426)來生 成具有預定光譜屬性的激發光(122)。
21.如在前權利要求所述的裝置(110)，其中所述控制裝置(214)包括復用裝置(714)， 其中所述復用裝置(714)被設計為通過不同的調製頻率來調製所述 發光二極體陣列(114) 的至少兩個發光二極體(426)。
22.如在前權利要求所述的裝置(110)，其中所述控制裝置(214)還具有解調裝置 (716)，其中所述解調裝置(716)被設計為相位靈敏地和/或頻率靈敏地解調檢測光(132， 136 ；314)，以及在每種情況下將其分配給所解調的發光二極體(426)之一。
23.如在前權利要求所述的裝置(110)，其中所述裝置(110)被設計為記錄所述樣品 (112)的激發光譜，其中所述發光二極體陣列(114)的多個發光二極體(426)同時工作，其 中所述激發光(122)包含各個發光二極體(426)的不同調製部分，其中所述檢測光(132， 136 ；314)被解調並分配給各個發光二極體(426)，以及其中生成相應激發光譜。
24.如在前權利要求中任一個所述的裝置(110)，還包括用於接收液體樣品(112)的試 管(124)。
25.如在前權利要求所述的裝置(110)，其中所述試管(124)至少部分具有圓形截面。
26.如在前權利要求中任一個所述的裝置(110)，其中所述裝置(110)被配置為雙通道 分光儀，其中所述裝置(110)被設計為同時獲取所述樣品(112)和基準光束(710)的至少一個光學屬性。
27.如在前權利要求所述的裝置(110)，其中確定基準樣品的至少一個光學屬性。
28.如在前權利要求中任一個所述的裝置(110)，其中所述裝置(110)被配置為移動手持單元。
29.如在前權利要求所述的裝置(110)，其中所述裝置(110)包括外殼(210)，其中所 述外殼(210)具有以下元件中的至少一個用於向液體試管(124)引入液體或氣體樣品 (112)的開口(212)；用於引入固體樣品(112)的開口(212)；用於向位於外殼(210)外部 的樣品(112)施加激發光(112)、以及用於獲取檢測光(132，136;314)的開口(310)。
30.如兩個在前權利要求中任一個所述的裝置(110)，其中所述移動手持單元還具有 接口(220)，用於將所述移動手持單元連接至移動數據傳輸單元或計算機。
31.如三個在前權利要求中任一個所述的裝置(110)，其中所述移動手持單元還具有 數據傳輸裝置(318)，用於無線數據傳輸。
32.一種用於檢查產品是品牌產品還是品牌產品的偽製品的方法，其中所述品牌產品 具有至少一個特徵光學屬性，其中使用在前權利要求中任一個的裝置(110)，其中使用所述 裝置(110)來測試所述產品是否具有所述特徵光學屬性。
33.如在前權利要求所述的方法，其中所述特徵光學屬性具有以下屬性中的至少一個螢光屬性；磷光屬性；吸收屬性；反射屬性。
34.如兩個在前權利要求中任一個所述的方法，其中所述品牌產品包括礦物油產品。
35.一種用於確定樣品(112)的至少一個光學屬性的方法，其中使用裝置(110)，其包 括可調激發光源(114 ；410)，用於向所述樣品(112)施加激發光(122)，其中所述激發光源 (114 ；410)包括多個單獨光源，其每個具有不同發射光譜，其中所述裝置(110)還包括檢測 器(128，130 ;312)，用於檢測從樣品(112)發出的檢測光(132，136 ;314)，其特徵在於，通 過不同的調製頻率來調製所述單獨光源中的至少兩個，其中所述檢測光(132，136;314)被 解調，並且根據調製頻率被分配給單獨光源。
36.如在前權利要求所述的方法，其中還獲取基準信號，並通過調製頻率來解調。
全文摘要
本發明提出一種用於確定樣品(112)的至少一個光學屬性的裝置(110)。裝置(110)包括可調激發光源(114；410)，用於向所述樣品(112)施加激發光(122)。裝置(110)還包括檢測器(128，130；312)，用於檢測從樣品(112)發出的檢測光(132，136；314)。所述激發光源(114；410)包括發光二極體陣列(114)，其至少部分地具有單片發光二極體陣列(114)的形式。所述單片發光二極體陣列(114)包括至少三個發光二極體(426)，其每個具有不同的發射光譜。
文檔編號G01J1/08GK101821603SQ200880111131
公開日2010年9月1日 申請日期2008年10月8日 優先權日2007年10月11日
發明者C·瓦姆瓦卡瑞斯, E·蒂爾, R·森斯, W·阿勒斯 申請人:巴斯夫歐洲公司