SPEKTROSKOPIE IN REFLEXION MIT AUTOFOKUSOPTIK SOWOHL IM BELEUCHTUNGSPFAD ALS AUCH IM DETEKTIONSPFAD

Diese Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von reflektierten Signalen gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Messung von reflektierten Signalen gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 13.

Es ist bekannt, dass bei der Detektion von an Oberflächen re- flektierten Signalen das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und der Informationsgehalt des Signals eine entscheidende Rolle spielt .

In diesem Zusammenhang ist der Winkel wichtig, mit welchem das einfallende Signal auf die Oberfläche trifft. Ist dieser Einfallswinkel ungünstig gewählt, so kann es passieren, dass das reflektierte und letzten Endens detektierte Signal ver ^¬ zerrt und die Messung daher unbrauchbar wird.

Ein bekannter Ansatz ist es, das Problem zu ignorieren und damit eine kalkulierte Unsicherheit zu provozieren und/oder sie durch eine sehr große Datenmenge zu reduzieren.

Damit können aber niemals Ansprüche auf eine hohe Genauigkeit oder eine zuverlässige Vorhersage bzgl. der untersuchten Oberfläche gestellt werden.

Eine weitere Möglichkeit ist, die erhobenen Daten im Nachhin ^¬ ein auf sogenannte Ausreißer zu untersuchen. Dabei ist es möglich, Signale mit geringem Signal-Rausch Verhältnis oder zu geringem Gesamtsignal aus den Daten zu entfernen. Für Daten, welche sich nicht signifikant von der Mehrheit der Daten unterscheiden, ist es schwierig diese weg zu filtern. Zudem, wenn unterschiedliche Informationen aus unterschiedlichen Probenebenen im Signal vermischt sind, lassen sich diese auch in der Nachbearbeitung nur sehr aufwändig entfernen. Bei Anwendungen, die das Signal nur widerspiegeln, sind diese Probleme meist unerheblich aber wenn die reflektierten Signale weiterverarbeitet werden, sind solche Veränderungen stö ^¬ rend und zu vermeiden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher da ^¬ rin, eine Lösung anzugeben, die eine Messung reflektierter Signale in einer gegenüber dem Stand der Technik wesentlich genaueren Art detektieren lässt.

Diese Aufgabe wird durch Vorrichtung zur Messung von reflektierten Signalen gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1 durch dessen Merkmale gelöst, sowie durch das Verfahren zur Messung von reflektierten Signalen gemäß dem Anspruch 10 durch dessen Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von reflektierten Signalen weist eine erste Einrichtung zur Abgabe von Licht auf eine Oberfläche und eine hierzu lateral versetzte zweite Einrichtung zur Detektion von der Oberfläche reflektierter Anteile des Lichts, die derart ausgestaltet sind, dass die Beleuchtungseinheit eine erste Anordnung zur Manipu ^¬ lation des abgegebenen Lichts aufweist, und die Detektions- einrichtung eine zweite Anordnung zur Manipulation des re- flektierten Lichts aufweist, die jeweils derart ausgestaltet sind, dass sie jeweils im Strahlgang des Lichts angeordnet sind, und sie derart ausgestaltet sind, dass das abgegebene und reflektierte Licht fokussiert werden kann. Einer der wesentlichen Vorteile der Erfindung ist, dass der Singal Rausch Abstand vergrößert wird und so die Messung ak ^¬ kurater ist bzw. die Messung nutzenden Entitäten, wie bei- spielswiese Vorhersagemodule, welche Feststellungen von Im ^¬ plikationen abgeben können die Eigenschaften des Materials betreffen, hochwertigere Daten zur Verfügung gestellt bekommen. Im Wesentlichen wird das erreicht, in dem durch die Erfindung sichergestellt wird, dass die von der Detektorein ^¬ richtung erfassten reflektierten Lichtanteile maximal sind. Die Detektoreinrichtung einem Detektor also so viel wie möglich, beispielweise über einen sie verbindenden Lichtleiter, weitergeleiten kann. Weitere Vorteile sind durch die in den Unteransprüchen ange ^¬ gebenen Weiterbildungen gegeben.

Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die erste und/oder zweite Manipulationseinrichtung derart ausgestaltet, dass sie durch zumindest zwei Linsen gebildet ist, sowie derart ausgestaltet, dass zumindest eine der Lin ^¬ sen derart beweglich gelagert ist, dass der Abstand zwischen den Linsen variiert werden kann. Hierdurch ist eine sehr einfache und kostengünstige Ausgestaltung der Erfindung gegeben, welche eine Einstellung der Fokussierung bei Abgabe- und De- tektionseinrichtung ermöglicht.

Am kostengüngstigsten und aufwandsärmsten wird die Ausgestaltung der Erfindung betrachtet, bei der die erfindungsgemäße Vorrichtung derart weitergebildet ist, dass die erste

und/oder zweite Manipulationseinrichtung mit einem Linsenpaar ausgestaltet ist.

Alternativ kann die erfindungsgemäße Vorrichtung derart wei- tergebildet sein, dass die erste und/oder zweite Manipulati ^¬ onseinrichtung mit einem mindestens drei Linsen aufweisenden Mehrlinsensystem ausgestaltet ist. Ein Mehrlinsensystem bietet weitere Optionen und Freiheitsgrade bei der Einstellung, so dass diese angepasster erfolgen. Denkbar ist auch eine Mischgestaltung derart vorzusehen, dass eine Einrichtung ein Linsenpaar und die andere ein Mehrlinsensystem aufweist, also diese Weiterbildung ergänzend einzusetzen, wenn dies eine weiter Optimierung hinsichtlich der Anpassung der Anordnung erwirkt .

Vorzugsweise wird die Vorrichtung gemäß der Erfindung derart weitergebildet, dass die erste und/oder zweite Manipulations ^¬ einrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie mit einer Ein- richtung zur Steuerung der Bewegung der Linsen funktional verbunden ist. Hierdurch lässt sich die Fokussierung der Linsen während der Messung aber auch anderer Größen wie lateraler Abstand der Einrichtungen und/oder Ausrichtung, insbeson- dere Winkel, der beiden Einrichtungen zueinander, bewerkstelligen .

Dieser Vorteil wird verstärkt, wenn die erfindungsgemäße Vor ^¬ richtung nach dem vorhergehenden Anspruch, derart weiterge- bildet wird, dass die Steuerungseinrichtung derart ausgestal ^¬ tet ist, dass sie mit einer Auswertungseinrichtung derart verbunden ist und funktional zusammenwirkt, dass aufgrund ei ^¬ ner Informationsausgabe der Auswertungseinrichtung zumindest die erste und/oder zweite Manipulationseinrichtung gesteuert wird. Vor Allem wird hierdurch ein Automatismus möglich, der alternativ oder ergänzend zu einer Einstellungsmöglichkeit der Steuerung seitens eines Nutzers erfolgen kann.

Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung derart weitergebildet, dass die Auswertungseinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie die Informationsausgabe, insbesondere mindestens ein Steuersignal, auf Grundlage einer Auswertung mindestens einer mit der Wirkung der ersten und zweiten Manipulationseinrichtung korrelierenden Größe erzeugt, ist gewährleistet, dass die beiden Einstellungen des Fokus aufeinander abgestimmt erfolgen, was zu einer weiteren Steigerung des „eingefangenen" reflektierten Lichts führen kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist ge- geben, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung derart weiterge ^¬ bildet wird, dass die Abgabeeinrichtung und Detektionsein- richtung derart ausgestaltet ist, dass sie mit einem Spektro- meter funktional verbunden, insbesondere in diesem inte ^¬ griert, sind. Im Spektrometer entfaltet die erfindungsgemäße Anordnung zur Messung im Besonderen Maße seine Vorteile.

Dies gilt im besonderen Maße für die Ausgestaltung der Vorrichtung bei, dass das Spektrometer zur medizinischen, insbe- sondere minimalinvasiven, Feststellung einer pathologischen Implikation ausgestaltet ist, so dass diese Weiterbildung der Erfindung besonders bevorzugt ist. Insbesondere weil hier ^¬ durch Traumata für Patienten reduziert werden können und die Unterscheidung von krankhaftem Gewebe so präzisiert werden kann, dass eine Entfernung desselben akkurat und

traumareduziert erfolgen kann.

Nicht nur für diese Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vor- richtung ist es von Vorteil, dass die Linsen in einer, insbe ^¬ sondere mechanisch, entlang der optischen Achse verschiebbaren Halterungen angebracht sind. Hierdurch ist diese Weiterbildung aber unter anderem dafür geeignet, dass dadurch der Durmesser der Anordnung reduziert werden und die Anordnung eher die Länge des Arbeitskanals ausnutzen kann.

Eine, insbesondere in diesem Sinne, gut zu implementierende Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist gegeben, wenn die Halterungen als lineartechnische Einrichtungen, ins- besondere Lineartische, verschiebbar ausgestaltet sind.

Vorzugsweise wird die Vorrichtung zudem derart weitergebil ^¬ det, dass die Halterungen derart ausgestaltet mit

Piezoaktoren funktional verbunden sind, dass die Verschiebung durch die Piezoaktoren vermittelt wird. Hierdurch ist eine platzsparende für die Wandlung von Steuersignalen zu Bewegungsenergie besonders geeignete Ausgestaltung gegeben, die auch nicht viel elektrische Energie erfordert, was nicht zu ^¬ letzt hinsichtlich gesundheitlicher Aspekte von weiterem Vor- teil ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung von reflektierten Signalen werden eine erste Einrichtung zur Abgabe von Licht auf eine Oberfläche und eine hierzu lateral versetzte zweite Einrichtung zur Detektion von der Oberfläche reflektierter Anteile des Lichts derart betrieben, dass die Be ^¬ leuchtungseinheit eine erste Anordnung zur Manipulation des abgegebenen Lichts, und die Detektionseinrichtung eine zweite Anordnung zur Manipulation des reflektierten Lichts jeweils im Strahlgang des Lichts betreibt, wobei sie derart betrieben werden, dass das das abgegebene und reflektierte Licht fokus- siert werden kann. Die Implementierung des Verfahrens ermög- licht die in der Anordnung angelegten und gegebenen Vorteile durch geeigneten Betrieb zu verwirklichen.

Das Gleiche gilt für die Weiterbildungen des Verfahrens, wel ^¬ che durch Schritte zum Betreiben der Anordnungsmerkmale, ins- besondere seiner weiterbildungsgemäßen Mittel, gekennzeichnet ist .

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nun ausgehend von dem in der einzigen Figur dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt die

FIGUR einer vereinfachten Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anordnung In der FIGUR ist einAusführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung als Multi-Autofokus-Detektor System MADS stark vereinfacht dargestellt, anhand dessen auch Merkmale des Verfah ^¬ rens und möglicher Ausgestaltungsformen/Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.

Zu erkennen ist, dass das Multi-Autofokus-Detektor System MADS ein System aus einer Beleuchtungseinrichtung AE, die Licht aL auf eine Probe OP eines zu untersuchenden Materials abgibt, und eine Detektoreinrichtung DE, zur Aufnahme von re- flektiertem Licht rL, betreibt. Ferner ist zu angedeutet, dass dieses System MADS mit integrierten Autofoki betrieben wird, wobei zur Darstellung der Wirkung der Erfindung die erfindungsgemäße Anordnung MADS auf der rechten Seite nicht im Fokus ist und die Anordnung MADS auf der linken Seite im Fo- kus ist.

Zu erkennen ist, dass das System MADS, welche grundsätzlich auch als Mehrlinsensystem gebildet werden kann, beim darge- stellten Beispiel je Einrichtung AE, DE als ein Linsenpaar LP1, LP1 ausgestaltet ist, welches beweglich gelagert werden kann (angedeutet durch die Doppelpfeile und die blass darge ^¬ stellte dritte Linse in der jeweiligen Einrichtung AE, DE)

Die Linsenpaare LP1, LP2, sind dabei jeweils für den Beleuch ^¬ tungsstrahlengang und den Detektionsstrahlengang um die optische Achse OA angeordnet, damit sie die Fokussierung optimal beeinflussen können.

Jedes Linsensystem LP1, LP2, ist in eine der Einfachheit we ^¬ gen nicht dargestellten Halterung integriert, welche es erlaubt, die Linsen mechanisch entlang der optischen Achse zu verschieben .

Diese Verfahrensweise kann über Linearstelltische bzw.

Piezoaktuatoren bewerkstelligt werden. Die Halterung samt Linsen und Verschiebeelektrik wird im Folgenden als Messkopf bezeichnet .

Es gibt nun für die dargestellte Multi-Autofokus Detektion zwei Messköpfe, bei denen einer als Beleuchtungs-Messkopf AE dient, der andere als Detektormesskopf DE ausgestaltet ist. Wird der Detektionsstrahl durch Verschieben des Linsensystems am Messkopf fokussiert, so ist in diesem Zusammenhang ge ^¬ meint, dass möglichst viel reflektiertes Licht rL vom Detek ^¬ tormesskopf DE aufgefangen und in eine Lichtleiterfaser LL2, beispielweise zum Detektor, transportiert wird, damit am De- tektor eine optimale Ausbeute an Licht gemessen wird.

Eine Fokussierung des Beleuchtungsstrahles bedeutet wiederum, dass der Lichtstrahl aL so auf die Probenoberfläche ein ^¬ strahlt, dass der Detektormesskopf DE maximal viel Licht emp- fangen kann.

Dies ist an einem gegenüber einem zweiten Auswertesignal SIGNAL2 verbesserten Auswertesignal SIGNALI zu erkennen mit einem SNR der deutlich größer ist als bei dem zweiten

SIGNAL2.

Insgesamt bedeutet das, dass für jeden Messschritt, bei- spielsweise die Aufnahme eines Spektrums, es möglich ist, dass am Detektor ankommende Signal SIGNAL2 zu maximieren.

Dies wird bei einer dargestellten Weiterbildung der Erfindung über ein Feedback-System AUS_E automatisiert, damit bei einem Messschritt nicht zu viel Zeit verloren geht und die Messung damit effizient bleibt. Dies kann insbesondere bei einer me ^¬ dizinischen Anwendung besonders vorteilhaft sein.

Mit dem Multi-Autofokus-Detektor System MADS erreicht man nicht nur, dass am Detektor ein maximiertes Signal messbar ist. Das erfindungsgemäße Abstimmen über Auswerteeinrichtungen AUS_E (Feedback) der beiden Foki bei Beleuchtung und De- tektion hat die Vorteile, dass das maximierte Signal über das bestmögliche Signal-Rausch Verhältnis verfügt.

Das bedeutet, dass weniger Rauschen in den Daten auftaucht und diese geringer verzerrt werden.

Für eine Reproduzierbarkeit bei einer bestimmten Probenober- flächen ergibt sich damit, dass die Daten bei selber Probe ähnlicher bleiben, weil die Messeinstellungen gleich bleiben, und die Messumgebung weniger variiert. Dies ist nicht zuletzt für ein Training von mathematischen Modellen nützlich, die als Vorhersagemodelle, beispielsweise nach Art des maschinel- len Lernens, beispielsweise funktional verbunden mit der Aus ^¬ werteeinrichtung AUS_E implementiert sein können.

Ein weiterer, insbesondere diese Implementierung unterstüt ^¬ zender, Vorteil besteht darin, dass Unterschiede zwischen Probeninneren und der Oberfläche immer auf die gleiche Art und Weise detektiert werden und die Varianzen in den Daten nicht mehr den Ursprung eines sich ändernden Messsystems haben . Zudem erreicht man, dass schräge Probenoberflächen besser erkannt werden, da dort das Signal nicht mehr so stark durch die Schräglage verringert wird. Für das Beispiel der Spekt- roskopie bedeutet dies, dass raue Oberflächen weniger Proble ^¬ me darstellen, weil Schrägen weniger negativen Einfluss auf die Messung haben.

Die erfindungsgemäße Fokussierung ist zudem von Vorteil, da sie über das Verhältnis von direkter Reflektion, der diffusen und solcher, die durch das Probeninnere geleitet wird, unter ^¬ scheidet .

Sie vermeidet falsche oder sich ändernde Fokussierung, die die Messung und den Informationsgehalt an sich verändern so ^¬ wie das Signal-Rausch Verhältnis verschlechtern würde.

Gibt es bei den Messungen in der Tiefe der Probe ein von der Oberfläche unterschiedliches Material, so vermeidet die Erfindung auch, dass Informationen aus unterschiedlichen Ebenen detektiert werden, wenn die beiden Einrichtungen DE, AE aus dem Fokus sind.

Beim Problem der direkten Reflektion kann erfindungsgemäßes Abändern beider Foki die Verhältnisse von direkter, diffuser und Signale aus dem Probeninneren beeinflussen, so dass maximaler Informationsgehalt detektiert werden kann.

Gibt es bei den Messungen in der Tiefe der Probe ein von der Oberfläche unterschiedliches Material, so können durch sich ändernde Fokussierung Informationen aus unterschiedlichen Ebenen detektiert werden, die aber in diesem Fall nicht erwünscht sind. Durch die erfindungsgemäße Fokussierung wird dieser Nachteil vermieden.

Wie sich aus dem bereits Erläuterten ergibt, wird dank der Erfindung bei Bildung eines Vorhersagemodells in der prädik- tiven Analyse, das Auftauchen von Falschaussagen reduziert, da die gemäß der Erfindung detektierten Signale das Modell sicher machen, da aufgrund der, insbesondere automatisch abgestimmten, Fokussierung falsche Informationen nicht in das Signal mit einfließen können und damit die Wahrscheinlichkeit der Falschaussage sinkt.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Beispiel des Verfahrens, oder beschriebenen (Anordnungs- ) Varianten eingeschränkt. Vielmehr umfasst sie alle Kombinationen und Ausge- staltungsvarianten, die durch die Ansprüche gegeben sind.