DE202007019582U1 - Measurement setup for detecting the distribution of at least one state variable in a measuring field with different probes - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

Messaufbau zum Erfassen der räumlichen Verteilung mindestens einer Zustandsgröße in einem Messfeld, in das verschiedene Sonden eingebracht sind, mit einer mindestens eine Kamera aufweisenden Erfassungseinrichtung, die das Messfeld mit der Kamera abbildet und optische Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen von den verschiedenen Sonden aus dem Messfeld getrennt erfasst und räumlich zugeordnet, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera eine RGB-Kamera ist, die die optischen Signale von den verschiedenen Sonden registriert und räumlich zuordnet.Measuring setup for detecting the spatial distribution of at least one state variable in a measuring field, in which different probes are introduced, with a detection device having at least one camera, which images the measuring field with the camera and detects optical signals with different wavelengths separately from the different probes from the measuring field and spatially associated, characterized in that the camera is an RGB camera which registers and spatially associates the optical signals from the various probes.

Description

Translated fromGerman

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung bezieht sich auf einen Messaufbau zum Erfassen der räumlichen Verteilung mindestens einer Zustandgröße in einem Messfeld mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Schutzanspruchs 1.The invention relates to a measuring structure for detecting the spatial distribution of at least one state variable in a measuring field having the features of the preamble of theindependent patent claim 1.

Mit dem Begriff ”Sonde” ist in der vorliegenden Beschreibung in der Regel ein luminiszentes, insbesondere ein fluoreszentes oder phophoreszentes Molekül gemeint, dessen Lumineszenz von der interessierenden Zustandsgröße abhängig ist. Die Sonde kann aber auch ein Molekül sein, bei dem sich irgendeine andere optische Eigenschaft ändert, die zu einem optischen Signal aus einem bestimmten Wellenlängenbereich führt. Weiterhin kann es sich bei der Sonde um einen Kristall oder eine Schicht handeln, bei der sich beispielsweise die scheinbare Farbe in weißem Licht aufgrund ändernder Reflektionseigenschaften mit der interessierenden Zustandsgröße ändert. Ein Beispiel hierfür sind sogenannte Flüssigkristalle, die ihre Farbe in weißem Licht mit der Temperatur ändern. Zudem kann beispielsweise ein luminiszentes Molekül, dessen Lumineszenzeigenschaften von der interessierenden Zustandsgröße abhängen, nicht nur als solches, sondern auch eingebettet in eine Trägersubstanz als Sonde verwendet werden. Auf diese Weise kann das Ansprechverhalten der Sonde zum Erfassen der interessierenden Zustandsgröße optimiert werden.By the term "probe" is meant in the present description usually a luminescent, in particular a fluorescent or phosphorus-centered molecule whose luminescence depends on the state variable of interest. However, the probe can also be a molecule in which any other optical property changes, resulting in an optical signal from a certain wavelength range. Furthermore, the probe may be a crystal or a layer in which, for example, the apparent color in white light changes due to changing reflection properties with the state variable of interest. An example of this are so-called liquid crystals that change their color in white light with temperature. In addition, for example, a luminescent molecule whose luminescence properties depend on the state variable of interest can be used as a probe not only as such but also embedded in a carrier. In this way, the response of the probe for detecting the state variable of interest can be optimized.

Die vorliegende Erfindung betrifft den Spezialfall der Erfassung der räumlichen Verteilung mindestens einer Zustandsgröße unter Verwendung verschiedener Sonden. Diese verschiedenen Sonden können zur Erfassung verschiedener Zustandsgrößen dienen. Es ist aber auch möglich, nur eine Zustandsgröße mit verschiedenen Sonden zu erfassen, weil die einzelnen Sonden nicht über den gesamten relevanten Messbereich ausreichend stark auf relevante Änderungen der interessierenden Zustandsgröße ansprechen. In beiden Fällen sind nur solche verschiedenen Sonden geeignet, deren optische Signale getrennt erfasst werden können. Die vorliegende Erfindung konzentriert sich auf den Fall, in dem diese Trennung auf einer unterschiedlichen spektralen Zusammensetzung der optischen Signale, d. h. einer unterschiedlichen Farbe der optischen Signale im sichtbaren Bereich beruht.The present invention relates to the special case of detecting the spatial distribution of at least one state variable using different probes. These different probes can be used to detect different state variables. However, it is also possible to detect only one state variable with different probes because the individual probes do not respond sufficiently strongly to relevant changes in the state variable of interest over the entire relevant measuring range. In both cases, only those different probes are suitable whose optical signals can be detected separately. The present invention focuses on the case where this separation is due to a different spectral composition of the optical signals, i. H. a different color of the optical signals in the visible range.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Bei bekannten, sogenannten Multi-Sensing-Verfahren werden Moleküle, deren optische Eigenschaften von verschiedenen interessierenden Zustandsgrößen abhängen, in einer Trägersubstanz, in der Regel in Form eines Polymers, auf eine Oberfläche aufgetragen. Bekannt sind dabei z. B. Moleküle, die auf Änderungen des Sauerstoffgehalts an der Oberfläche, der Temperatur an der Oberfläche oder den pH-Wert an der Oberfläche ansprechen. Zum Auslesen der verschiedenen Sonden misst man die Absorbanz, Reflektivität oder Lumineszenz der Moleküle, wobei bei der Lumineszenz sowohl deren unmittelbare Intensität als auch die Lumineszenzabklingzeit den interessierenden Messwert darstellen kann. Bei den bekannten Verfahren unter Verwendung verschiedener Sonden werden diese entweder sequenziell mit einer einzigen Kamera oder gleichzeitig mit mehreren Kameras erfasst. Dabei werden schmale Bandpassfilter vor der oder den Kameras verwendet, um das jeweilige optische Signal von einer einzelnen Sonde spektral zu separieren. Bei Verwendung einer einzigen Kamera nimmt diese zwar die optischen Signale von den einzelnen Sonden aus derselben Blickrichtung auf, so dass eine einfache räumliche Zuordnung möglich ist. Es ist aber nicht möglich, die Signale von den einzelnen Sonden gleichzeitig zu erfassen. Zudem muss der Wechsel der einzelnen Bandpassfilter mit der Aufnahme der optischen Signale von den einzelnen Sonden synchronisiert werden. Bei der Verwendung mehrerer Kameras entfällt diese Synchronisationsnotwendigkeit. In diesem Fall ist aber die räumliche Zuordnung der unterschiedlichen optischen Signale erschwert.In known, so-called multi-sensing methods, molecules whose optical properties depend on various state variables of interest are applied to a surface in a carrier substance, generally in the form of a polymer. Are known z. For example, molecules that respond to changes in the oxygen content at the surface, the temperature at the surface or the pH at the surface. To read the various probes, one measures the absorbance, reflectivity or luminescence of the molecules, wherein in the case of luminescence, both their direct intensity and the luminescence decay time can represent the measured value of interest. In the known methods using different probes, these are detected either sequentially with a single camera or simultaneously with multiple cameras. In this case, narrow bandpass filters are used in front of the camera (s) in order to spectrally separate the respective optical signal from a single probe. When using a single camera, this takes the optical signals from the individual probes from the same direction, so that a simple spatial assignment is possible. However, it is not possible to capture the signals from the individual probes simultaneously. In addition, the change of the individual bandpass filters must be synchronized with the recording of the optical signals from the individual probes. When using multiple cameras eliminates this synchronization need. In this case, however, the spatial assignment of the different optical signals is difficult.

Neben der Auftragung von Sonden für verschiedene Zustandsgrößen auf Oberflächen ist es auch bekannt, Strömungen mit derartigen Sonden zu beimpfen und die optischen Signale von den mit den Strömungen mitgeführten Sonden beispielsweise in einem sogenannten Lichtschnitt durch die Strömung abzufragen. Bei Verwendung verschiedener Sonden treten dabei dieselben grundsätzlichen Probleme auf, wie sie voranstehend beschrieben wurden.In addition to the application of probes for different state variables on surfaces, it is also known to inoculate flows with such probes and to interrogate the optical signals from the entrained with the flow probes, for example in a so-called light section through the flow. When using different probes, the same fundamental problems occur as described above.

DieDE 199 40 751 A1 offenbart eine Lichtemissions-Detektionseinrichtung, die eine LCD-Matrix als zweidimensionale steuerbare Lichtquelle und eine der LCD-Matrix zugewandtgegenüberliegende CCD-Matrix zur Detektion des optischen Verhaltens einer jeweiligen zwischen LCD-Matrix und CCD-Matrix befindlichen Probensubstanz aufweist. Dabei kann die CCD-Matrix Farbpixel (RGB-Dreifachpixel) aufweisen. Bei den potenziellen Anwendungen der bekannten Lichtemissions-Detektionseinrichtung ist von dem Erfassen und insbesondere dem Erfassen der Verteilung mindestens einer Zustandsgröße keine Rede.The DE 199 40 751 A1 discloses a light emission detecting device comprising an LCD matrix as a two-dimensional controllable light source and a CCD array facing the LCD matrix for detecting the optical behavior of a respective sample substance located between the LCD matrix and the CCD array. The CCD matrix can have color pixels (RGB triple pixels). In the potential applications of the known light emission detection device of the detection and in particular the detection of the distribution of at least one state variable is out of the question.

DieDE 101 475 701 A1 offenbart einen Fluoreszenz-Biosensorchip und eine Fluoreszenz-Biosensorchip-Anordnung. Der Fluoreszenz-Biosensorchip weist ein Substrat, mindesten eine in oder auf dem Substrat angeordnete Detektions-Einrichtung zum Erfassen von elektromagnetischer Strahlung, eine auf dem Substrat angeordnete optische Filterschicht und eine auf der optischen Filterschicht angeordnete Immobilisierungs-Schicht zum Immobilisieren von Fängermolekülen auf, wobei die Detektions-Einrichtung, die optische Filterschicht und die Immobilisierungs-Schicht in den Fluoreszenz-Biosensorchip integriert sind. In derDE 101 45 701 A1 wird eine aus derUS 5 648 653 bekannte Sensoranordnung in Form einer RGB-Kamera als Stand der Technik gewürdigt, zu dem aber angemerkt wird, dass er nicht zum Nachweis biologischer Moleküle vorgesehen ist. Der ausdrücklich wenig aufwändige und somit kostengünstigere Fluoreszenz-Biosensorchip gemäß derDE 101 45 701 A1 weist weder eine RGB-Kamera noch eine andere mehrfarbige Detektions-Einrichtung zum Erfassen von elektromagnetischer Strahlung auf.The DE 101 475 701 A1 discloses a fluorescence biosensor chip and a fluorescence biosensor chip assembly. The fluorescence biosensor chip has a substrate, at least one detection device arranged in or on the substrate for detecting electromagnetic radiation, an optical device arranged on the substrate Filter layer and arranged on the optical filter layer immobilization layer for immobilizing catcher molecules, wherein the detection means, the optical filter layer and the immobilization layer are integrated into the fluorescence biosensor chip. In the DE 101 45 701 A1 will one from the US 5 648 653 known sensor arrangement in the form of an RGB camera recognized as prior art, but is noted that it is not intended for the detection of biological molecules. The expressly less expensive and therefore less expensive fluorescence biosensor chip according to the DE 101 45 701 A1 has neither an RGB camera nor any other multicolor detection device for detecting electromagnetic radiation.

DieDE 1 003 180 A1 offenbart ein Verfahren und eine Anordnung zur optischen Erfassung von charakteristischen Größen des wellenlängenabhängigen Verhaltens einer beleuchteten Probe. Ferner wird ein spektraler Schwerpunkt und/oder ein Maximum der Emissionsstrahlung und/oder der absorbierten Strahlung bestimmt. Diese Bestimmung kann simultan für mehrere Farbstoffe in der Probe erfolgen. Hierzu werden Spektrometer verwendet. Die Ergebnisse des bekannten Verfahrens können farbkodiert in einem RGB-Bild dargestellt werden.TheDE 1 003 180 A1 discloses a method and an arrangement for optically detecting characteristic magnitudes of the wavelength-dependent behavior of an illuminated sample. Furthermore, a spectral center of gravity and / or a maximum of the emission radiation and / or the absorbed radiation is determined. This determination can be made simultaneously for several dyes in the sample. For this purpose, spectrometers are used. The results of the known method can be displayed color-coded in an RGB image.

DieWO 00/04372 A1 offenbart ein Sensorfeld für das Messen und die Identifikation einer Mehrzahl von Analyten in Lösungen. Dabei erfolgt die Identifikation über Reaktion der Analyten mit chemisch empfindlichen Partikeln, die in der Emission von Fluoreszenzlicht unterschiedlicher Farbe resultieren. Dieses Fluoreszenzlicht wird durch einen dem Partikel benachbart angeordneten RGB-CCD-Sensor erfasst. Dabei weisen die Partikel mit unterschiedlichen chemischen Empfindlichkeiten eine feste räumliche Anordnung auf, so dass durch die räumliche und farbliche Verteilung des Fluoreszenzlichts über den RGB-CCD-Sensor auf das Vorhandensein bestimmter Analyten in der jeweiligen Lösung geschlossen werden kann.The WO 00/04372 A1 discloses a sensor array for measuring and identifying a plurality of analytes in solutions. The identification is carried out by reaction of the analytes with chemically sensitive particles, resulting in the emission of fluorescent light of different colors. This fluorescent light is detected by an RGB-CCD sensor arranged adjacent to the particle. In this case, the particles with different chemical sensitivities have a fixed spatial arrangement, so that the presence of particular analytes in the respective solution can be concluded from the spatial and color distribution of the fluorescence light via the RGB CCD sensor.

Aus derUS 2002/0020818 A1 ist es grundsätzlich bekannt, vor einer RGB-Kamera mit integrierten Farbfiltern vor den einzelnen Pixeln noch ein weiteres Farbfilter anzuordnen. Konkret werden hier eine Vorrichtung und ein Verfahren zum phasenempfindlichen Messen von optischen Signalen beschrieben.From the US 2002/0020818 A1 In principle, it is known to arrange an additional color filter in front of the individual pixels in front of an RGB camera with integrated color filters. Specifically, an apparatus and a method for phase-sensitive measurement of optical signals are described herein.

In derDE 697 19 966 T2 wird unter dem Stichwort ”RGB” eine Fehlfarbendarstellung von verschiedenen Informationen beschrieben.In the DE 697 19 966 T2 under the keyword "RGB" a false color representation of various information is described.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Erfassen der räumlichen Verteilung mindestens einer Zustandsgröße in einem Messfeld, in das verschiedene Sonden eingebracht werden, grundsätzlich zu erleichtern.The invention is based, in principle, to facilitate the detection of the spatial distribution of at least one state variable in a measuring field into which different probes are introduced.

LÖSUNGSOLUTION

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Messaufbau mit den Merkmalen des unabhängigen Schutzanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Schutzansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen des neuen Messaufbaus.According to the invention, this object is achieved by a measuring structure having the features ofindependent patent claim 1. The dependent claims relate to preferred embodiments of the new measurement setup.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Der neue Messaufbau ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera der Erfassungseinrichtung für die optischen Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen von den verschiedenen Sonden in dem Messfeld eine RGB-Kamera ist, die die optischen Signale von den verschiedenen Sonden registriert und räumlich zuordnet.The new measurement setup is characterized in that the camera of the detection means for the optical signals having different wavelengths from the different probes in the measurement field is an RGB camera which registers and spatially associates the optical signals from the various probes.

Mit dem neuen Messaufbau werden die optischen Signale von den verschiedenen Sonden mit einer RGB-Kamera registriert und anhand der verschiedenen Ausgangssignale getrennt erfasst.The new measurement setup registers the optical signals from the various probes with an RGB camera and records them separately based on the different output signals.

Auf den speziellen Typ der dabei verwendeten RGB(Rot-Grün-Blau)-Kamera kommt es bei der Erfindung nicht an. Allen RGB-Kameras gemein ist die Tatsache, dass sie Bildpunkte, so genannte Pixel, aufweisen, die jeweils über das gesamte Blickfeld der Kamera verteilt sind und auf sichtbares Licht drei unterschiedlicher Wellenlängenbereiche (rot, grün und blau) ansprechen. Dabei sind die Pixel, die auf die unterschiedlichen Wellenlängen ansprechen, einander räumlich zugeordnet, wobei sich diese räumliche Zuordnung in den verschiedenen, den einzelnen Farben einer RGB-Kamera zugehörigen Ausgangssignalen widerspiegelt. So kann für einen bestimmten Punkt einer mit einer RGB-Kamera abgebildeten Oberfläche oder eines mit einer RGB-Kamera abgebildeten Lichtschnitts sowohl die Intensität des roten als auch des grünen als auch des blauen Lichts bestimmt werden. Die Trennung der spektralen Anteile des Lichts erfolgt bei einer RGB-Kamera durch Filter vor den eigentlichen Sensorfeldern und/oder abgestimmte spektrale Empfindlichkeiten der einzelnen Sensorfelder. Völlig überraschend stellt sich heraus, dass diese Trennung bei handelsüblichen RGB-Kameras ausreichend ist, um bei einem Messaufbau mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Schutzanspruchs 1 die optischen Signale von den verschiedenen Sonden ausreichend, und dies bedeutet in aller Regel vollständig, zu trennen. Damit entfällt jeder zusätzliche Aufwand für eine räumliche und/oder zeitliche Zuordnung. Stattdessen stehen mit den Ausgangssignalen der RGB-Kamera kompakte Datensätze zur Verfügung, die bezüglich aller Sonden mit eingefasster räumlicher Zuordnung auswertbar sind.The special type of RGB (red-green-blue) camera used in this case does not matter in the invention. Common to all RGB cameras is the fact that they have pixels, so-called pixels, which are distributed over the entire field of view of the camera and respond to visible light of three different wavelength ranges (red, green and blue). In this case, the pixels that respond to the different wavelengths are spatially associated with each other, this spatial allocation is reflected in the different, the individual colors of an RGB camera output signals. Thus, for a particular point of a surface imaged with an RGB camera or a light section imaged with an RGB camera, both the intensity of the red and the green as well as the blue light can be determined. The separation of the spectral components of the light takes place in an RGB camera by filters in front of the actual sensor fields and / or coordinated spectral sensitivities of the individual sensor fields. Quite surprisingly, it turns out that this separation is sufficient in commercial RGB cameras to sufficient in a test setup with the features of the preamble ofclaim 1, the optical signals from the various probes, and this means usually completely separate. This eliminates any additional effort for a spatial and / or temporal assignment. Instead, compact data sets are available with the output signals of the RGB camera, which can be evaluated with respect to all probes with trimmed spatial allocation.

Bei einigen Sonden ist es möglich, die einzelnen Farbkanäle der RGB-Kamera direkt den einzelnen Sonden zuzuordnen. Dies gilt beispielsweise dann, wenn eine Sonde eindeutig im blauen und eine Sonde eindeutig im roten Bereich emittiert. Aber auch Sonden, deren optische Signale nicht nur in einem einzigen Farbkanal einer RGB-Kamera Reaktionen hervorrufen, können bei dem neuen Messaufbau verwendet werden, beispielsweise indem relative Intensitätsverteilungen über benachbarte Farbkanäle einzelnen Sonden zugeordnet werden. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, die sogenannten subtraktiven Kanäle einer RGB-Kamera CYM (Cyan, Yellow, Magenta) auszuwerten. With some probes it is possible to assign the individual color channels of the RGB camera directly to the individual probes. This applies, for example, when a probe clearly emits in the blue and a probe clearly in the red region. However, probes whose optical signals do not cause reactions in just one color channel of an RGB camera can also be used in the new measurement setup, for example by assigning relative intensity distributions to individual probes via adjacent color channels. Alternatively or additionally, it is also possible to evaluate the so-called subtractive channels of an RGB camera CYM (cyan, yellow, magenta).

Auch wenn dies bei der vorliegenden Erfindung nicht den Regelfall darstellt, kann der RGB-Kamera mindestens ein Extinktions- oder Kantenfilter vorgeschaltet werden, um beispielsweise Anregungslicht zum Abfragen lumineszenter Sonden selektiv aus den von der RGB-Kamera empfangenen optischen Signalen auszublenden. Mit einem Extinktionsfilter können auch Überlappungsbereiche im Emissionsspektrum verschiedener Sonden ausgeblendet werden, damit diese in den Ausgangssignalen der RGB-Kamera stärker getrennt sind. Alle verwendeten Extinktions- und Kantenfilter befinden sich aber dauerhaft vor der RGB-Kamera. Sie müssen nicht zwischen einzelnen Aufnahmen der optischen Signale von verschiedenen Sonden gewechselt werden.Although not typical of the present invention, the RGB camera may be preceded by at least one extinction or edge filter to selectively mask, for example, excitation light for interrogating luminescent probes from the optical signals received by the RGB camera. With an extinction filter also overlapping areas in the emission spectrum of different probes can be hidden, so that they are more strongly separated in the output signals of the RGB camera. All extinction and edge filters used are permanently in front of the RGB camera. You do not have to switch between individual recordings of the optical signals from different probes.

Konkret kann es sich bei der RGB-Kamera um eine CCD- oder CMOS-Kamera handeln. Wie bereits ausgeführt wurde, kommt es aber auf den speziellen Kameratyp für die vorliegende Erfindung nicht an.Specifically, the RGB camera may be a CCD or CMOS camera. As already stated, however, the specific type of camera for the present invention does not matter.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Schutzansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Schutzansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Schutzansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Schutzansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Schutzansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.Advantageous developments of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the introduction to the description are merely exemplary and can come into effect alternatively or cumulatively, without the advantages having to be achieved by embodiments according to the invention. Further features can be taken from the drawings. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different protection claims is also different from the chosen relationships of the protection claims possible and is hereby stimulated. This also applies to those features which are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different protection claims. Likewise, features listed in the claims for further embodiments of the invention can be omitted.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von konkreten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.The invention will be explained in more detail below with reference to concrete embodiments with reference to the accompanying drawings and described.

1 zeigt den Aufbau und die Funktionsweise eines RGB-Chips mit Anordnung der Pixel im Bayer-Mosaik. 1 shows the structure and operation of a RGB chip with arrangement of the pixels in the Bayer mosaic.

2 zeigt den Aufbau und die Funktionsweise eines RGB-Chips vom Typ Foveon X3. 2 shows the structure and operation of a Foveon X3 RGB chip.

3 zeigt die Absorptions- und Emissionsspektren eines dualen Sensors, der eine CO₂-Sonde und eine Temperatursonde aufweist. 3 shows the absorption and emission spectra of a dual sensor having a CO₂ probe and a temperature probe.

4 zeigt die Ansprechkurve der Temperatursonde des dualen Sensors gemäß3 beim Erfassen der Phosphoreszenz der Temperatursonde mit einer RGB-Kamera im Vergleich mit derselben Temperatursonde in alleiniger Verwendung; und 4 shows the response curve of the temperature sensor of the dual sensor according to 3 when detecting the phosphorescence of the temperature probe with an RGB camera in comparison with the same temperature probe in single use; and

5 zeigt die Ansprechkurve der CO₂-Sonde des dualen Sensors gemäß3 bei verschiedenen Temperaturen beim Erfassen der CO₂-Sonde mit einer RGB-Kamera, auch hier im Vergleich mit derselben CO₂-Sonde in alleiniger Verwendung. 5 shows the response curve of the CO₂ probe of the dual sensor according to 3 at different temperatures when detecting the CO₂ probe with an RGB camera, again in comparison with the same CO₂ probe in exclusive use.

FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES

1 zeigt oben links die Anordnung der Pixel bei einem RGB-Chip, der ein CCD- oder CMOS-Chip sein kann. Jedes einzelne Pixel besteht aus einem Sensorfeld mit Empfindlichkeit für Licht des roten, grünen oder blauen Spektralbereichs. Dabei sind die den einzelnen Farben zugeordneten Pixel im sogenannten Bayer-Mosaik angeordnet.1 zeigt oben rechts die Verteilung der für rotes Licht empfindlichen Pixel, unten rechts die Verteilung der für grünes Licht empfindlichen Pixel und unten links die Verteilung der für blaues Licht empfindlichen Pixel. Dabei sind weder die Pixeldichten für die einzelnen Farben gleich noch liegen die Pixel für die einzelnen Farben in identisch übereinstimmenden Positionen. Dennoch kann für jeden Punkt einer Abbildung auf einen RGB-Chip mit Anordnung der Pixel im Bayer-Mosaik sowohl der rote als auch der grüne als auch der blaue Farbanteil hinreichend genau bestimmt werden. 1 The upper left corner shows the arrangement of the pixels in an RGB chip, which may be a CCD or CMOS chip. Each individual pixel consists of a sensor field with sensitivity to light of the red, green or blue spectral range. The pixels assigned to the individual colors are arranged in the so-called Bayer mosaic. 1 The distribution of red light sensitive pixels is shown at the top right, the green light sensitive pixel distribution at the bottom right and the distribution of blue light sensitive pixels at the bottom left. Neither the pixel densities for the individual colors are the same nor are the pixels for the individual colors in identical matching positions. Nevertheless, for each point of an image on an RGB chip with arrangement of the pixels in the Bayer mosaic, both the red and the green as well as the blue color component can be determined with sufficient accuracy.

2 skizziert den Aufbau und die Funktionsweise eines RGB-Chips vom Typ Foveon X3, der ebenfalls als CMOS- oder CCD-Chip ausgebildet sein kann. Hier sind deckungsgleiche Raster von Sensoren für die unterschiedlichen Farbanteile in Richtung der optischen Achse hintereinander angeordnet. Jedes einzelne Pixel besteht daher aus einem vorne liegenden Sensor, der den Blauanteil aus dem einfallenden Licht herausfiltert und registriert, einem dahinterliegenden, den Grünanteil aus dem Restlicht absorbierenden Sensor und einem noch weiter dahinterliegenden, den verbleibenden Rotanteil detektierenden Sensor. So wird für jeden Bildpunkt unmittelbar jede Farbkomponente des einfallenden Lichts registriert. 2 outlines the structure and operation of a Foveon X3 RGB chip, which can also be designed as a CMOS or CCD chip. Here congruent grid of sensors for the different color components in the direction of the optical axis are arranged one behind the other. Each pixel therefore consists of a front sensor that filters out and registers the blue component of the incident light behind it, the green component from the residual light absorbing sensor and an even further behind, the remaining red component detecting sensor. Thus, each color component of the incident light is registered directly for each pixel.

3 ist eine Auftragung der relativen Absorption und Emission von zwei Sonden eines dualen CO₂-/Temperatursensors. Die CO₂-Sonde HPTS (8-Hydroxypyren-1,3,6-trisulfonsat), die bei dem dualen Sensor in Ethylzellulose immobilisiert ist, zeigt blaue Fluoreszenz. Die Temperatursonde Eu(tta)₃(pat), die bei dem dualen Sensor in Poly(vinylmethylketon) eingebettet ist, phosphoresziert im roten Bereich. Beide Sonden weisen eine Absorption im kurzwelligeren blauen Bereich auf. Sowohl mit einer RGB-CCD- als auch mit einer RGB-CMOS-Kamera werden die optischen Signale von den beiden Sonden gut getrennt. So liegt die typische Empfindlichkeit von RGB-Kameras für den Blauanteil bei 380 bis 500 nm, für den Grünanteil bei 500 bis 580 nm und für den Rotanteil bei 580 bis 750 nm. Das optische Signal der CO₂-Sonde gelangt so in den Farbkanal für den blauen Farbanteil und das optische Signal für die Temperatursonde in den Farbkanal für den Rotanteil. 3 is a plot of the relative absorption and emission of two probes of a dual CO₂ / temperature sensor. The CO₂ probe HPTS (8-hydroxypyrene-1,3,6-trisulfonate) immobilized in ethyl cellulose in the dual sensor shows blue fluorescence. The temperature probe Eu (tta)₃ (pat), which is embedded in the dual sensor in poly (vinyl methyl ketone), is phosphorescent in the red region. Both probes show absorption in the short-wave blue range. With both an RGB CCD and an RGB CMOS camera, the optical signals from the two probes are well separated. Thus, the typical sensitivity of RGB cameras for the blue component is 380 to 500 nm, for the green component at 500 to 580 nm and for the red component at 580 to 750 nm. The optical signal of the CO₂ probe thus enters the color channel for the blue color component and the optical signal for the temperature probe in the color channel for the red component.

In einer konkreten Erprobung wurden die optischen Signale von dem dualen Sensor gemäß3, welcher mit Licht der Wellenlänge 405 von LEDs beleuchtet wurde, mit einer handelsüblichen CMOS-Kamera (Canon EOS 350D) mit automatischem Weißabgleich registriert. Der duale Sensor wurde in einer Durchflusszelle bei verschiedenen CO₂-Konzentrationen bei unterschiedlichen Temperaturen vermessen. Die Aussteuerung bezüglich der Intensität wurde beim Messpunkt mit dem am höchsten anzunehmenden Signal durch Einstellen der Belichtungszeit festgelegt. Die aufgenommenen Bilder der einzelnen Messpunkte wurden mit handelsüblicher Bildverarbeitungssoftware in die einzelnen RGB-Kanäle (Farbkanäle) unterteilt und die so entstandenen Farbintensitätssignale einzeln ausgewertet. Je nach Bedarf kann anstatt in die additiven RGB-Kanäle auch in die subtraktiven CYM-Kanäle getrennt werden.4 und5 illustrieren, dass die Ansprechkurven der beiden Sonden sehr gut mit den Ansprechkurven übereinstimmen, die beim alleinigen Einsatz nur jeweils einer Sonde mit einer schwarz-weiß-Kamera erhalten werden. Die Verschiebung der Intensität, die aus5 zwischen der CO₂-Sonde in dem dualen Sensor und der Referenz hervorgeht, beruht auf einer unterschiedlichen Kalibrierung und ist insoweit kein Hinweis auf einen grundsätzlich anderen Verlauf der Ansprechkurve.In a concrete test, the optical signals from the dual sensor according to 3 , which was illuminated by LEDs of wavelength 405, registered with a commercially available CMOS camera (Canon EOS 350D) with automatic white balance. The dual sensor was measured in a flow cell at different CO₂ concentrations at different temperatures. The intensity control was set at the measurement point with the highest signal to be assumed by adjusting the exposure time. The recorded images of the individual measuring points were subdivided into the individual RGB channels (color channels) using commercially available image processing software, and the resulting color intensity signals were evaluated individually. Depending on requirements, it is also possible to separate into the subtractive CYM channels instead of into the additive RGB channels. 4 and 5 illustrate that the response curves of the two probes match very well with the response curves obtained when using only one probe with a black-and-white camera alone. The shift of intensity that out 5 between the CO₂ probe in the dual sensor and the reference is based on a different calibration and is therefore no indication of a fundamentally different course of the response curve.

Die vorliegende Erfindung kann auf jedem Gebiet eingesetzt werden, in dem optische Sonden mit Kameras ausgelesen werden, z. B. in der Aerodynamik, Windkanaltests, medizinischer Diagnostik, Qualitätssicherung usw.The present invention can be used in any field in which optical probes are read out with cameras, e.g. B. in aerodynamics, wind tunnel tests, medical diagnostics, quality assurance, etc.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• DE 19940751 A1[0006]DE 19940751 A1[0006]
• DE 101475701 A1[0007]DE 101475701 A1[0007]
• DE 10145701 A1[0007, 0007]DE 10145701 A1[0007, 0007]
• US 5648653[0007]US 5648653[0007]
• DE 1003180 A1[0008]DE 1003180 A1[0008]
• WO 00/04372 A1[0009]WO 00/04372 A1[0009]
• US 2002/0020818 A1[0010]US 2002/0020818 A1[0010]
• DE 69719966 T2[0011]DE 69719966 T2[0011]

Claims (4)

Translated fromGerman

Messaufbau zum Erfassen der räumlichen Verteilung mindestens einer Zustandsgröße in einem Messfeld, in das verschiedene Sonden eingebracht sind, mit einer mindestens eine Kamera aufweisenden Erfassungseinrichtung, die das Messfeld mit der Kamera abbildet und optische Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen von den verschiedenen Sonden aus dem Messfeld getrennt erfasst und räumlich zugeordnet,dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera eine RGB-Kamera ist, die die optischen Signale von den verschiedenen Sonden registriert und räumlich zuordnet.Measuring setup for detecting the spatial distribution of at least one state variable in a measuring field, in which different probes are introduced, with a detection device having at least one camera, which images the measuring field with the camera and detects optical signals with different wavelengths separately from the different probes from the measuring field and spatially associated,characterized in that the camera is an RGB camera which registers and spatially associates the optical signals from the various probes.Messaufbau nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Farbkanäle der RGB-Kamera einzelnen Sonden zugeordnet sind.Measurement setup according to claim 1,characterized in that individual color channels of the RGB camera are assigned to individual probes.Messaufbau nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, dass der RGB-Kamera ein Extinktions- oder Kantenfilter vorgeschaltet ist.Measuring assembly according to claim 1 or 2,characterized in that the RGB camera is preceded by an extinction or edge filter.Messaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet, dass die RGB-Kamera eine CCD- oder CMOS-Kamera ist.Measurement setup according to one of claims 1 to 3,characterized in that the RGB camera is a CCD or CMOS camera.

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