Vorrichtung und Verfahren zur spektralen Diagnostik von Substanzen und/oder Oberflächen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spektralen Diagnostik von Substanzen und/oder Oberflächen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art und ein zugehöriges Verfahren.

Bei herkömmlichen Vorrichtungen und Verfahren zur spektralen Diagnostik von Substanzen und/oder Oberflächen wird in der Regel eine von einer zu untersuchenden Probe reflektierte bzw. durch die zu untersuchende Probe transmittierte breitbandige Strahlung spektral zerlegt. Dies geschieht in einer klassischen Spektro- meteranordnung beispielsweise durch optische Gitter in Polychro- matoren oder durch optische Filter für kleine Wellenlängenbereiche. Die ermittelte spektrale Zusammensetzung der transmittier- ten bzw. reflektierten Strahlung gibt dann Hinweise auf die Zusammensetzung der untersuchten Probe.

Alternativ kann, wie beispielsweise aus der EP 1 466 827 A2 bekannt ist, die zu untersuchende Probe von mehreren schmalbandi- gen Strahlungsquellen nacheinander bestrahlt werden, die verschiedene Emissionswellenlängen aufweisen, wobei die Analyse in Korrelation zur jeweiligen Strahlungsquelle erfolgt und einer bestimmten Wellenlänge zugeordnet werden kann.

Darüber hinaus können abstimmbare Laser, wie z.B. Farbstofflaser oder Laser mit akustischen bzw. optischen Modulatoren oder mit anderen aktiven Verfahren zur Abstimmung der Emissionswellenlän-

ge, als Strahlungsquellen mit einer (quasi-) kontinuierlicher Abstimmung der Wellenlänge eingesetzt werden.

Die klassische Gitterspektrometeranordnung, die Ausführung der Vorrichtung mit mehreren, schmalbandigen Strahlungsquellen und optischen Filtern, sowie die Verwendung von Lasern mit aktiver Abstimmung der Wellenlänge erfordern jedoch einen sehr hohen apparativen Aufwand, der teilweise schwierig erhältlich und aufzubauen ist und damit sehr teuer ist.

In der Praxis ist es jedoch häufig nicht erforderlich ein breit- bandiges Spektrum einer zu untersuchenden Probe zu ermitteln, um beispielsweise eine Vielzahl von Inhaltsstoffen zu bestimmen, wie es die oben beschriebenen herkömmlichen Vorrichtungen tun. Oft reicht es aus, nur das Vorhandensein bzw. die Konzentration einer einzigen Substanz in der zu untersuchenden Probe zu bestimmen, was sich durch Analyse eines sehr engen spektralen Bereichs erfassen lässt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur spektralen Diagnostik von Substanzen und/oder Oberflächen anzugeben, welche mit minimalem apparativen Aufwand die Konzentration bzw. das Vorhandensein einer vorgegebenen Substanz in einer zu untersuchenden Probe bestimmen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur spektralen Diagnostik von Substanzen und/oder Oberflächen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein zugehöriges Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Durch die erfindungsgemäße Strahlungsquelle, die eine Leuchtdiode mit einer vorgegebenen Emissionswellenlänge umfasst, ist es möglich, durch eine dynamische Temperaturänderung der Leuchtdiode die Emissionswellenlänge der emittierten Strahlung innerhalb eines vorgegebenen Spektralbereichs zwischen einer ersten Emissionswellenlänge und einer zweiten Emissionswellenlänge zu verändern. Die emittierte Strahlung ist im Wesentlichen auf eine zu untersuchende Probe fokussiert, wobei eine erste optische Sensoreinheit einen von der zu untersuchenden Probe beeinflussten ersten Anteil der emittierten Strahlung als Nutzsignal erfasst und eine zweite optische Sensoreinheit einen zweiten Anteil der emittierten Strahlung als Referenzsignal erfasst und zur Fehlerkompensation an eine Auswerte- und Steuereinheit weiterleitet. So können beispielsweise systematische Fehler, die bei der Verschiebung der Emissionswellenlänge der emittierten Strahlung beispielsweise durch eine thermische Beeinflussung der Bestrahlungsstärke entstehen können, kompensiert werden.

Die Ausführung der Strahlungsquelle als Leuchtdiode ermöglicht in vorteilhafter Weise das technisch einfache Durchstimmen bzw. Verschieben der Emissionswellenlängen der von der Leuchtdiode erzeugten Strahlung durch die dynamische Temperaturänderung der Leuchtdiode. Dadurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine extrem einfache und kostengünstige Anordnung zur spektralen Messung in einem beschränkten Wellenlängenbereich. Die dynamische Temperaturänderung der Leuchtdiode entspricht beispielsweise einer dynamischen Erwärmung der Leuchtdiode, wodurch die Emissionswellenlänge der emittierten Strahlung von einer unteren Emissionswellenlänge auf eine obere Emissionswellenlänge verändert werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann die dynamische Temperaturänderung der Leuchtdiode einer dynamischen Abkühlung der Leuchtdiode entsprechen, wodurch die Emissionswellenlänge der

emittierten Strahlung von der oberen Emissionswellenlänge auf die untere Emissionswellenlänge verändert werden kann.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass gewöhnliche Leuchtdioden als Strahlungsquelle eingesetzt werden können, die mit Emissionswellenlängen zwischen dem fernen UV-Bereich (Ultra- violett-Bereich) und dem IR-Bereich (Infrarot-Bereich) kommerziell verfügbar sind. Zudem ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise miniaturisierbar und integrierbar, was die Umsetzung in großen Stückzahlen ermöglicht.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Auswerte- und Steuereinheit das Nutzsignal zum Referenzsignal in Bezug setzt und zur weiteren Auswertung ein Auswertesignal erzeugt, in dem die thermische Abhängigkeit der Bestrahlungsstärke und/oder die thermische Abhängigkeit der spektralen Leistungsdichte der Strahlung kompensiert ist, welche die Strahlungsquelle emittiert. Das Referenzsignal repräsentiert beispielsweise eine Bestrahlungsstärke und/oder eine spektrale Leistungsdichte der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung. Das Nutzsignal repräsentiert beispielsweise einen Anteil der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung, der die zu untersuchende Probe durchdrungen hat. Alternativ repräsentiert das Nutzsignal beispielsweise einen Anteil der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung, den die zu untersuchende Probe reflektiert hat.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Auswerte- und Steuereinheit so abgestimmt, dass das erzeugte Auswertesignal bei einer neutralen Probe über den durchgestimmten vorgegebenen Spektralbereich einen im Wesentlichen konstanten Wert aufweist. Das erzeugte Auswertesignal weicht von dem konstanten Wert ab, wenn die zu untersuchende Probe einen Reflexionsgra-

dienten und/oder einen Transmissionsgradienten im durchgestimmten vorgegebenen Spektralbereich aufweist. Die Abweichung des erzeugten Auswertesignals liefert im vorgegebenen Spektralbereich in vorteilhafter Weise eine Information über die Konzentration der zur Abweichung führenden Substanz, die in der zu untersuchenden Probe enthalten ist. Die Emissionswellenlänge und die zugehörige thermische Verschiebung der Emissionswellenlänge der verwendeten Leuchtdiode korrespondiert in vorteilhafter Weise mit dem Spektralverhalten der zu bestimmenden Substanz in der zu untersuchenden Probe, so dass das Vorhandensein bzw. die Konzentration der vorgegebenen Substand sicher bestimmt werden kann.

Die Auswerte- und Steuereinheit steuert die Strahlungsquelle beispielsweise über eine Treiberschaltung an, die einen gepulsten Strom erzeugt, der einen Chip der Leuchtdiode durch Eigenerwärmung aufheizt, wobei die Temperatur eines Chipträgers im Wesentlichen konstant gehalten wird, insbesondere durch entsprechende Kühlmittel, die beispielsweise als thermoelektrische Elemente ausgeführt sind. Bei der Erwärmung des Leuchtdiodenchips mit dem gepulsten Strom wird in vorteilhafter Weise die hohe Dynamik des Leuchtdiodenchips im Hinblick auf den Chipträger ausgenutzt. Während sich der Leuchtdiodenchip durch die in ihm umgesetzte elektrische Verlustleistung sehr schnell erwärmt, bewirkt die große Masse und/oder Wärmekapazität des Chipträgers eine relativ geringe Temperaturerhöhung des Chipträgers im Falle der kurzzeitigen Erwärmung des Leuchtdiodenchips. Das bedeutet, dass auf dem Chipträger bei einem entsprechenden Abstand vom Leuchtdiodenchip eine Mittelung der Temperatur bewirkt wird. Diese mittlere Temperatur des Chipträgers kann dann durch die entsprechenden Kühlmittel konstant gehalten werden.

Zusätzlich oder alternativ, kann die Auswerte- und Steuereinheit die Leuchtdiode über die Treiberschaltung abschalten und eine Nachleuchtphase der Leuchtdiode auswerten, während der eine Diffusionskapazität die Leuchtdiode weiter versorgt, und sich der Chip der Leuchtdiode abkühlt. Durch die Abkühlung des Leuchtdiodenchips kann die Emissionswellenlänge der emittierten Strahlung, wie oben bereits ausgeführt ist, von der oberen Emissionswellenlänge auf die untere Emissionswellenlänge verändert werden. Dieser Zeitraum entspricht einer Sperr-Verzugsdauer der Leuchtdiode .

In einer weiteren vorteilhaftem Ausführungsform erfasst die Auswerte- und Steuereinheit während der dynamischen Temperaturänderung der Leuchtdiode das Referenzsignal und das Nutzsignal an mindestens zwei Messzeitpunkten und wertet die Signale aus. Ein erster Messzeitpunkt, der mit einer kurzen Emissionswellenlänge der Leuchtdiode korreliert, kann beispielsweise zu Beginn des Erwärmungsvorgangs bestimmt werden. Ein zweiter Messzeitpunkt, der mit einer längeren Emissionswellenlänge der Leuchtdiode korreliert, kann am Ende des Erwärmungsvorgangs bestimmt werden. Alternativ kann ein erster Messzeitpunkt, der mit einer langen Emissionswellenlänge der Leuchtdiode korreliert, beispielsweise zu Beginn des Abkühlungsvorgangs bestimmt werden. Ein zweiter Messzeitpunkt, der mit einer kürzeren Emissionswellenlänge der Leuchtdiode korreliert, kann am Ende des Abkühlungsvorgangs bestimmt werden. Zudem ist des möglich, dass die Auswerte- und Steuereinheit das Referenzsignal und das Nutzsignal kontinuierlich zwischen dem ersten und zweiten Messzeitpunkt erfasst und auswertet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise zur Bestimmung der Konzentration von freiem Wasser und/oder von verbundenem Wasser in der zu untersuchende Probe verwendet werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur spektralen Diagnostik von Substanzen und/oder Oberflächen, wird eine zu untersuchende Probe mit einer von einer Leuchtdiode emittierten Strahlung bestrahlt, deren Emissionswellenlänge in einem vorgegebenen Spektralbereich liegt. Die Emissionswellenlänge wird durch eine dynamische Temperaturänderung der Leuchtdiode zwischen einer ersten Emissionswellenlänge und einer zweiten Emissionswellenlänge verschoben, wobei ein erster Anteil der emittierten Strahlung als Referenzsignal erfasst wird und ein von der zu untersuchenden Probe beeinflusster zweiter Anteil der emittierten Strahlung als Nutzsignal erfasst und ausgewertet wird. Das Referenzsignal wird zur Kompensation von Fehlern ausgewertet. Die dynamische Temperaturänderung der Leuchtdiode entspricht beispielsweise einer dynamischen Erwärmung der Leuchtdiode, wodurch die Emissionswellenlänge der emittierten Strahlung von einer unteren Emissionswellenlänge auf eine obere Emissionswellenlänge verändert werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann die dynamische Temperaturänderung der Leuchtdiode einer dynamischen Abkühlung der Leuchtdiode entsprechen, wodurch die Emissionswellenlänge der emittierten Strahlung von der oberen Emissionswellenlänge auf die untere Emissionswellenlänge verändert werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen ünteransprüchen. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur spektralen Diagnostik von Substanzen und/oder Oberflächen;

Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur spektralen Diagnostik von Substanzen und/oder Oberflächen;

Fig. 3 ein schematisches Kennliniendiagramm zur Darstellung eines Ansteuerstroms;

Fig. 4 ein schematisches Kennliniendiagramm zur Darstellung einer spektralen Emission, die durch den Ansteuerstrom gemäß Fig. 3 erzeugt wird;

Fig. 5 ein schematisches Kennliniendiagramm zur Darstellung einer maximalen Bestrahlungsstärke in Abhängigkeit vom Ansteuerstrom; und

Fig. 6 bis 10 schematische Kennliniendiagramme zur Darstellung von spektralen Absorptionscharakteristiken von Beispielproben.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur spektralen Diagnostik von Substanzen und/oder Oberflächen, die eine Strahlungsquelle 2 mit einer Leuchtdiode 2.1, eine erste optische Sensoreinheit 3, eine zweite optische Sensoreinheit 4, eine Auswerte- und Steuereinheit 5 und eine Treiberschaltung 6 umfasst. Die erste und zweite optische Sensoreinheit 3 und 4 sind beispielsweise jeweils als Fotodiode mit einer auf einen vorgegebenen Spektralbereich abgestimmten spektralen Empfindlichkeit ausgeführt. Die emittierte Strahlung 8 der Leuchtdiode 2.1 wird im Wesentlichen auf die zu untersuchende Probe 7 fokussiert und kann in einem vorgegebenen Spektralbereich SB durchgestimmt werden, der in Fig. 4 dargestellt ist. Die vorgegebene Emissionswellenlänge der Leuchtdiode

2.1 kann durch eine dynamische Temperaturänderung der Leuchtdiode 2.1 innerhalb des vorgegebenen Spektralbereichs SB zwischen einer unteren Emissionswellenlänge A ₁ und einer oberen Emissionswellenlänge A ₃ verändert werden. So kann die Emissionswellenlänge λ der emittierten Strahlung beispielsweise durch eine dynamische Erwärmung der Leuchtdiode 2.1 von der unteren Emissionswellenlänge λi auf die obere Emissionswellenlänge A ₃ verändert werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Emissionswellenlänge λ der emittierten Strahlung beispielsweise durch eine dynamische Abkühlung der Leuchtdiode 2.1 von der oberen Emissionswellenlänge λ ₃ auf die untere Emissionswellenlänge λi verändert werden.

Die erste optische Sensoreinheit 3 erfasst einen von der zu untersuchenden Probe 7 beeinflussten Strahlungsanteil als Nutzsignal 8.2 und wandelt es in ein elektrisches Signal um, und die zweite optische Sensoreinheit 4 erfasst einen zweiten Anteil der emittierten Strahlung 8 als Referenzsignal 8.1, das beispielsweise über eine optische Koppelvorrichtung 2.2 aus der emittierten Strahlung 8 ausgekoppelt wird, eine Bestrahlungsstärke und/oder eine spektrale Leistungsdichte der von der Leuchtdiode 2.1 emittierten Strahlung 8 repräsentiert und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. In der ersten Ausführungsform repräsentiert das Nutzsignal 8.2 einen Anteil der von der Leuchtdiode 2 emittierten Strahlung 8, der die zu untersuchende Probe 7 durchdrungen hat.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, umfasst ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 zur spektralen Diagnostik von Substanzen und/oder Oberflächen analog zum ersten Ausführungsbeispiel eine Strahlungsquelle 12 mit einer Leuchtdiode 12.1, eine erste optische Sensoreinheit 13, eine zweite optische Sensoreinheit 14, eine Auswerte- und Steuereinheit 15 und eine Treiberschaltung 16. Die erste und zweite optische Sensor-

einheit 13 und 14 können ebenfalls als Fotodioden mit auf den vorgegebenen Spektralbereich abgestimmten spektralen Empfindlichkeiten ausgeführt werden. Die emittierte Strahlung 18 der Leuchtdiode 12.1 wird analog zum ersten Ausfuhrungsbeispiel auf die zu untersuchende Probe 17 fokussiert und in einem vorgegebenen Spektralbereich SB durchgestimmt, wobei die vorgegebene E- missionswellenlange der Leuchtdiode 12.1 durch eine dynamische Temperaturanderung der Leuchtdiode 12.1 innerhalb des vorgegebenen Spektralbereichs SB zwischen der unteren Emissionswellenlan- ge λi und der oberen Emissionswellenlange λ ₃ verändert werden kann. Im Unterschied zum ersten Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig.l wird das zweite Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsgemaßen Vorrichtung gemäß Fig. 2 nicht mit einem Transmissionsverfahren sondern mit einem Reflektionsverfahren betrieben, d.h. die erste optische Sensoreinheit 13 erfasst einen von der zu untersuchenden Probe 17 reflektierten Strahlungsanteil als Nutzsignal 18.2 und wandelt es in ein elektrisches Signal um. Analog zum ersten Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 1 erfasst die zweite optische Sensoreinheit 14 einen zweiten Anteil der emittierten Strahlung 18 als Referenzsignal 18.1, das beispielsweise über eine optische Koppelvorrichtung 12.2 aus der emittierten Strahlung 8 ausgekoppelt wird, und wandelt es in ein elektrisches Signal um, so dass die Auswerte- und Steuereinheit 15 eine Fehlerkompensation durchfuhren kann.

Da das erste und zweite Ausfuhrungsbeispiel die gleichen Komponenten umfassen und sich nur in der Erfassung der Nutzsignale 8.2 und 18.2 unterscheiden, werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 5 die Funktionsweisen der beiden Ausfuhrungsbei- spiele der erfindungsgemaßen Vorrichtung zur spektralen Diagnostik von Substanzen und/oder Oberflachen gemeinsam beschrieben, wobei die Funktionsweise am Beispiel einer dynamischen Erwärmung der Leuchtdiode 2.1, 12.1 und einer damit verbundenen Verschie-

bung der Emissionswellenlänge λ von der unteren Emissionswellenlänge λi auf die obere Emissionswellenlänge λ ₃ beschrieben wird werden.

Die als Strahlungsquelle 2, 12 verwendete Leuchtdiode 2.1, 12.1 umfasst als eigentliche Strahlungsquelle einen Chip, der nachfolgend als Leuchtdiodenchip bezeichnet wird, der auf einem Trägermaterial angeordnet ist, das nachfolgend als Chipträger bezeichnet wird. Um der in der Strahlungsquelle verwendete Leuchtdiode 2.1 12.1 eine bestimmte spektrale Emissionscharakteristik zuordnen zu können, wird die Leuchtdiode 2.1, 12.1 bei einer definierten Temperatur betrieben, wobei die Temperatur, welche die spektrale Charakteristik der Leuchtdiode 2.1, 12.1 einstellt, die Temperatur des Leuchtdiodenchips ist. Dieser zeigt abhängig von seiner Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit zum Chipträger eine hohe Dynamik. D. h. der Leuchtdiodenchip erwärmt sich schnell, wenn in ihm beispielsweise eine elektrische Verlustleistung umgesetzt wird. Der Chipträger hingegen besitzt aufgrund seiner größeren Masse und/oder höheren spezifischen Wärmekapazität in der Regel eine deutlich höhere Wärmekapazität als der Leuchtdiodenchip und damit deutlich größere thermische Zeitkonstanten.

Das bedeutet, dass auf dem Chipträger bei entsprechendem Abstand vom Leuchtdiodenchip eine Mittelung der Temperatur bewirkt wird. Zudem bewirkt die große Wärmekapazität des Chipträgers eine relativ geringe Temperaturerhöhung im Falle der kurzzeitigen Erwärmung des Leuchtdiodenchips. Diese Wärmekapazität des Chipträgers kann also die kurzzeitig in den Chip eingebrachte Verlustleistung als Wärmestrom aufnehmen, ohne sich nennenswert zu Erwärmen.

Die mittlere Temperatur des Chipträgers entspricht der minimalen Temperatur, die mit Beginn der Erwärmung des Leuchtdiodenchips erreicht werden kann. Diese mittlere Temperatur des Chipträgers kann durch eine zusätzlich Kühlung abgesenkt werden, um einen größeren Wellenlängenbereich durchstimmen zu können, da eine maximal mögliche Temperatur des Leuchtdiodenchips auf feste Werte limitiert ist, wenn man eine vorzeitige Alterung bzw. Degradation des Leuchtdiodenchips vermeiden möchte. Die im Wesentlichen konstante Temperatur des Chipträgers entspricht beispielsweise einer Umgebungstemperatur der Vorrichtung 1, 11 und kann gleich der Raumtemperatur sein. Zudem ist es möglich, den Chipträger mit einem thermoelektrischen Element, z.B. mit einem Peltierele- ment, zu kühlen und bei einer vorgegebenen niedrigeren Temperatur als die Raumtemperatur zu betreiben.

Die Ansteuerung der Strahlungsquelle 2, 12 erfolgt über die Treiberschaltung 5, 15 mit verhältnismäßig großen, gepulsten Strömen I _LED - Diese Betriebsart führt zu einer dynamischen Erwärmung des Chips der Leuchtdiode 2.1, 12.1, der sich durch Eigenerwärmung aufheizt. Diese dynamische Erwärmung führt bei der Leuchtdiode 2.1, 12.1 zu einer Verschiebung der Emissionswellenlänge. Der Chip der Leuchtdiode 2.1, 12.1 wird für einen sehr kurzen Zeitraum im Bereich von einigen 100 Nanosekunden erhitzt und während einer längeren Abklingzeit wieder auf die Temperatur des Chipträgers 2, 12 abgekühlt, wobei die Abklingzeitspanne bei einigen Mikrosekunden liegt. Somit erfolgt die Erwärmung des Chips der Leuchtdiode 2.1, 12.1 während einer kurzen Impulsdauer, wobei das Pulspausenverhältnis flexibel an die Anwendung an- gepasst werden kann. Die Impulsdauer des Strompulses ist beispielsweise von der thermischen Zeitkonstante des Leuchtdiodenchips, der maximal zulässigen Chiptemperatur und der umgesetzten Verlustleistung abhängig. Durch eine kurze Aufwärmzeitspanne ergibt sich als ein weiterer Vorteil, dass sehr hohe Betriebsströ-

me appliziert werden können, die sehr hohe Strahlungsleistungen für die emittierte Strahlung 8, 18 ermöglichen.

Der Zusammenhang zwischen dem zeitlichen Verlauf des gepulsten Stroms I _LED und einer spektralen Verteilung der Bestrahlungsstärke BS der emittierten Strahlung 8, 18 ist schematisch in Fig. 3 bis 5 dargestellt.

Fig. 3 zeigt einen Verlauf des gepulsten Stroms I _LED für einen Erwärmungsvorgang. So stellt sich beispielsweise zu einem ersten Zeitpunkt ti durch Eigenerwärmung eine erste Chiptemperatur Ti der Leuchtdiode 2.1, 12.1 ein, zu einem Zeitpunkt t ₂ stellt sich eine zweite Chiptemperatur T ₂ der Leuchtdiode 2.1, 12.1 ein und zu einem dritten Zeitpunkt t ₃ stellt sich eine dritte Chiptemperatur T ₃ der Leuchtdiode 2.1, 12.1 ein.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, wird die Emissionswellenlänge der von der Leuchtdiode 2.1, 12.1 emittierten Strahlung 8, 18 durch die dynamische Erwärmung verschoben. So verursacht die erste Chiptemperatur Ti beispielsweise eine untere Emissionswellenlänge λi, die zweite Chiptemperatur T ₂ verursacht eine zweite Emissionswellenlänge λ ₂ und die dritte Chiptemperatur T ₃ verursacht eine obere Emissionswellenlänge λ ₃ , der von der Leuchtdiode 2.1, 12.1 emittierten Strahlung 8, 18. Die durch die Erwärmung verursachte Verschiebung der Emissionswellenlänge, d.h. der Wellenlängenbereich zwischen der unteren Emissionswellenlänge λi und der obere Emissionswellenlänge λ ₃ ist wellenlängenabhängig und liegt bei einer mittleren Emissionswellenlänge λ ₂ von 1400nm im Bereich von 80 bis lOOnm.

Als Nebeneffekt führt die Erwärmung der Leuchtdiode 2.1, 12.1 jedoch zu einer Verringerung der emittierten maximalen Bestrahlungsstärke BS _max bei konstantem Betriebsstrom I _LEDλ wie ^aus Fig.

5 ersichtlich ist. Aus diesem Grunde wird die Bestrahlungsstärke BS der von der Leuchtdiode 2.1, 12.1 emittierten Strahlung 8, 18, mit der die zu untersuchende Probe 7, 17 bestrahlt wird, mit der zweiten Sensoreinheit 4, 14 erfasst, die das Referenzsignal 8.1, 18.1 zur Verfügung stellt.

Die Auswerte- und Steuereinheit 5, 15 setzt das erfasste Nutzsignal 8.2, 18.2 und das erfasste Referenzsignal 8.1, 18.1 zur Fehlerkompensation zueinander in Bezug und erzeugt zur weiteren Auswertung ein Auswertesignal vorzugsweise ein Quotientensignal. Die Auswerte- und Steuereinheit 5, 15 kann beispielsweise einen Mikrokontroller mit Analog-Digital-Wandler umfassen. Es ist aber auch eine rein analoge Verrechnung des Nutzsignals 8.2, 18.2 und des Referenzsignals 8.1, 18.1 denkbar. In dem erzeugten Auswertesignal sind die thermische Abhängigkeit der Bestrahlungsstärke und/oder die thermische Abhängigkeit der spektralen Leistungsdichte der von der Leuchtdiode 2.1, 12.1 emittierten Strahlung 8, 18 kompensiert, so dass bei einer Untersuchung einer neutralen Probe im Zeitbereich zwischen den Messzeitpunkten ti und t ₃ das Auswertesignal einen im Wesentlichen konstanten Signalverlauf aufweist. Weist die zu untersuchende Probe 7, 17 im durchgestimmten Spektralbereich SB jedoch einen Gradienten beim Reflexions- respektive Transmissionsverhalten auf, so weicht das Auswertesignal vom konstanten Wert ab. Diese Abweichung liefert eine Information über die Konzentration der zur Abweichung führenden Substanz in der zu untersuchenden Probe 7, 17 im untersuchten Wellenlängenbereich SB.

Die Auswerte- und Steuerschaltung 5, 15 erfasst während des Erwärmungsvorgangs Signale an mindestens zwei Messzeitpunkten ti, t ₂ , t ₃ . Der erste Messzeitpunkt ti kann, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, zu Beginn des Erwärmungsvorgangs bestimmt werden und ist somit mit einer kurzen Emissionswellenlänge der emittierten

Strahlung 8, 18 korreliert. Ein zweiter Messzeitpunkt t ₂ kann beispielsweise in der Mitte des Erwärmungsvorgangs bestimmt werden und ein dritter Messzeitpunkt t ₃ kann beispielsweise gegen Ende des Erwärmungsvorgangs bestimmt werden und ist somit mit einer längeren Emissionswellenlänge der emittierten Strahlung 8, 18 als zum ersten Messzeitpunkt ti korreliert. Während eines solchen Messzyklus wird die Emissionswellenlänge der emittierten Strahlung 8, 18 von kurzen zu längeren Wellenlängen hin verschoben, bzw. durchgestimmt. Alternativ können das Referenzsignal 8.1, 18.1 und das Nutzsignal 8.2, 18.2 kontinuierlich zwischen dem ersten und dritten Messzeitpunkt ti und t ₃ erfasst und ausgewertet werden.

Um die Konzentration der vorgegebenen Substanz in der zu analysierenden Probe 7, 17 bestimmen zu können, weist die zu analysierende Probe 7, 17 im durchgestimmten Wellenlängenbereich einen Gradienten beim Absorptions- respektive beim Reflexionsverhalten auf. Diese Eigenschaft ermöglicht es mit der beschriebenen Vorrichtung im durchgestimmten Wellenlängenbereich SB das wellenlängenabhängige Transmissions- bzw. Reflexionsverhalten der zu untersuchenden Probe 7, 17 in ein von der Zeit abhängiges Verhalten zu transformieren. Dieses kann von der Auswerte- und Steuereinheit 5, 15 sehr einfach erfasst und verarbeitet werden. Zur Bestimmung der Konzentration der vorgegebenen Substanz in der zu untersuchenden Probe 7, 17 wird eine Leuchtdiode 2.1, 12.1 ausgewählt, die eine Emissionswellenlänge und eine zugehörige thermische Verschiebung der Emissionswellenlänge aufweist, die mit dem Spektralverhalten der vorgegebenen nachzuweisenden Substanz korrespondieren.

Die durch die dynamischen Erwärmung der Leuchtdiode 2.1, 12.1 und einer damit verbundenen Verschiebung der Emissionswellenlänge λ von der unteren Emissionswellenlänge λi auf die obere Emis-

sionswellenlänge X ₃ ermittelten Informationen können analog durch eine dynamische Abkühlung der Leuchtdiode 2.1, 12.1 und einer damit verbundenen Verschiebung der Emissionswellenlänge λ von der oberen Emissionswellenlänge A ₃ auf die untere Emissionswellenlänge λi ermittelt werden. Insbesondere Leuchtdioden 2.1, 12.1 im nahen Infrarotbereich (NIR) zeigen nach dem Abschalten des Betriebstroms noch für einige Mirkosekunden ein Nachleuchten. Dieses Nachleuchten wird durch eine Diffusionskapazität der Leuchtdiode 2.1, 12.1 solange gespeist, bis diese entladen ist. Dieser Zeitraum entspricht der Sperr-Verzugsdauer der Leuchtdiode 2.1, 12.1. Während die Leuchtdiode 2.1, 12.1 nachleuchtet, kühlt sich die Leuchtdiode 2.1, 12.1 ab, so dass die Emissionswellenlänge λ der emittierten Strahlung entsprechend von der oberen Emissionswellenlänge A ₃ auf die untere Emissionswellenlänge λi verschoben wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren können beispielsweise verwendet werden, um die Konzentration von freiem Wasser und/oder verbundenem Wasser in einer zu untersuchenden Probe 7, 17 zu bestimmen. So kann die Erfindung beispielsweise verwendet werden, um während der Herstellung eines Produktes den aktuellen Feuchtigkeitsgehalt einer zu untersuchenden Probe 7, 17 des Produktes zu ermitteln.

Fig. 6 bis 10 zeigen verschiedene schematische Kennliniendiagramme, zur Beschreibung der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 6 zeigt beispielsweise das Verhalten eines Produktes während der Herstellung und die Abnahme des Feuchtigkeitsgehalts im Produkt.

Fig. 7 zeigt nicht normierte Kennlinien von drei Spektren SPl, SP2 und SP3 einer Probe, die bei verschiedenen Konzentrationen des zu analysierenden Inhaltsstoffes (hier Wasser) mittels eines

Gitterspektrometers aufgenommen wurden. Der in Fig. 7 dargestellte physikalisch problematische negative Wert für die Re- flektivität geht darauf zurück, dass es sich bei Fig. 7 um eine nicht normierte Darstellung mit Versatz handelt.

Die Daten der drei Spektren SPl, SP2 und SP3 aus Fig. 7 werden zunächst in der Weise normiert, dass die zugehörigen Kennlinien bei einer Wellenlänge λ=1100nm den Wert 0 aufweisen und somit keine negativen Werte für die Reflektivität mehr auftreten. Fig. 8 zeigt die entsprechenden Kennlinien der normierten Spektren SPIN, SP2N, SP3N der drei in Fig. 7 dargestellten Spektren SPl, SP2 und SP3.

Fig. 9 zeigt die Kennlinien der normierten Spektren SPIN, SP2N, SP3N die von einer Kennlinie NIR-LED, welche die normierte Bestrahlungsstärke einer kommerziellen Leuchtdiode 12.1 im nahen Infrarotbereich (NIR) wiedergibt, im Wellenlängenbereich um λ=1350nm bis 1400nm überlagert sind. Entlang der Ordinate sind sowohl die Reflektivität der Proben als auch für die NIR-LED die normierte Bestrahlungsstärke aufgetragen.

Beim Durchstimmen der Wellenlänge der Leuchtdiode 12.1 LED de- tektiert die erste optische Sensoreinheit 13 die mit dem Reflexionsspektrum gewichtete Bestrahlungsstärke der Leuchtdiode 12.1 integral über die Wellenlänge λ. Ein Sensorsignal X _se n _s (λ) der ersten optischen Sensoreinheit 13 ist somit proportional der über der optisch aktiven Fläche integrierten Strahlungsleistung, der von der Probe 17 beeinflussten Strahlung, hier die von der Probe 17 reflektierte Strahlung.

Das Sensorsignal X _sens (λ) als Funktion der Wellenlängenverschiebung λ, der durchgestimmten Leuchtdiode 12.1 ist somit proportional zu einem Faltungsintegral gemäß Gleichung (1).

X _sens C _λ) - JS _(λ) * R _(λ - _λ) dλ ( 1 )

Wobei S( _λ ) die normierte spektrale Bestrahlungsstärke der Leuchtdiode 12.1 und R _(λ) die spektrale Reflektivität der Probe 17 darstellt.

Fig. 10 zeigt drei Kennlinien XSl, XS2, XS3, die das Ergebnis des Faltungsintegrals nach Gleichung (1) der spektralen Charakteristik SPIN, SP2N, SP3N der Probe 17 mit der spektralen Strahlungsdichte NIR-LED der entsprechenden Leuchtdiode 12.1, also einer Kreuzkorrelation, für den Durchstimmbereich λ<100nm der Leuchtdiode 12.1 repräsentieren. Die erste optische Sensoreinheit 14 liefert ein entsprechendes proportionales Signal. Ein vergleichbares Signal kann auch aus dem Quotienten aus Nutzsignal 18.2 und Referenzsignal 18.1 berechnet werden. Es wird also ein Signal in willkürlicher Skalierung als Funktion der Wellenlängenänderung der Leuchtdioden 12.1 ermittelt. Für typische Leuchtdioden 12.1 im NIR-Bereich der entsprechenden Wellenlänge kann in der Praxis ein Durchstimmbereich von λ~80nm erwartet werden. Entsprechende Ergebnisse können alternativ mit der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur spektralen Diagnostik von Substanzen und/oder Oberflächen erzielt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zur spektralen Diagnostik von Substanzen und/oder Oberflächen ermöglicht in vorteilhafter Weise eine sehr einfache und kostengünstige Anordnung zur spektralen Messung in einem beschränkten Wellenlängenbereich, wobei als Strahlungsquelle gewöhnliche Leuchtdioden eingesetzt werden können, die mit Emissionswellenlängen zwischen dem fernen UV-Bereich und dem IR-

Bereich kommerziell verfügbar sind. Die vorliegende Erfindung nutzt im Wesentlichen die thermische Wellenlängenabhängigkeit von Halbleiterstrahlungsquellen in Verbindung mit der differen- ziellen Messtechnik.