DE69628005T2

DE69628005T2 - Optisches filter für spektroskopische messungen und verfahren zur herstellung des filters

Info

Publication number: DE69628005T2
Application number: DE69628005T
Authority: DE
Inventors: M. James LEPPER; Kheir Mohamed DIAB
Original assignee: Masimo Corp
Current assignee: Masimo Laboratories Inc
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1996-06-04
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2016-06-05
Also published as: CN1192808A; EP0830625A1; EP0830625B1; AU706049B2; CA2221859A1; US6278522B1; AU6036796A; ATE239924T1; WO1996041218A1; JPH11507143A; US5940182A; DE69628005D1; US5760910A

Description

Hintergrund der Erfindung
Bereich der Erfindung Die vorliegende Erfindung betrifft optische Filter für Anwendungen, in denen spektroskopische Messungen durchgeführt werden, um die Eigenschaften von Substanzen zu bestimmen, z. B. von Chemikalien und anderen Substanzen.
Beschreibung der verwandten Technik
Optische Filter für Anwendungen, in denen spektroskopische Messungen vorgesehen sind, sind bekannt. Spektroskopische Messungen werden genutzt, um die Eigenschaften und die chemische Zusammensetzung verschiedener Substanzen in einer Probe basierend auf den optischen Charakteristiken der Probe zu bestimmen. In einer typischen spektroskopischen Messung wird Licht (mit Wellenlängen im sichbaren und nicht sichbaren Bereich) verwendet, um die Probe durch Mehrfrequenzspektren zu beleuchten. Es werden mehr als eine optische Frequenz (Wellenlänge) verwendet, um die optischen Charakteristiken der Probe genauer zu bestimmen und Interferenzen oder Störungen zu subtrahieren. In einigen Anwendungen wird das von der Probe reflektierte Licht erfaßt, während in anderen Anwendungen das durch die Probe transmittierte Licht erfaßt wird, um die optischen Charakteristiken der Probe zu bestimmen. Außerdem kann eine Kombination aus Transmission durch die Probe und Reflexionen von der Probe verwendet werden.
Das erfaßte Licht wird normalerweise quantitativ erfaßt, um bei jedem Frequenzspektrum eine "Frequenzantwort" der Probe zu erhalten. Auf dem Fachgebiet ist bekannt, daß jede Substanz definierbare optische Eigenschaften besitzt, die durch die Frequenzen bestimmt sind, bei der die Substanz Licht reflektiert und absorbiert. Daher können die optischen Charakteristiken einer vorgegebenen Substanz quantitativ bestimmt werden (d. h. als Intensität des reflektierten oder transmittierten Lichts als Funktion der Frequenz dargestellt werden), um die optischen Chrakteristiken dieser Substanz darzustellen. Weil verschiedene Substanzen typischerweise verschiedene eindeutige optische Charakteristiken besitzen, können quantitative Messungen der optischen Eigenschaften einer Probe, die mehrere Substanzen aufweist, als Basis zum Unterscheiden zwischen Meßwerten oder zum Durchführen weiterer Messungen dienen, die mit den mehreren Substanzen in einer Probe in Beziehung stehen. Präzise Messungen des reflektierten oder transmittierten Lichts können verwendet werden, um die exakte Konzentration der verschiedenen Substanzen in einer Probe zu bestimmen.
Einige herkömmliche spektroskopische Meßsysteme verwenden mehrere Leuchtdioden (LEDs) oder Laserquellen, um Licht mit gewünschten Wellenlängen bereitzustellen. Es müssen jedoch sehr teure Lichtquellen mit hochgradig präzisen Wellenlängen verwendet werden, um ein solches System mit der erforderlichen Wellenlängenpräzision für jede der Lichtquellen herzustellen.
In einem alternativen Verfahren zum Erzeugen von Licht mit mehreren Frequenzen wird ein zwischen der zu analysierenden Probe und einer breitbandigen Lichtquelle angeordnetes optisches Filter in Rotation versetzt. In herkömmlichen optischen spektroskopischen Vorrichtungen sind häufig teure, nach Kundenwunsch gefertigte Filter erforderlich, die verwendet werden, um ein optisches Muster zu transmittierender optischer Signale zu erzeugen. Ein derartiges Filter, das herkömmlich als dichroitisches Filter bekannt ist, weist eine rotierende optisch beschichtete Scheibe mit Bereichen verschiedener optischer Dicke auf. Wenn die Scheibe sich dreht, durchläuft Licht von der breitbandigen Lichtquelle verschiedene Abschnitte der Scheibe, so daß Licht mit verschiedenen Frequenzen das Filter durchläuft und die Probe beleuchtet. D. h., die Bereiche des dichroitischen Filters sind derart in einem Muster ausgebildet, daß die Drehbewegung der optischen Scheibe dazu führt, daß ausgewählte optische Bänder transmittiert werden. In vielen herkömmlichen Anwendungen, in denen präzise spektroskopische Messungen erforderlich sind, sind optische Filter mit sehr hohen Toleranzanforderungen konstruiert worden. Außerdem haben die Verfahren zum Herstellen solcher Filter häufig die Möglichkeit der Herstellung solcher Filter durch Mengenfertigung ausgeschlossen. Daher sind derartige optische Filter in der Herstellung zu teuer.
In einem Artikeln von Shumei Yang mit dem Titel Circular, variable, broad-bandpass filters with induced transmissions at 200-1100 nm wird ein herkömmliches, in Rotation versetzbares, variables Bandpaßfilter mit kreisförmigen Schichten beschrieben, deren optische Dicken sich mit dem Drehwinkel des Filter linear ändern. Im US-Patent Nr. 3442572 von Illsey et al. wird ein ähnliches kreisförmiges, variables Filter mit mehrlagigen Interferenzschichten mit einer optischen Dicke beschrieben, die sich entlang eines mit der Drehachse konzentrischen Kreises linear ändern. In keiner dieser Referenzen wird jedoch ein Filter dargestellt, das Schichten aufweist, deren optische Dicken sich quer über das Substrats ändern. Im Japanese Patent Abstract JP-A-61035681 wird ein allgemeines System zum automatischen Einstellen von Filtercharakteristiken beschrieben.
Die US-A-4957371 betrifft Spektrometer und insbesondere ein Spektrometer mit einem keilförmigen Filter mit einem kompakten keilförmigen spektralen Dispergierer, der mit einem elektro-optischen Detektor optisch gekoppelt ist, und eine Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen eines keilförmigen spektralen Dispergierers. Das in diesem Dokument beschriebene Spektrometer weist ein Substrat und einen kontinuierlichen spektralen Dispergierer auf, der aus alternierenden Schichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex konstruiert ist. Die Schichten sind hinsichtlich der Dicke derart abgestuft, daß jede der Schichten eine konstante Steigung oder Schräge hat.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale der Patentansprüche definiert.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein rotierendes dichroitisches Filter für spektroskopische Messungen bereitgestellt, wobei die Kosten des Filters etwa 100-mal geringer sind als für herkömmliche rotierende, dichroitische Filter. Dies wird erreicht, indem zunächst die Spezifikationen des Filters weniger streng eingeschränkt werden und die weniger strenge Einschränkung der Filterspezifikationen durch intensivere Signalverarbeitungsschritte kompensiert wird. Außerdem ist das Filter derart konstruiert, daß es einfacher herstellbar ist. Das erfindungsgemäß konstruierte Filter läßt 10- bis 100-mal mehr Licht durch als ein herkömmliches Filter, während die erforderliche Präzision durch die Signalverarbeitung aufrechterhalten wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines optischen Filters bereitgestellt. Das Verfahren weist mehrere Schritte auf. Es wird ein optisches Substrat mit einer oberen und einer unteren Fläche bereitgestellt, und optische Schichten werden auf der oberen Fläche derart aufgebracht, daß sich die Dicken der Schichten in einer ersten Richtung quer über die obere Fläche des Substrats ändern. Die Dicke der Schichten ist in einer zweiten Richtung, die sich im wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung erstreckt, im wesentlichen konstant. Das Verfahren weist ferner das Ausbilden einer Halterungsöffnung in der Mitte des Substrats auf. Außerdem wird in einer Ausführungsform ein opaker Streifen entlang mindestens eines Abschnitts des Substrats aufgebracht.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optisches Filter bereitgestellt. Das optische Filter weist ein im wesentlichen kreisförmiges Substrat mit einer oberen und einer unteren Fläche auf. Das Filter weist außerdem mehrere optische Schichten auf, die auf der oberen Fläche des Substrats derart aufgebracht sind, daß die Dicke der Schichten sich in einer ersten Richtung quer über die obere Fläche ändert. Die Schichten haben in einer zweiten Richtung, die sich im wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung erstreckt, eine im wesentlichen konstante Dicke.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird durch die auf das Substrat ausgebrachten optischen Schichten ein nicht-abbildendes Interferometer bereitgestellt, wobei etwa die Hälfte des auf die Schichten auftreffenden Lichts über die gesamte Oberfläche des Substrats durch die Schichten transmittiert wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird durch die Schichten eine optische Durchlaßcharakteristik für das optische Filter bereitgestellt, um ein optisches Filter bereitzustellen, das an allen Positionen quer über die Oberfläche des Filters mehr als eine Wellenlänge durchläßt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein gemäß herkömmlichen Verfahren konstruiertes, exemplarisches dichroitisches Filter;
2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäß verwendetes allgemeines Verfahren zum Herstellen eines rotierenden optischen Filters;
3 zeigt das in 2 dargestellte erfindungsgemäße dichroitische Filter in einer Blutzuckerüberwachungsanwendung;
4A-4C zeigen Graphen zum Darstellen der optischen Durchlaßcharakteristiken eines exemplarischen erfindungsgemäßen dichroitischen Filters über verschiedene Drehwinkel;
4D zeigt eine Matrix, die verwendet wird, um die optischen Charakteristiken eines exemplarischen erfindungsgemäßen dichroitischen Filters zu spezifizieren;
5 zeigt einen Graphen zum Darstellen der optischen Durchlaßcharakteristik eines exemplarischen herkömmlichen dichroitischen Filters über verschiedene Drehwinkel;
6 zeigt ein allgemeines Ablaufdiagramm der Signalverarbeitungsoperationen, die verwendet werden, um die geringeren optischen Toleranzen des erfindungsgemäßen Filters zu kompensieren;
7 zeigt ein Ablaufdiagramm zum Fortsetzen der allgemeinen Schritte zum Bestimmen der Matrix der optischen Charakteristiken von 4D;
8 zeigt ein Funktionsblockdiagramm der allgemeinen Schritte zum Verwenden des erfindungsgemäßen Filters in Verbindung mit der Signalverarbeitung, um Ungenauigkeiten zu kompensieren.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 zeigt ein gemäß herkömmlichen Verfahren hergestelltes exemplarisches dichroitisches Filter. In herkömmlichen Verfahren zum Herstellen solcher optischer Filter wurde typischerweise ein kreisförmiges Substrat in Lagen beschichtet, wobei die Schichtdicke auf der Oberfläche des kreisförmigen Substrats selektiv erhöht wurde, während das Substrat mit gleichmäßiger Drehzahl gedreht wurde.
1 zeigt ein solches Filter 150 mit Schichtlagen 152, 154, 156, usw. mit zunehmenden Dicken, wodurch eine spiralförmige Konfiguration erhalten wird, während das Filter 150 gedreht wird. Die in 1 dargestellten Schichtdicken sind für eine deutlichere Darstellung natürlich stark übertrieben dargestellt. Dieses Verfahren zum Herstellen einer optischen Schicht wird im wesentlichen um den gesamten Umfang des kreisförmigen Substrats herum ausgeführt, so daß, wenn das beschichtete Substrat sich dreht, die Dicke der optischen Schicht über eine volle Umdrehung zunimmt und dann am Ende der Umdrehung von der größten zur kleinsten Schichtdicke abrupt abnimmt.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß derartige Verfahren zum Herstellen einer optischen Schicht eine hohe Präzision erfordern und extrem teuer sind. Außerdem werden diese Filter typischerweise einzeln gefertigt, weil die Herstellungsverfahren es nicht erlauben, mehrere Scheiben in einem einzigen Lagenmaterial für eine Mengenfertigung zu beschichten.
Außerdem weisen herkömmliche Filter des in 1 dargestellten Typs im allgemeinen viele Lagen auf (typischerweise z. B. 100 oder mehr Lagen) . Die vielen Lagen in einem herkömmlichen Filtern werden bereitgestellt, um sehr präzise Durchlaßbänder (für ein Bandpaßfilter) bereitzustellen. 5 zeigt eine exemplarische Durchlaßcharakteristik für ein herkömmliches rotierendes, dichroitisches Filter als Funktion des Drehwinkels für eine ausgewählte Wellenlänge. Wie in 5 dargestellt, ist das Durchlaßband des Filters für die ausgewählte Wellenlänge sehr präzise und weist im wesentlichen keine Nebenmaxima auf, und außerhalb des Durchlaßbandes beträgt der Lichtdurchlaßgrad im wesentlichen null. Es sind eine sehr große Anzahl von Lagen erforderlich, um ein Filter mit einer derartigen, nahezu idealen Präzision zu erhalten. Dieses sehr schmale Durchlaßband befindet sich bei verschiedenen Wellenlängen an verschiedenen Drehpositionen. D. h., ein herkömmliches dichroitisches Filter kann als Monochrometer gekennzeichnet werden, das an verschiedenen Drehpositionen verschiedene Wellenlängen durchläßt.
Das Herstellen der einzelnen Lagen ist aufgrund der kontinuierlichen Änderung von einer dünneren zu einer dickeren Schicht in der Drehrichtung teuer. Daher sind solche Filter, wenn viele Lagen hergestellt werden (für eine geeignete Präzision z. B. 100 oder mehr Lagen), sehr teuer.
Erfindungsgemäß wird ein dichroitisches Filter bereitgestellt, das sich von herkömmlichen dichroitischen Filtern wesentlich unterscheidet. 2 zeigt ein Filter 120 in verschiedenen Phasen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Filters.
Das erfindungsgemäße dichroitische Filter wird auf eine neuartige Weise hergestellt, wobei mehrere optische Schichten auf einem Substrat ausgebildet werden, um ein keilförmiges Substrat herzustellen. Zum Herstellen eines Drehfilters wird das Substrat dann geschnitten, um scheibenförmige Drehfilter herzustellen.
Außerdem weist das dichroitische Filter gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weniger Lagen auf als herkömmliche Filter. Dadurch wird eine geringere Präzision in der Durchlaßcharakteristik des Filters erhalten. Die 4A-4C zeigen die optische Durchlaßcharakteristik für ausgewählte Wellenlängen eines erfindungsgemäß hergestellten exemplarischen Drehfilters mit lediglich 17 optischen Schichten. Wie in den 4A-4C dargestellt ist, ist die Durchlaßcharakteristik nicht so präzise wie die in 5 dargestellte Durchlaßcharakteristik eines herkömmlichen Filters. Wie in den 4A-4C dargestellt, weist das erfindungsgemäße dichroitische Filter für jede spezifizierte Wellenlänge mehrere Durchlaßbänder auf. Außerdem fällt der Lichtdurchlaßgrad außerhalb der Durchlaßbänder, anders als bei herkömmlichen Präzisionsfiltern, nicht vollständig auf null ab. Die verminderte Präzision in den Durchlaßbändern ergibt sich aufgrund der verminderten Anzahl von Schichten des Filters. Die vorstehend erwähnte verminderte Präzision ist nicht auf dichroitische Drehfilter beschränkt, sondern könnte auch für dichroitische Filter vorteilhaft sein, die in Schwingung versetzt werden (z. B. durch Oszillation oder auf ähnliche Weise), und für jedes andere optische Filter, das herkömmlicherweise eine hohe Präzision in den Durchlaßbändern aufweist. Die verminderte Präzision des erfindungsgemäßen Filters wird durch eine geeignete Signalverarbeitung kompensiert, wie nachstehend beschrieben wird, um schließlich die erforderliche Präzision zu erhalten. Auf diese Weise können die Kosten des Filters reduziert werden.
Wenn beide Aspekte des erfindungsgemäßen Filters verwendet werden (der Beschichtungsprozeß und die reduzierte Anzahl von Schichten), ist das erhaltene Filter wesentlich kostengünstiger herstellbar als herkömmliche dichroitische Filter. Es ist schon vorteilhaft, wenn nur einer der Aspekte realisiert wird. Beispielsweise könnte ein herkömmliches Drehfilter mit wesentlich weniger Lagen auch durch herkömmliche Beschichtungstechniken hergestellt werden, so daß die Dicke des Filters über eine vollständige Umdrehung des Filters zunimmt. Alternativ könnte das hierin dargestellte verbesserte Herstellungsverfahren dazu verwendet werden, ein Drehfilter mit herkömmlicher Präzision (z. B. mit vielen Lagen) bei reduzierten Fertigungskosten herzustellen.
Im Verfahren, in dem die Kosten für die Beschichtung des optischen Filters gesenkt werden, wird ein flaches Substrat 110 (2) mit optischen Schichten mit zunehmender Dicke beschichtet, um eine keilförmige Schicht 111 auszubilden. Zur Darstellung der vorliegenden Erfindung ist die Dicke der optischen Schicht 111 stark übertrieben dargestellt, und in praktischen Anwendungen ändert sich die Dicke der optischen Schicht 111 von etwa 1,66 μm auf etwa 3,33 μm, wobei die mittlere Schichtdicke etwa 2,35 μm beträgt. Diese Dicken sind ungefähre Werte und können in Abhängigkeit vom Brechungsindex der Schichtmaterialien variieren. Daher werden gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung die das Filter definierenden optischen Schichten nicht gleichmäßig in Umfangsrichtung, sondern quer über ein Substrat aufgebracht, wodurch die Kosten des Filters erheblich reduziert werden. In diesem Zustand ist das Filter als dichroitisches Filter für Anwendungen geeignet, in denen ein oszillierendes Filter verwendet wird.
Für ein Drehfilter wird, nachdem die optischen Schichten 111 auf das Substrat 110 aufgebracht wurden, ein zylindrischer Abschnitt 112 aus dem durch die optische Schicht 111 und das Susbtrat 110 gebildeten keilförmigen Material geschnitten. Dann wird eine zylindrische Öffnung in der Mitte des zylindri schen Abschnitts 112 ausgebildet, um eine Halterungsöffnung herzustellen. In bestimmten Anwendungen ist es wünschenswert, einen optisch opaken Streifen, z. B. einen Messingstreifen, 122 über einem Abschnitt der optischen Filterscheibe 120 anzuordnen. Durch den Messingstreifen wird ein Referenzabschnitt der Scheibe 120 mit einem Lichtdurchlaßgrad von null bereitgestellt, der dazu beitragen kann, in bestimmten Signalverarbeitunganwendungen den Rauschanteil zu unterdrücken.
Die vorstehende Beschreibung dient zum Verdeutlichen eines Aspekts der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren kann jedoch in der Praxis zuerst den Schritt zum Schneiden des Substrats in eine Scheibe aufweisen. Anschließend werden die optischen Schichten auf die Scheibe so aufgebracht als ob die Scheibe noch immer quadratisch wäre, so daß überschüssiges Material auf einen Tisch oder eine Plattform (nicht dargestellt) fällt, der/die die Scheibe in einem Vakuumbehälter hält. Auf diese Weise wird die keilförmige Struktur auf der Oberfläche der Scheibe 120 ausgebildet, wie in 2 dargestellt.
Die Dicke der Scheibe 120 nimmt nicht über den gesamten Umfang der Scheibe gleichmäßig zu, sondern die Dicke nimmt über den Umfang zu und wieder ab. Es sind jedoch beide Umfangshälften verwendbar, wie nachstehend beschrieben wird.
Außer daß die Fertigungskosten des vorstehend beschriebenen Filters reduziert werden, werden gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung auch eine minimale Anzahl optischer Schichten aufgebracht. In einer bevorzugten Ausführungsform sind lediglich 17 Schichten erforderlich, um die erforderliche Auflösung zu erhalten.
Durch die Reduzierung der Anzahl von Schichten wird zwar ein weniger präzises Filter erhalten, diese Unzulänglichkeiten oder Ungenauigkeiten können jedoch durch digitale Verarbeitungsschritte kompensiert werden. Beispielsweise lassen, wie vorstehend beschrieben, herkömmliche dichroitische Filter typischerweise gleichzeitig nur ein einzelnes Frequenzband durch (5), während die bevorzugte Ausführungsform eines erfin dungsgemäßen Filters gleichzeitig mehrere Frequenzbänder durchlassen kann, weil dies berücksichtigt wird und durch eine geeignete Signalverarbeitung kompensiert werden kann.
Die für Anwendungen, in denen teurere Interferometer oder Monochrometer erforderlich sind, benötigte Auflösung ist zum Analysieren von Flüssigkeiten typischerweise nicht erforderlich. Es können jedoch zusätzliche Schichten und größere Abstände verwendet werden, um die Auflösung des Filters zu erhöhen.
Kompensierende digitale Signalverarbeitung
Wie vorstehend kurz erwähnt wurde, kann die Ungenauigkeit eines erfindungsgemäß hergestellten Filters mit einer minimalen Anzahl optischer Schichten durch eine geeignete Signalverarbeitung kompensiert werden.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm zum ausführlichen Darstellen eines Verfahrens zum Kompensieren der Ungenauigkeit des erfindungsgemäß hergestellten Filters. Bevor das Verfahren ausgeführt wird, wird jedoch eine Initialisierung vorgenommen.
Vor-Laufzeit-Initialisierung
Die Initialisierung wird in der Fabrik oder zu einem anderen Zeitpunkt vor Gebrauch durchgeführt. Im allgemeinen wird eine Filtercharakteristikmatrix konstruiert, wie nachstehend unter Bezug auf 7 ausführlicher beschrieben wird. Die Filtercharakteristikmatrix stellt die Durchlaßcharakteristik des dichroitischen Filters 120 an verschiedenen Abschnitten des Filters 120 und für verschiedene Lichtwellenlängen dar. Die Filtercharakteristikmatrix wird verwendet, um Abschnitte des durch einen Detektor erzeugten elektrischen Signals zu extrahieren, die einfach durch die durch das optische Filter 120 verursachte optische Dämpfung erhalten werden. D. h., wenn die Filtercharakteristik bekannt ist, kann die Ungenauigkeit des Filters berücksichtigt werden.
Die Filtercharakteristikmatrix ist eine zweidimensionale Matrix. Die Filtercharakteristikmatrix weist eine Spalte für jede charakterisierte Lichtwellenlänge und eine Reihe für jede Position (in der vorliegenden Erfindung Drehposition) des Filters 120 auf, bei der eine Charakterisierung (der Filtercharakteristik) ausgeführt wird. Daher weist die Filtercharakteristikmatrix in einer Ausführungsform 16 Spalten und 256 Reihen auf, wenn 16 Wellenlängen charakterisiert sind und 256 Positionen des Filters 120 definiert sind. Es müssen jedoch nicht notwendigerweise 16 verschiedene Wellenlängen verwendet werden; die Verwendung zusätzlicher Wellenlängen ist insbesondere zum Erhöhen des Rauschabstands vorteilhaft. Weil etwa die Hälfte des auftreffenden Lichts an jeder Position des Filters durch das Filter transmittiert wird, wird die gleiche Wellenlänge mehrmals erfaßt (obwohl jedesmal in einer eindeutigen Kombination mit anderen Wellenlängen), so daß die Gesamtsignalintensität 10- bis 100-mal so groß ist wie die Intensität einer einzelnen Wellenlänge und wesentlich höher als der Rauschabstand. Dies wird herkömmlich als Felgates Vorteil bezeichnet. Auf diese Weise ist die Spektral- oder Frequenzantwort des gesamten Filters 120 über die erwarteten gemessenen Wellenlängen vollständig charakterisiert. Das zum Konstruieren der Filtercharakteristikmatrix verwendete Verfahren wird nachstehend unter Bezug auf 7 ausführlich beschrieben.
Bestimmung der Filtercharakteristikmatrix
Die 4A-4D zeigen zusammen mit 7 das zum Bestimmen der Filtercharakteristikmatrix verwendete Verfahren. Das Bestimmungsprogramm ist in 7 dargestellt und beginnt mit einem Startblock 800.
Die Funktionsblöcke 830-845 stellen in Verbindung mit den 4A-4D das erfindungsgemäße Verfahren zum Konstruieren der Filtercharakteristikmatrix dar. Das Filter 120 reflektiert und transmittiert optische Strahlung für verschiedene Wellenlängen an verschiedenen Stellen auf der Filter- scheibe 120 in verschiedenen Anteilen. Dies ist in den 4A–4C verdeutlicht, wobei 4A den Lichtdurchlaßgrad bei einer Wellenlänge von 850 nm als Funktion aller möglichen 256 Drehpositionen der Scheibe (für eine Ausführungsform) darstellt. Wie in 4A dargestellt, beträgt der Lichtdurchlaßgrad der Scheibe 120 bei 850 nm, wenn die Scheibe 120 sich auf der anfänglichen Startposition befindet (d. h. ? = 0, wobei 0 die Drehposition des Filters 120 darstellt), etwa 10%, während, wenn die Scheibe 120 so gedreht wird, daß ϕ = 32 beträgt, der Lichtdurchlaßgrad des Filters 120 bei 850 nm etwa 25% beträgt. Bei Scheibendrehpositionen zwischen ? = 128 und ? = 160 beträgt der Lichtdurchlaßgrad des Filters 120 bei 850 nm etwa 75%. Daher ist der Lichtdurchlaßgrad für λ = 850 nm über 256 Drehpositionen des scheibenförmigen Filters 120 vollständig charakterisiert, wie in 4A dargestellt.
4B zeigt den Lichtdurchlaßgrad bei 1150 nm für die gleichen 256 Drehpositionen der Scheibe 120. Ähnlicherweise zeigt 4D ein Diagramm des Lichtdurchlaßgrades bei 1350 nm für das scheibenförmige Filter 120 bei jeder der 256 Drehpositionen der Scheibe 120. In einer realen Ausführungsform der Erfindung sind die optischen Durchlaßcharakteristiken des Filters für 256 Drehpositionen bei jeder von 16 Wellenlängen zwischen 850 nm und 1400 nm bestimmt.
Daher kann basierend auf diesen Messungen eine Filtercharakteristikmatrix konstruiert werden, wie in 4D dargestellt. Die in 4D durch F(ϕ, λ) bezeichnete Filtercharakteristikmatrix weist 256 Reihen und 16 Spalten auf. Jede Spalte der Filtercharakteristikmatrix stellt die spektrale Durchlaßcharakteristik der Scheibe 120 bei jeder der 256 Drehpositionen der Scheibe 120 für die ausgewählte Wellenlänge für diese Spalte dar.
Um die in 4D dargestellte Filtercharakteristikmatrix zu konstruieren, wird das Filter 120 bei einer ersten Drehposition über jede der 16 Wellenlängen beleuchtet, um für jede der 16 Wellenlängen spektrale Transmissions- oder Lichtdurch-laßkoeffizienten zu erhalten, wie durch einen Funktionsblock 830 dargestellt ist. Nachdem die spektralen Transmissions oder Lichtdurchlaßkoeffizienten für die erste Drehposition bestimmt worden sind, wie durch den Funktionsblock 830 dargestellt, wird das Filter bei einer zweiten Drehposition (d. h. ? = 1) über die 16 ausgewählten Wellenlängen beleuchtet, um spektrale Transmissions- oder Lichtdurchlaßkoeffizienten für die zweite Drehposition zu erhalten, wie durch einen Funktionsblock 835 dargestellt. Dieses Verfahren wird für jede der möglichen Drehpositionen der Scheibe 120 ausgeführt, bis, wie durch einen Funktionsblock 840 dargestellt, das Filter an der "m-ten" oder letzten Drehposition (d. h. an der Position 256) des scheibenförmigen Filters 120 über die 16 ausgewählten Wellenlängen beleuchtet wird, um die spektralen Transmissions- oder Lichtdurchlaßkoeffizienten für die letzte Drehposition zu erhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform, in der ein Schrittmotor verwendet wird, werden die Drehpositionen von Umdrehung zu Umdrehung der Scheibe 120 präzise eingestellt. Natürlich könnte ein computergesteuerter Scheiben- oder Plattenmotor mit Schenkelpolen verwendet werden, der mit einer konstanten Drehzahl läuft, vorausgesetzt, daß Phasenschwankungen oder -fluktuationen auf weniger als einen Teil von 256 Teilen minimiert sind.
Nachdem die spektralen Transmissions- oder Lichtdurchlaßkoeffizienten für alle 16 Wellenlängen und alle 256 Drehpositionen der Scheibe 120 bestimmt worden sind, wird die Filtercharakteristikmatrix konstruiert, wie durch einen Funktionsblock 845 dargestellt. Die Matrix ist durch Spalten und Reihen definiert, wobei die Spalten die spektralen Absorptionskeffizienten für eine vorgegebene Wellenlänge bei den verschiedenen Drehpositionen und die Reihen die spektralen Absorptionskoeffizienten bei einer vorgegebenen Drehposition für die verschiedenen Wellenlängen darstellen. Nachdem die Filtercharakteristikmatrix konstruiert worden ist, sind dem System die er forderlichen Parameter oder Randbedingungen für die Verarbeitung bekannt.
Die Bestimmung der Filtercharakteristikmatrix ist für das Drehfilter 120 beschrieben worden. Ein oszillierendes Filter oder ein anderes Filter mit definierten Positionen auf dem Filter, z. B. ein Fabry-Perot-Filter, und auch ortsfeste oder nicht bewegte Filter, z. B. in CCD-Anwendungen verwendete Filter, können jedoch ebenfalls gemäß der vorstehenden Diskussion charakterisiert werden.
Verarbeitung
Die erfindungsgemäße Gesamtverarbeitung, in der die Ungenauigkeit des Filters durch Verwendung der Filtercharakteristikmatrix berücksichtigt wird, wird nachstehend unter Bezug auf die 3, 6 und 8 beschrieben.
3 zeigt die Verwendung des Filters 120 in einem System zum Überwachen von Blutbestandteilen. 6 zeigt ein allgemeines Ablaufdiagramm für die Schritte zum Berücksichtigen der Ungenauigkeit des Filters, um die Charakteristiken eines zu prüfenden Mediums zu bestimmen. 8 zeigt ein allgemeines Funktionsdiagramm der Verarbeitung zum Berücksichtigen der Filterungenauigkeit durch eine Signalverarbeitung. Wie in 6 dargestellt, ist der Beginn der Verarbeitung durch einen Startblock 300 dargestellt. Zunächst werden Verwaltungs- bzw. Funktionsüberwachungs- und Selbsttestverarbeitungen ausgeführt, wie durch einen Funktionsblock 305 dargestellt. Zusammengefaßt beinhalten Verwaltungs- bzw. Funktionsüberwachungs- und Selbsttestverarbeitungen Boot-Operationen und eine herkömmliche Initialisierung eines Selbsttests. Beispielsweise bestimmt das System zunächst, ob eine ausreichende Signalintensität vorhanden ist, um eine exakte Meßwerterfassung zu gewährleisten. Nachdem die Verwaltungs- bzw. Funktionsüberwachungs- und Selbsttestverarbeitungen abgeschlossen sind, wird die Lichtquelle 110 (3 und 8) aktiviert, um Licht 115 durch das Filter 120 zu transmittieren, wie durch einen Funk tionsblock 310 dargestellt. Die Lichtquelle 110 wird anfangs aktiviert, während kein zu prüfendes Medium 131 zwischen dem Filter 120 und dem Detektor 140 angeordnet ist. Dadurch stellt das Licht, das durch einen Detektor 140 (3) erfaßt wird, eine Basislichtintensität (I₀) dar, die in einem Test verwendbar ist, um z. B. zu gewährleisten, daß keine zu schwache oder zu starke Lichtquelle als Ersatzlichtquelle eingesetzt ist. In einer Ausführungsform kann zwischen der Lichtquelle und dem Filter 120 eine Linse 117 (8) bereitgestellt werden, um Licht 115 auf das Filter 120 zu fokussieren.
Nachdem die anfängliche Basislichtintensität als Konstante ermittelt worden ist, wird das zu prüfende Medium 131 eingesetzt, wie durch einen Funktionsblock 312 dargestellt ist.
Wie durch einen Funktionsblock 315 dargestellt ist, wird das auf den Detektor 140 auftreffende Licht in ein elektrisches Signal umgewandelt, und dieses elektrische Signal wird in einem Vorverstärker (nicht dargestellt) verstärkt, durch ein Bandpaßfilter (nicht dargestellt) gefiltert und durch einen A/D-Wandler 142 abgetastet. Weil das Filter 120 sich dreht (in einer realen Ausführungsform mit etwa 78,125 U/s, obwohl gemäß der spezifischen Anwendung andere Drehzahlen vorteilhaft sein können), zeigen die Abtastwerte des durch den Detektor 140 ausgegebenen elektrischen Signals die bei verschiedenen Drehpositionen des Filters 120 erfaßten Lichtintensitäten an. In einer vorteilhaften Ausführungsform entspricht eine vollständige Umdrehung (d. h. über 360°) des Filters 120 512 digitalen Abtastwerten. D. h., innerhalb der einer Umdrehung des Filters 120 entsprechenden Zeitdauer 512 Abtastwerte aufgenommen. Daher werden, wenn das Filter 120 sich beispielsweise mit 78,125 U/s dreht, 512 Abtastwerte innerhalb von etwa 1/78 Sekunde aufgenommen, so daß die Abtastrate des A/D-Wandlers 142 etwa 40000 Abtastungen/s beträgt.
Wie vorstehend beschrieben, weist das erfindungsgemäß konstruierte Filter 120 innerhalb einer vollen Umdrehung redundante Bereiche auf. D. h., das Filter 120 ist symmetrisch so beschichtet, daß durch die erste Halbumdrehung des Filters ein Spiegelbild des Signals der zweiten Halbumdrehung des Filters 120 bereitgestellt wird. D. h., das Filter ist, wie in 2 dargestellt, derart keilförmig ausgebildet, daß die Dicke in einer Richtung konstant ist und die Dicke senkrecht zu dieser Richtung linear zunimmt. Daher ist die zweite Halbumdrehung des Filters 120 redundant. Aus diesem Grunde könnten für eine Hälfte der Umdrehung des Filters 120 aufgenommene digitale Abtastwerte verworfen werden, so daß bei jeder vollen Umdrehung des Filters 120 anstatt 512 Abtastwerte, wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, nur 256 Abtastwerte für die digitale Signalverarbeitung verwendet werden. Alternativ können für die Verarbeitung alle 512 Abtastwerte verwendet werden, indem entsprechende Werte Bemittelt werden. In einer noch anderen Ausführungsform kann die redundante Hälfte des Filters für eine Filter- und Quellenkalibrierung verwendet werden. Jeder der 256 Abtastwerte (wenn nur eine Hälfte verwendet wird) stellt einen anderen Abschnitt des Filters 120 mit einer anderen optischen Durchlaßcharakteristik dar.
Vorzugsweise ist das Filter 120 insbesondere so konstruiert, daß es einen opaken Streifen (d. h. Messingstreifen 122) aufweist. Der digitale Signalprozessor 145 erfaßt durch Überwachen der vom Detektor 140 ausgegebenen Intensität, wenn der opake Streifen 122 des Filters 120 zwischen dem Licht 122 und dem Detektor 140 angeordnet ist. Die Intensität ist effektiv null, wenn das Licht durch den opaken Streifen 122 blockiert wird. Weil der opake Streifen 122 im wesentlichen die gesamte von der Quelle 110 emittierte optische Strahlung blockiert, wird jedes Signal, das vom optischen Detektor 140 ausgegeben wird, wenn das Licht blockiert wird (z. B. durch Umgebungslicht, durch thermische Effekte oder anderweitig erzeugte Signale) als elektrisches Rauschen interpretiert, das weder durch die spektralen Absorptionscharakteristiken des zu prüfenden Mediums 131 noch durch die spektrale Durchlaßcharakteristik des Filters 120 erzeugt wird. Daher interpretiert der digitale Signalprozessor 145 das Signal, das am Ausgang des optischen Detektors 140 erzeugt wird, wenn der Messingstreifen 122 zwischen der Lichtquelle 110 und dem optischen Detektor 140 angeordnet ist, als stochastisches Rauschen, das anschließend von allen vom optischen Detektor 140 ausgegebenen Signalen subtrahiert wird. In einer Ausführungsform wird diese Verarbeitung einfach durch Subtrahieren des dem erfaßten Rauschpegel entsprechenden Digitalwertes von jedem der Digitalwerte ausgeführt, die den im Funktionsblock 315 erhaltenen Abtastwerten des erfaßten Signals entsprechen. Alternativ könnte ein Shutter-Mechanismus im Lichtweg angeordnet werden, oder die Lampe 110 könnte kurzzeitig ausgeschaltet werden, um die gleiche Wirkung zu erzielen. Auf diese Weise wird das im System inhärent vorhandene elektrische Rauschen eliminiert, so daß in den weiteren Verarbeitungsschritten nur die durch die optische Durchlaßcharakteristik des Filters 120 (und des zu prüfenden Mediums 130) erhaltenen elektrischen Signale berücksichtigt werden.
Nachdem das im System inhärente stochastische Rauschen extrahiert worden ist, schreitet die Verarbeitung vom Funktionsblock 315 zum Funktionsblock 323 fort. Im Funktionsblock 323 wird das Signal durch I₀ dividiert, um das Signal zu normieren. Das normierte Signal wird anschließend im Funktionsblock 325 verarbeitet, um eine Signalintensitätsmatrix oder einen Signalintensitätsvektor aus den im Funktionsblock 315 erhaltenen Abtastwerten zu konstruieren (wobei die Subtraktion des elektrischen Rauschens und die im Funktionsblock 323 ausgeführte Signalnormierung berücksichtigt werden). 8 zeigt eine Signalintensitätsmatrix I_ϕm.
Die Signalintensitätsmatrix 1000 (8) ist eine Spaltenmatrix (die manchmal als Vektor bezeichnet wird), die 256 Signalintensitätswerte enthält (in der vorliegenden Ausführungsform z. B. einen Wert für jede abgetastete Drehposition des Filters 120). Daher wird der Signalintensitätsvektor 1000 durch direktes Messen des optischen Signals erhalten, das den Filter 120 und das zu prüfende Medium 131 durchläuft und durch den optischen Detektor 140 erfaßt wird. Natürlich werden die zum Erzeugen des Signalintensitätsvektors 1000 verwendeten Werte von der Amplitude des vom Detektor 140 ausgegebenen Signale genommen, nachdem das Rauschen von jedem Abtastwert subtrahiert wurde. Wenn jede Drehposition eines Filters 120, die durch den A/D-Wandler 170 abgetastet wird, durch ? bezeichnet wird, wird ϕ₁ der ersten Drehposition des Filters 120, ϕ₂ der zweiten Drehposition des Filters 120,... und ϕ₂₅₆ der letzten Drehposition des Filters 120, bevor erneut die Drehposition ϕ₁ eingestellt wird, entsprechen. Unter Verwendung dieser Bezeichnung entspricht I_ϕ1 der durch den optischen Detektor 140 erfaßten Lichtintensität, wenn das Filter 120 auf die erste Drehposition ϕ₁ eingestellt ist, I_ϕ2 der durch den optischen Detektor 140 erfaßten Lichtintensität, wenn das Filter 120 auf die zweite Drehposition ϕ₂ eingestellt ist, usw. Daher weist die Signalintensitätsmatrix eine einspaltige Matrix mit 256 Digitalwerten von I_ϕ1 bis I_ϕ256 auf , die den an jeder der Drehpositionen des Filters 120 erfaßten optischen Intensitäten entsprechen. In einer Ausführungsform werden die Intensitätswerte über mehrere Umdrehungen Bemittelt, um die Signalintensitätsmatrix zu erzeugen.
Nachdem der nachstehend durch I(ϕ) bezeichnete Signalintensitätsvektor im Funktionsblock 325 (6) erhalten wurde und die nachstehend durch F(ϕ, λ) bezeichnete Filtercharakteristikmatrix erhalten wurde, wie vorstehend beschrieben wurde und als Dateneingabe in Block 333 dargestellt ist, kann die Signalintensitätsmatrix zusammen mit der Filtercharakteristikmatrix verwendet werden, um eine Matrix zu erhalten, die ausschließlich die optischen Absorptionseigenschaften des zu prüfenden Mediums 131 darstellt, wie in den Funktionsblöcken 330, 331 dargestellt ist. D. h., weil die gesamte optische Absorpti on als gemessene Absorption in der Signalintensitätsmatrix I(?) bekannt ist und die optischen Durchlaßcharakteristiken des Filters 120 durch die Filtercharakteristikmatrix F(ϕ, λ) dargestellt sind, kann der Anteil der durch die Charakteristiken des zu prüfenden Mediums 131 erhaltenen optischen Absorption im erfaßten Licht durch Eliminieren der durch das Filter erhaltenen optischen Durchlaßcharakteristik vom kombinierten Gesamtintensitätsvektor I(ϕ) bestimmt werden. Hierzu wird zunächst die inverse Transformierte der Filtermatrix gebildet wird, wie im Funktionsblock 131 dargestellt ist, und anschließend wird der Signalintensitätsvektor I(?) mit der inversen Filtermatrix multipliziert, wie im Funktionsblock 330 dargestellt ist.
Wenn der Lichtdurchlaßgrad des zu prüfenden Mediums 131 durch T(λ) bezeichnet wird, wobei der Lichtdurchlaßgrad des zu prüfenden Mediums als Funktion der Wellenlänge definiert ist, und der Lichtdurchlaßgrad bei einer ausgewählten Drehposition (wenn z. B. ϕ = 0 ist, was einem Drehwinkel von 0° entspricht) eines Filters 120 als Funktion der Wellenlänge betrachtet und durch die Funktion F(ϕ, λ) bezeichnet wird, wird die Kombination oder Faltung der durch das zu prüfende Medium 131 und das Filter 120 erhaltenen optischen Absorption über den gleichen Wellenlängenbereich durch die Funktion I(ϕ) bezeichnet. Um T(λ) vom Intensitätsvektor I(?) und der Filtercharakteristikmatrix F(ϕ, λ) herzuleiten, werden der Intensitätsvektor I(?) und die inverse Matrix F^-1(ϕ, λ) multipliziert.
Die Funktionen I(ϕ) und F(ϕ, λ) können durch die Signalintensitätsmatrix bzw. die Filtercharakteristikmatrix dargestellt werden. Daher kann, weil
I(ϕ) = F(ϕ, λ) × T(λ) (1) ist und I(?) eine einspaltige Matrix (Vektor) darstellt, der einen Intensitätswert für jeden Drehpositionswert ϕ enthält, während F(ϕ, λ) eine zweidimensionale Matrix ist, die einen Filterdurchlaßkoeffizienten für jeden Wert von ? und jeden Wert von λ enthält (4D), die die optische Transmission bzw. den Lichtdurchlaßgrad durch das zu prüfende Medium 131 darstellende Funktion T(λ) als einspaltige Matrix mit Werten für jeden der verschiedenen Wellenlängen λ dargestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden 16 Wellenlängen über den Bereich von 850 nm bis 1400 nm ausgewählt, um die spektralen Charakteristiken sowohl des zu prüfenden Mediums 131 als auch des Filters 120 zu bestimmen.
Die Matrixform von Gleichung (1) lautet:
Wie in Gleichung (2) dargestellt, ist die Signalintensitätsmatrix I(ϕ) dem Produkt aus der zweidimensionalen Filtercharakteristikmatrix F(ϕ, λ) und der einspaltigen Matrix T(λ) des zu prüfenden Mediums gleich. In dieser Gleichung sind zwei der Matrizen gegeben (d. h. I(ϕ) und F(ϕ, λ) ) . Daher kann die dritte Matrix T(λ), die die optische Durchlaßcharakteristik des zu prüfenden Mediums 131 für die 16 ausgewählten Wellenlängen zwischen 850 nm und 1400 nm darstellt, durch einfaches Multiplizieren der durch F^-1(ϕ, λ) bezeichneten inversen Filtercharakteristikmatrix mit der Signalintensitätsmatrix I(?) unter Verwendung herkömmlicher Matrixinvertierungs- und -multipli kationsverfahren erhalten werden, wie nachstehend dargestellt ist.
Daher wird die inverse Transformierte F^-1(ϕ, λ) der Filtercharakteristikmatrix gebildet, wie in einem Funktionsblock 331 dargestellt, und dann wird diese inverse Matrix im Funktionsblock 330 mit der Signalintensitätsmatrix I(?) multipliziert, um die Frequenzantwort des zu prüfenden Mediums 131 zu erhalten, wie durch die Charakteristikmatrix des zu prüfenden Mediums oder den Transmissionsvektor T(λ) dargestellt ist.
8 zeigt diese Verarbeitung in Bildform. Wie in 8 dargestellt, emittiert die Lichtquelle 110 Licht, das die Linse 117 und das Filter 120 durchläuft, um gefilterte optische Strahlung 125 bereitzustellen. Die optische Strahlung 125 durchläuft das zu prüfende Medium 131, um ein optisches Signal bereitzustellen, das verwendet wird, um die Signalintensitätsmatrix 1000 zu erzeugen.
Die Signalintensitätsmatrix 1000 wird mit der inversen Filtercharakteristikmatrix 1010 multipliziert, wie durch einen Block 1005 dargestellt ist. Wie in 9 dargestellt ist, wird die Filtercharakteristikmatrix 1010 von einer Analyse des Filters 120 hergeleitet, wie vorstehend beschrieben wurde. Die inverse Transformierte der Filtercharakteristikmatrix 1010 wird mit dem Signalintensitätsvektor 1000 multipliziert, um die optische Frequenzantwortmatrix oder den Transmissionsvektor 1015 zu erhalten.
Die weitere Verarbeitung ist von der gewünschten Analyse des zu prüfenden Mediums abhängig.
Anwendungen des Filters
Das erfindungsgemäße optische Filter ist für verschiedenartige Anwendungen geeignet. In der Praxis könnte das optische Filter in vielen Anwendungen Verwendung finden, in denen optische Strahlung in mehrere Spektren unterschieden wird. Beispielsweise ist die Erfindung besonders vorteilhaft für Online- oder In-stream-Verarbeitungen chemischer Prozeßanalysatoren oder in industriellen Anwendungen, in denen schnelle, kleinformatige, kostengünstige Geräte erforderlich sind. Die in Verbindung mit rotierenden dichroitischen Filtern verwendete kreisförmige Scantechnik bietet gegenüber Scantechniken mit linearen sinusförmigen Oszillationen oder Sägezahn-Scantechniken erhebliche mechanische Vorteile, durch die eine erhöhte Scangeschwindigkeit erhalten werden kann. Daher bieten sich für die Polychrometer-Filterscheibe 120 viele Anwendungsmöglichkeiten in der Prozeßsteuerungsindustrie, wo schnelle, Echtzeitspektren für eine Online-Prozeßsteuerung erwünscht sind. Spezifische Anwendungen sind z. B. Erdöldestillationsprozesse, in denen verschiedene Anteile von Kohlenwasserstoffen bestimmt werden müssen, sowie in-vivo-Bluttests zur Medikamenten- und Alkoholanalyse.
Anwendungen in Verbindung mit Blutzuckerüberwachung
Eine besonders vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Filters ist die Überwachung von Blutzuckerwerten eines Patienten, z. B. eines Diabetikers, ohne daß Blut entnommen werden muß. Diese Anwendung wird nachstehend kurz beschrieben.
3 zeigt schematisch das Filter 120 im Gebrauch als optisches Filter einer Blutzuckerüberwachungseinrichtung. Von einer Lichtquelle 110 emittierte optische Strahlung 115 wird durch eine Linsenanordnung 117 (die eine Faseroptik oder ähnliche Elemente aufweisen kann) fokussiert und durchläuft das Filter 120. Das dichroitische Filter 120 weist ein optisch durchlässiges drehbares Scheibensubstrat auf, auf dem optische Schichten mit verschiedenen Dicken angeordnet sind, um die breitbandige optische Strahlung 115 über ein Spektrum vom nahen Infrarot (NIR) (z. B. 700 nm) bis zum Infrarot (IR) (z. B. 1400 nm) zu modulieren. Das Filter 120 weist ferner den optisch opaken Streifenm 122 auf, der beispielsweise aus Messing oder einem anderen Metall hergestellt sein kann, das von der Mitte der Filterscheibe 120 radial nach außen aufgebracht ist. Durch den opaken Streifen wird eine Nullpositionsanzeige und eine optische Nullintensität oder ein elektrischer Offsetwert bereitgestellt. Die Filterscheibe 120 wird in einer bevorzugten Ausführungsform durch einen glattgängigen Scheibenantriebsmotor in einer kreisförmigen Bewegung angetrieben; aufgrund seines bekannten Phasenzustands könnte jedoch vorteilhaft auch ein Schrittmotor verwendet werden. Die gefilterte optische Strahlung 125 wird vom Filter durch ein durchblutetes fleischiges Medium transmittiert, z. B. durch eine Fingerspitze 130. In einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, eine Fokussierlinse oder einen anderen optischen Leiter zwischen dem Filter 120 und dem Finger 130 bereitzustellen. Das den Finger 130 durchlaufende Licht wird durch einen Detektor 140 erfaßt. Das Detektionssignal wird im allgemeinen in der D/A-Wandlerschaltung 142 geformt und in ein Digitalsignal umgewandelt. Der Digitalsignalprozessor 145 empfängt die Digitalsignale und kompensiert Ungenauigkeiten des dichroitischen Filters.
Im Betrieb, wenn Licht 115 von der breitbandigen Lichtquelle 110 über einen Wellenlängenbereich von etwa 700 nm bis 1400 nm (oder in einer anderen Ausführungsform, in der die obere und die untere Wellenlänge in einem Verhältnis von etwa 2 : 1 stehen) emittiert wird, durchläuft dieses breitbandige Licht 115 das rotierende dichroitische Filter 120. Das Licht 115 wird durch eine Faseroptik, eine Linsenanordnung (z. B. die Linse 117) oder ähnliche Elemente auf einen Abschnitt des Filters 120 fokussiert. Wenn das dichroitische Filter 120 rotiert, wird das breitbandige Licht 115 durch einen Abschnitt des dichroitischen Filters 120 gefiltert, wodurch gefilterte optische Strahlung 125 erzeugt wird. Wie vorstehend dargestellt wurde, ist das dichroitische Filter 120 mit optischen Schichten mit verschiedenen Dicken beschichtet, so daß verschiedene Abschnitte des dichroitischen Filters 120 verschiedene Lichtwellenlängen transmittieren. Daher ist die vom Filter ausgegebene optische Strahlung 125, wenn das Filter rotiert, optische Strahlung mit verschiedenen Wellenlängen. In einer Ausführungsform wird eine Faseroptik verwendet, um die von einem Abschnitt des Filters 120 emittierte optische Strahlung 125 zum Finger 120 eines Patienten zu koppeln. Weil die optische Charakteristik des Filter 120 genau gemessen werden kann und die Drehzahl des dichroitischen Filters 120 bekannt ist, ist das sich zeitlich ändernde Muster der vom Filter 120 emittierten optischen Strahlung 125 zum Beleuchten des Fingers 130 gut definiert und kann daher während der Signalverarbeitung verwendet werden, um das Maß der durch das optische Filter 120 verursachten Dämpfung zu bestimmen.
Die zum Beleuchten des Fingers 130 verwendete optische Strahlung 125 durchläuft den Finger 130, um detektierbares Licht 135 zu erzeugen. Wie auf dem Fachgebiet bekannt ist, durchläuft ein Teil der optischen Strahlung 125 den Finger ungehindert, und ein Teil der optischen Strahlung 125 wird im Finger 130 reflektiert und erzeugt gestreute Strahlung. Die gestreute Strahlung, die den Finger 130 durchlaufen hat, bildet zusammen mit dem Licht, das den Finger 130 ungehindert durchlaufen hat, das Licht 135. Ein Teil der optischen Strahlung 125 wird durch Bestandteile des Fingers 130 absorbiert.
Der Finger 130 weist bekanntermaßen einen Fingernagel, Haut, Knochen, Fleisch und Blut auf. Das Blut selbst weist primär Wasser, Oxyhämoglobin, Hämoglobin, Lipide, Protein und Glukose auf. Jeder dieser Bestandteile des Fingers (z. B. Nerven, Muskelgewebe, usw.) trägt zur Absorption und Streuung der den Finger 130 durchlaufenden optischen Strahlung 125 bei. Die Absorption optischer Strahlung, die ein nichthomogenes Medium durchläuft, folgt typischerweise gut definierten Gesetzen, die mit der optischen Charakteristik jeder der Bestandteile getrennt in Beziehung stehen. Näherungen dieser Gesetze werden durch die Gleichungen des Beer-Lambert Gesetzes dargestellt, wobei Low-scattering-Näherungen den Beer-Lambert Gleichungen am besten folgen. Das Licht 135, das den Finger 130 durchlaufen hat, trifft auf den optischen Detektor 140 auf. Der optische Detektor 140 erzeugt ein der Gesamtintensität des Lichts 135 proportionales elektrisches Signal.
Obwohl das Licht 135 bei verschiedenen Wellenlängen typischerweise verschiedene Intensitäten aufweist, erzeugt der optische Detektor 140 ein elektrisches Signal, das der Fläche unter der spektralen Antwortkurve des Lichts 135 im durch den Detektor 140 erfaßten optischen Band proportional ist. D. h., der optische Detektor 140 empfängt bei verschiedenen Wellenlängen Licht mit verschiedenen Intensitäten. Die erfaßten Wellenlängen sind aufgrund der Charakteristik des Detektors 140 auf ein Band von etwa 850 nm bis 1700 nm begrenzt, so daß, wenn die Intensität als Funktion der Wellenlänge dargestellt wird, um die spektrale Antwortkurve zu erhalten, die Fläche unter der spektralen Antwortkurve die auf den Detektor 140 auftreffende mittlere optische Strahlungsintensität darstellen wird. Daher ist das durch den Detektor 140 erzeugte elektrische Signal der Gesamtintensität (mittleren Intensität) des Lichts 135 proportional.
Das erfindungsgemäß konstruierte Filter 120 weist innerhalb einer vollen Umdrehung redundante Bereiche auf. Insbesondere ist das Filter 120 symmetrisch beschichtet, so daß das Signal in der ersten Halbumdrehung des Filters bezüglich dem Signal in der zweiten Halbumdrehung des Filters 120 im wesentlichen symmetrisch ist. D. h., das Filter ist, wie in 13 dargestellt, keilförmig ausgebildet, so daß die Dicke in einer Richtung konstant ist und senkrecht zu dieser Richtung linear zunimmt. Daher ist die zweite Halbumdrehung des Filters 120 redundant. Aus diesem Grunde könnten nur in einer Hälfte der Umdrehung des Filters 120 aufgenomene digitale Abtastwerte verworfen werden, so daß in einer Ausführungsform bei jeder Umdrehung des Filters 120 an Stelle von 256 Abtastwerte nur 128 Abtastwerte für die digitale Signalverarbeitung verwendet werden. Einige der Abtastwerte werden aufgrund des opaken Streifens natürlich verloren gehen. Alternativ können durch Mittelwertbildung entsprechender Werte alle 256 Abtastwerte für die Verarbeitung verwendet werden. In einer noch anderen Ausführungsform kann die redundante Hälfte des Filters für eine Filter- und Quellenkalibrierung verwendet werden. Jeder der 128 Abtastwerte (wenn nur eine Hälfte des Filters verwendet wird) stellt einen anderen Abschnitt des Filters 120 dar, der eine andere optische Durchlaßcharakteristik aufweist.
Erzeugen von Spezifikationen für das optische Filter
In einer vorteilhaften Ausführungsform für eine Blutzukkermessung sind folgende Herstellungsspezifikationen für das Filter 120 vorgesehen:
Größe: 20 mm breit × 20 mm Wellenlängenspannbreite, lineare mehrlagige Beschichtung
Substrat: Glasscheibe mit 25 mm Außendurchmesser und 7,5 mm Wellenöffnung in der Mitte
Wellenlängendurchlaßbereich : 700-1400 nm
1/2-Bandbreite: 50 bis 200 nm, Bänder können sich wiederholen Sperre: Keine
Umgebung: Beständig gegen kondensierende Luftfeuchtigkeit bei 0-70°C
Die Durchlaßbandkanten werden so erzeugt, daß eine 20 nm Bandkante unterscheidbar ist.
Das Durchlaßband kann sich im Fenster in einem Abstand von nur 400 cm^-1 oder 17-18 Perioden wiederholen. Der Lichtdurchlaßgrad in der Mitte des Durchlaßbandes sollte 100 erreichen, und der Bereich zwischen Durchlaßbändern sollte eine Reflexion von 100 erreichen.
Sperranforderungen außerhalb des Fensters sind unkritisch. Sie können durch Bandkantenmaterialien begrenzt werden, z. B. durch RG660, RG700, oder Halbleiter oder O-H-Bänder, die in Glas unterhalb von 7100 cm^-1 typischerweise gefunden werden.
Allein die Fähigkeit zum Auflösen von Wellenzahlbändern in der Nähe von 200 cm^-1 mit einer oder mehreren Bandkanten sollte die Kosten begrenzen.
Merkmale der vorliegenden Ausführungsform
Das lineare Filter wird vorzugsweise ein Fenster aufweisen, das schmaler ist als 8000 bis 11000 cm^-1 oder etwa 910 bis 1250 nm. Die Bandbreite ist vorteilhaft breiter als 200 cm^-1, und die Bandkante ist vorteilhaft schmaler als 200 cm^-1. Der maximale Lichtdurchlaßgrad des Primärbandes ist vorzugsweise größer als 80%, und der minimale Lichtdurchlaßgrad ist vorzugsweise kleiner als 20%. Alle anderen Bänder sollten einheitsweise wiederholbar sein; wenn dies jedoch nicht der Fall ist, könnte eine Kalibrierungs-ROM für die digitale Signalverarbeitung verwendet werden, um eine Anfangskalibrierung einzelner Filter auszuführen.
Mechanische Grenzen und Merkmale der vorliegenden Ausführungsform
sDas lineare Filter wird für Portable in-vivo-Anwendungen vorzugsweise mit einer Drehzahl von weniger als 4800 U/min um seine Mitte gedreht (obwohl in bestimmten industriellen Anwendungen etwa 48000 U/min geeignet sein können), wobei eine Blende oder Öffnung bei einem Radius von mindestens 9 mm bis maximal 45 mm zentrisch ausgebildet ist, wobei der effektive Blenden- oder Öffnungsdurchmesser 1 mm bis 3 mm und die numerische Apertur 0,12 bis 0,40 beträgt. Das Licht durchläuft einen kleinen kreisförmigen Abschnitt und läuft entlang eines ringförmigen Abschnitts des rotierenden Filters, wodurch die Wellenlängen sinusförmig gescannt werden, obwohl die Schichten linear angeordnet sind.
Für ein dynamisches Gleichgewicht und eine geringe Turbulenz ist das lineare Filter auf einem kreisförmigen Substrat angeordnet. Weil die Mitte optisch nicht genutzt wird, ist eine Halterungsöffnung für eine Welle mit Standarddurchmesser bevorzugt; der größte Teil der erfindungsgemäß verwendeten Hardware verwendet Durchmesser von 0,5000-0,000+0,0005" oder 7.5-0.0+.1 mm. Für ein kleineres Filter mit einem Durchmesser von z. B. 20 mm würde eine Verklebung mit der unbeschichteten Seite in Betracht kommen. Die Filterhalterung weist keine Speichen bzw. Stege oder Rippen oder andere Strukturunterbrechungen des optischen Weges auf.
Eine anfängliche optisch-mechanische Ausrichtung der Beschichtung auf dem Glassubstrat ist jenseits von 0,5 mm nicht kritisch und wird elektronisch erreicht. Es ist eine Markierung für die Schichtausrichtung am Rand oder in der Mitte erwünscht.
Obwohl vorstehend die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben und dargestellt worden ist, ist für Fachleute ersichtlich, daß innerhalb des durch die beigefügten Patentansprüche definierten Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich sind.

Claims

Optisches Filter mit: einem im allgemeinen kreisförmigen Substrat mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche, wobei das kreisförmige Substrat eine mittig ausgebildete Halterungsöffnung aufweist, so daß das Filter um eine Welle drehbar montierbar ist; und mehreren auf der oberen Fläche des Substrats aufgebrachten optischen Schichten (111), dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dicke der optischen Schichten (111) in einer ersten Richtung quer über die obere Fläche des Substrats linear ändert, die Dicke der Schichten (111) in einer zweiten Richtung, die sich im wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung erstreckt, quer über die obere Fläche des Substrats im wesentlichen konstant ist, und die optischen Schichten so konfiguriert sind, daß Durchlaßcharakteristiken bereitgestellt werden, die entlang der ersten Richtung als Funktion der Wellenlänge variieren.
Optisches System mit: einem optischen Filter nach Anspruch 1; einem Detektor (140), der so angeordnet ist, daß er auf den Detektor (140) auftreffendes und durch das optische Filter gefiltertes Licht (135) empfängt, wobei der Detektor (140) so konfiguriert ist, daß der Detektor (140) in Antwort auf das empfangene Licht ein die Summe des gesamten auftreffenden Lichts innerhalb der Antwort des Detektors (140) darstellendes Ausgangssignal erzeugt; und einem mit dem Detektor (140) verbundenen Signalprozessor (145), wobei der Signalprozessor (145) auf das Aus gangssignal anspricht, um das Ausgangssignal in Komponentenbestandteile zu decodieren, wobei ein Teil die optische Charakteristik des auf den Detektor auftreffenden Lichts darstellt.
Optisches Filter nach Anspruch 1, wobei die Halterungsöffnung eine zylindrische Öffnung ist, so daß das Filter um eine sich durch die Öffnung erstreckende Welle drehbar montierbar ist.
Optisches Filter nach Anspruch 3, ferner mit einem optisch opaken radial angeordneten Streifen (122).
Optisches Filter nach Anspruch 4, wobei 17 Schichten (111) vorgesehen sind.
Optisches Filter nach Anspruch 1, wobei die Schichten (111) so konfiguriert sind, daß optische Durchlaßcharakteristiken bereitgestellt werden, die sich innerhalb eines Bereichs einer vollen Umdrehung des Filters entlang der ersten Richtung wiederholen.
Optisches Filter nach Anspruch 6, wobei die Durchlaßcharakteristiken für eine erste Halbumdrehung und eine zweite Halbumdrehung des Filters im wesentlichen symmetrisch sind.
Optisches Filter nach Anspruch 7, wobei die mehreren Schichten (111) so ausgewählt sind, daß eine spezifische Wellenlänge über die erste Halbumdrehung mehrere Durchlaßbänder aufweist.
Optisches Filter nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 8, wobei bei jeder Drehposition des Filters etwa die Hälfte des auftreffenden Lichts durch die Schichten (111) transmittiert wird.
Optisches Filter nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 8, wobei das Verhältnis der gesamten transmittierten Signalintensität zur transmittierten Signalintensität für eine von einer Lichtquelle durch das Filter transmittierte, ausgewählte Betriebswellenlänge bei jeder Drehposition des Filters im Bereich von 10 bis 100 liegt.
Optisches Filter nach Anspruch 10, wobei die Durchlaßcharakteristiken mehrere Durchlaßbänder für mindestens eine Wellenlänge aufweisen.
Optisches Filter nach Anspruch 11, wobei die Wellenlängen im Bereich von 700 bis 1400 nm liegen.
Optisches Filter nach Anspruch 11, wobei die Wellenlängen im Bereich von 910 bis 1250 nm liegen.
Verfahren zum Herstellen eines drehbaren optischen Filters, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen eines im allgemeinen kreisförmigen optischen Substrats (110) mit einer oberen Fläche und einer unteren Fläche; Bereitstellen einer Halterungsöffnung in einer Mitte des Substrats (110), so daß das Filter um eine Welle drehbar montierbar ist; und Aufbringen optischer Schichten (111) auf der oberen Fläche derart, daß sich die Dicke der optischen Schichten (111) in einer ersten Richtung quer über die obere Fläche linear ändert, und derart, daß die Dicke der Schichten (111) in einer zweiten Richtung, die sich im wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung erstreckt, im wesentlichen konstant ist, wobei durch die optischen Schichten Durch laßcharakteristiken bereitgestellt werden, die sich entlang der ersten Richtung als Funktion der Wellenlänge ändern.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner mit dem Schritt zum Aufbringen eines opaken Streifens (122) entlang mindestens eines Abschnitts des Substrats.