WO2005078411A1 - Method for determining clinical and/or chemical parameters in a medium and device for carrying out said method - Google Patents

Method for determining clinical and/or chemical parameters in a medium and device for carrying out said method Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and an apparatus for performing the method.
  • samples In order to be able to precisely determine substances or a concentration of a substance in the living body, samples must be taken from the body, which are then further processed using special analysis methods using suitable reagents. In these known methods, on the one hand, the ' sampling, e.g. Legs
  • the present invention is therefore based on the object of specifying a method and a device for determining clinical and / or chemical parameters with high accuracy in a medium.
  • the invention has the following advantages: by emitting light waves into the medium with a laser unit and measuring the light waves reflected in the medium with a phototransistor unit, the parameters occurring in the target area of the laser beam can be determined in a processing or control unit.
  • the frequency or wavelength of the waves generated by the laser unit is set according to the characteristic properties of the parameters to be determined, and the parameters are determined using the Measured signals measured photodiode unit. It has been shown that extremely accurate results, in particular for parameters such as cholesterol, can be obtained with the method according to the invention.
  • medium is understood to mean both solid, liquid or gaseous media or any mixed form of these media with any structure, in particular:
  • FIGS. 2A and 2B shows an output window for use in the part of the laser unit shown in FIGS. 2A and 2B
  • FIG. 4 shows the exit window according to FIG. 3 in a section parallel to the longitudinal axis according to FIGS. 2A and 2B,
  • 6A and 6B each show a section transverse to the longitudinal axis of a laser unit
  • 7 shows a schematic illustration of an embodiment variant in which a mirror unit and an output window are always arranged centrally with respect to a laser diode unit
  • FIG. 8 shows a filter unit for use in the device according to FIG. 1,
  • FIG. 12 shows a further embodiment of a filter unit with a photosensitive layer in a perspective view
  • FIG. 13 shows a further embodiment of a filter unit with a photosensitive layer
  • a part of a microwave unit in a section parallel to a longitudinal axis 15 shows a cavity resonator with a further embodiment for part of a microwave unit
  • FIG. 16 shows a detailed view of the further embodiment for the part of the microwave unit according to FIG. 15,
  • FIG. 17 shows a detailed view according to FIG. 16 of a third embodiment for part of a microwave unit
  • FIG. 18 shows the microwave unit according to FIG. 14 with a device for aligning the microwave beam.
  • the device according to the invention for the non-invasive determination of a substance in a body 10 is shown in a schematic representation.
  • the device according to the invention consists of a control unit 1, a laser unit 2, a microwave unit 3 and a phototransistor unit 4.
  • the control unit 1 is the actual unit which guides the process and processes the signals and is for this purpose with the laser unit 2, the microwave unit 3 and the phototransistor unit 4 operatively connected.
  • the microwave unit 3 is suitable for both transmitting and receiving microwaves 7a, 7b
  • the laser unit 2 is only suitable for emitting light waves 6.
  • the phototransistor unit 4 is used, which consequently forms a measuring unit together with the laser unit 2.
  • microwave unit 3 and the measuring unit consisting of laser unit 2 and phototransistor unit 4
  • the invention can be implemented with one of the measuring units, ie microwave unit 3 or laser unit 2 combined with phototransistor unit 4.
  • the widest possible use is achieved with the combination of the two inventive devices to be explained in detail below.
  • the control unit 1 contains amplifier, signal processing, memory units and other functional units, which of course could be accommodated in separate units.
  • the various functional units are only the good ones in FIG. 1
  • control unit 1 For the sake of clarity, summarized in control unit 1.
  • FIG. 1 in FIG. 1 denotes a body as a medium. This is, for example, an area of a living human body in which one substance S1 to S3 is to be determined as a parameter or several substances S1 to S3.
  • An arterial blood vessel 20 with vessel walls 20a and 20b is indicated in the body 10.
  • the substances S1 to S3 can be found both in the blood vessel 20 and in the rest of the tissue, hence the substances S1 to S3 transported in the blood vessel 20 by the blood flow and can diffuse into the remaining tissue.
  • Laser unit 2 defines a measurement path 100 in which the measurements are to be carried out later.
  • the aim is to position the measurement path 100 in the central area of the arterial blood vessel 20.
  • the laser unit 2 which is a laser unit still to be explained in detail, is operated in the IR (infrared) range.
  • the oxygen content in arterial blood is higher than in venous blood.
  • a more or less strong reflection signal is obtained as a function of the oxygen content at the respective location and is measured with the phototransistor unit 4.
  • a strong reflection signal it can therefore be assumed that either an arterial blood vessel or a part of the body tissue with a high blood flow lies in the target area of the laser beam. Because in the reflection signal also
  • Information relating to the speed of the particles present in the target area of the laser beam can also be ascertained whether an arterial blood vessel actually exists (higher speed of the particles) or whether only one there is a lot of blood in the body tissue (particles hardly move).
  • the measurement path 100 is thus determined. A check whether the measurement path 100 is located at the intended location is possible and useful. The use of a laser unit 2 is imperative since only lasers have the required target accuracy.
  • a time for the measurements carried out in the measurement path 100 is additionally determined in the first phase. If the location of the measurement path 100 in an arterial blood vessel 20 has been determined in accordance with the method steps described above, the speed profile in the vessel 20 is essentially proportional to the cardiac cycle (QRS complex). It is then provided to determine a time window which is fixed in relation to the cardiac cycle, in which the following concentration measurement of one or more substances S1 to S3 is carried out.
  • QRS complex cardiac cycle
  • Phase II the actual determination of the substance or substances S1 to S3 of interest can be started (phase II).
  • Two measurement methods are used for this, which can be active at the same time:
  • the first measuring method is based on the determination of the optically visible spectrum in measuring path 100.
  • Two laser pulses with wavelengths of 400 nm to a maximum of 1400 nm (for example in a 25 nm grid) are emitted with the laser unit.
  • the echo signal is measured with the phototransistor unit 4 as a light measuring unit for generating the spectrum. Due to the narrow time relationships and because depending on the substance to be determined S1, S2, S3 the entire spectrum is not of interest, only a certain wavelength range is covered. In any case, the minimum light pulse width corresponds to twice the wavelength.
  • Phototransistor unit 4 set such that selective measurement is possible at predetermined wavelengths.
  • the phototransistor unit 4 can be set to a wavelength of 400 nm, which is referred to below as a frequency or wavelength-selective setting option.
  • the phototransistor unit 4 will be explained in detail later.
  • This first measurement method is, for example, particularly suitable for determining the cholesterol content, that is to say a substance that is only present in the blood in a relatively low concentration, but because of the structure has a considerable influence on the optical spectrum.
  • a second measuring method which, as mentioned, can be active at the same time as the first mentioned, consists in counting the substances of interest S1, S2, S3 or their molecules for determining the concentration.
  • the microwave unit 3 is used for this. This sends individual pulses of very short duration (for example 83 ps or 133.3 ps) into the measurement path 100 determined during phase I and scans it, the field strength of the respective echo signal, which in turn depends on the
  • Microwave unit 3 is received, provides information about the presence or absence of a certain substance S1, S2, S3 or an atom of this substance.
  • This second measurement method is particularly suitable, for example, for determining glucose in blood. So a substance that is only in a relatively small variable Concentration in the blood, is present. In addition, the glucose content cannot be determined correctly, that is to say with insufficient accuracy, from the optical spectrum.
  • the two measurement methods can be combined, i.e. the results of both measurement methods are used by
  • a laser unit 2 with a variable wavelength is used to generate a laser beam with an exact wavelength.
  • a setting 'of the desired wavelength is in the process of this invention absolute necessity, one wants to produce the various laser beams with the same laser unit.
  • Wavelengths with the same laser unit are known per se. It has already been proposed to split the laser beam of a white light laser using filters or prisms in order to extract the desired color component. Furthermore, it is known to change the dimensions of the resonator present in laser units with the aid of appropriate mechanics, with which the wavelength of the laser light generated can also be changed.
  • the white light or colored light laser a Press release dated September 16, 2003 from the University of Bonn, Germany. It describes a new laser with which the generation of white light is possible in a simple and inexpensive manner. With the help of a suitable prism, the white light is broken down into the color components, and the required color can then be selected. With regard to the first-mentioned technique, reference is again made to Jeff Hecht's publication entitled “Understanding Lasers” (IEEE Press, 1992, pp. 296-297).
  • a laser unit 2 (Fig. 1) which will be explained with reference to FIGS. 2 to 7 are particularly suitable.
  • This is a semiconductor laser unit, for example, based on
  • the laser unit 2 is characterized by a high accuracy. For example, wavelengths of 400 nm to 700 nm can be generated with the laser unit 2.
  • FIG 2A shows the schematic structure of part of the laser unit 2 on the basis of a section parallel to a longitudinal axis 40.
  • the light waves generated as laser beams propagate parallel to the longitudinal axis 40, with a mirror unit and an output window, which is realized as a partially transparent window, in FIG 2A are not shown, but are explained with reference to FIGS. 3 and 4.
  • the partially transparent window can also be a so-called Brewster window, for example.
  • a carrier unit 30 which consists of a solid heat-conducting material - for example made of brass or platinum - and which can be regarded as a housing part, comprises an actual core of the laser unit 2, namely a laser diode unit 34, in which in the transition area between the p and n layers Laser beams are generated in a manner known in semiconductor lasers.
  • the layer referred to as laser diode unit 34 is located directly on the carrier unit 30 in accordance with FIG. 2.
  • a first insulation layer 33, a piezo element 32 as a pressure generating element and a second insulation layer 31 follow, which on the other side on the circumferential side Carrier unit 30 rests.
  • the piezo element 32 is thus electrically insulated.
  • the piezo element 32 is preferably made of a tourmaline crystal, which is provided on its surface with a silver layer which has been produced by vapor deposition and which is used for contacting and thus for Control of the entire piezo element 32 is used.
  • a silver layer aluminum or another metal layer can also be vapor-deposited.
  • both a mirror unit and an output window are required, which are arranged essentially transversely to the longitudinal axis 40 of the laser unit 2 (FIGS. 2A and 2B). While the rear mirror reflects the light beams generated by the laser diode unit 34 as completely as possible, the output window has the task of allowing light beams which meet the specified conditions to emerge from the laser unit 2 - precisely through the partially transparent window. Further information can be found in the publication
  • FIG. 2B shows a further embodiment of part of the laser unit 2 on the basis of a cut parallel to a longitudinal axis 40 analogous to FIG. 2A.
  • the carrier unit 30 of the embodiment according to FIG. 2B also forms a cavity in which two insulation layers 31 and 33, a piezo element 32 and a laser diode unit 34 are contained.
  • the laser diode unit 34 is first of the first insulation layer 33, then by the piezo element 32 as Pressure generating element, then encompassed by the second insulation layer 31 and finally by the carrier unit 30.
  • a force can thus be generated with the pressure generating element 32, which acts on the laser diode unit 34 from all radial directions, ie essentially perpendicular to the longitudinal axis 40.
  • the output window 50 consists of
  • FIG. 3 Essentially consisting of a frame element 70 and a laterally arranged insulation layer 61, an opening 60 being provided both by the frame element 70 and by the insulation layer 61. Furthermore, a sectional plane A-A is drawn in FIG. 3, which forms the basis for the section through the exit window 50 shown in FIG. 4.
  • FIG. 4 shows the exit window 50 shown in FIG. 3 in section along the section plane A-A (FIG. 3).
  • the frame element 70 becomes the U-shaped part, into which a partially transparent window 51 is inserted, which is essentially perpendicular to the direction of propagation, ie the longitudinal axis 40.
  • a displacement of the partially permeable window 51 both translationally in the axial direction and as a tilting movement about the longitudinal axis 40 is achieved with the aid of displacement elements 52 to 56 (hereinafter also referred to as displacement elements), which in turn as Piezo elements are formed.
  • displacement elements 52 to 56 in the embodiment shown in FIG. 3 are arranged in the corners of the square partially transparent window 51.
  • the displacement elements 52 to 56 are contacted individually via an electrical connection, so that the displacement elements 52 to 56 can be controlled independently of one another. The control takes place, for example, via a central control unit, which is not shown further.
  • the mirror unit which is intended to reflect the light beams generated in the laser diode unit 34 (FIG. 2) as completely and without loss as possible, can be implemented as a fixed mirror surface according to the known prior art.
  • a partially transparent window is not necessary. Therefore, instead of the partially transparent window 51 shown in FIG. 4, a reflective surface is required, which is obtained, for example, by vapor deposition of a metal layer on a carrier. The remaining elements, ie the position or displacement elements, are used to control the reflecting surface. So that's one Laser unit 2 created, which has an extended area of use compared to the embodiment with a fixed mirror surface (mirror element), which is particularly clear in the light of the following explanations.
  • Mirror surface and the partially transmissive window 51 is set as a multiple or equal to the half wavelength of interest.
  • FIG. 5 shows the laser unit 2, consisting of the individual parts explained with reference to FIGS. 2A, 2B, 3 and 4.
  • the carrier element 30 according to FIG. 2 is arranged between the frame element 50 with the partially transparent window and a mirror unit 80, an insulation layer 61 being provided between the individual parts 80, 30, 56 for electrical and thermal insulation.
  • 6A and 6B show laser diode units produced by means of epitaxy or also by other methods, which have pressure generating elements 73, 74 on all four sides of the square cross section, the four
  • Parts of the pressure generating elements 73, 74 are spaced in the respective corners. For the simultaneous actuation of all four parts of the pressure generating elements 73, 74, these are electrically connected to one another with the aid of bonding wires (as shown in FIGS. 6A and 6B) or directly coupled to a voltage source or control unit 77 provided for this purpose.
  • FIG. 6A For further clarification, a p-n transition is shown in FIG. 6A and an n-p transition for the in FIG. 6B
  • Laser diode unit shown. 6A and 6B that the pressure generating elements 73, 74 have opposite poles with respect to the laser diode unit has, with which a mutual unfavorable influence between the pressure generating element and the laser diode unit can be prevented.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a device according to the invention with the central part of the laser unit 2 arranged centrally between the mirror unit 80 and the output window 50, which is implemented, for example, in the manner described in connection with FIGS. 6A and 6B.
  • This embodiment is characterized in that both the mirror unit 80 and also the output window 50 is shifted as a function of the force generated by the pressure generating element (not shown in FIG. 7) and acting on the laser diode unit, in such a way that the laser diode unit is always located centrally between the mirror unit 80 and the output window 50 or the Diode laser facet is half a wavelength or a multiple of half the wavelength from the mirror unit, this depends on whether the diode laser facet is anti-reflective or not.
  • the diode laser facet is anti-reflective, no additional resonance builds up between the diode laser facet and the mirror unit. If, on the other hand, the diode laser facet is not anti-reflective, an additional resonance builds up between the diode laser facet and the mirror unit, which leads to additional waves and thus to a loss if the distance is incorrect. This with deviations depending on the distance of the mirror units from the diode laser facet and applies to both exit sides of the laser diode unit. This is achieved, for example, with the aid of the synchronous rotating device 100 shown in FIG. 7, which is rotatably mounted at point D. If the mirror unit 80 is now displaced in a direction W1 with the displacement element 52, a 1: 1 takes place via the synchronous rotating device 100.
  • a central alignment of the laser diode unit or its facet provides an additional advantage of optimized power utilization.
  • two or more displacement elements 52 can of course also be provided, which are coordinated and arranged in such a way that the laser diode unit is always located centrally between the mirror unit 80 and the output window 50.
  • a phototransistor unit 4 (FIG. 1) explained with reference to FIGS. 8 to 13 is particularly suitable.
  • the phototransistor unit 4 shown in FIG. 8 essentially consists of a photosensitive layer 102, which is implemented, for example, with one or more phototransistors, and a filter unit 110 arranged in front of the photosensitive layer 102.
  • the filter unit 110 has a movable slit mask 103, a microprism unit 107 and a fixed slit mask 108.
  • the movable slit mask 103 can be moved essentially laterally to the slit mask 108 in the directions indicated by an arrow 105, with the aid of displacement units 104 and 106 arranged laterally with respect to the movable slit mask 103.
  • one displacement unit 104 is implemented with the aid of a piezo unit and the other displacement unit 106 is implemented as a viscous spring element.
  • the viscous spring element consists, for example, of a silicone insert, an insert made of natural rubber or a steel spring. When using a silicone insert, a buffer layer is required to prevent material migration.
  • displacement elements 104 and 106 consists in the use of microsteppers or microlinear motors, which likewise enable high precision in the displacement of the movable mask 103.
  • the prism unit 107 is arranged between the fixed and the movable slit mask 108 or 103, the masks 103, 108 having corresponding first and second openings which form an opening pair.
  • Prism unit 107 has a prism for at least one pair of openings.
  • the position of the microprism unit 107 is changed with the aid of displacement units, which in turn are realized, for example, in the form of a piezo unit and a viscous spring element.
  • This also allows selective those light waves L are directed through the slit mask 103, which in contrast to the embodiment according to FIG. 8 is now stationary, onto the photosensitive layer 102.
  • the microprism unit 107 is moved essentially laterally to the slit mask 103 or to the slit mask 108.
  • a still further embodiment of the filter unit 110 is that both slit masks are movable. This reduces deflections of the individual slit masks because each of the slit masks is moved by half the distance to be covered. The slit masks move laterally in opposite directions.
  • the filter unit 110 described thus represents a color filter in which the filtered wavelengths can be set electronically.
  • the filter unit 110 is a temperature-independent color filter that can be set, for example, to wavelengths from 1400 to 430 nm.
  • the filter unit 110 and therefore the entire phototransistor unit 1 are distinguished by one or more of the following advantages:
  • the design of the filter unit 110 or the phototransistor unit 1 can be selected to be extremely small; electronic and precise adjustability of the desired wavelength of those light beams which are to strike the photosensitive layer 102; - minimal mechanical effort; - extremely short reaction times; - Increasing the sensitivity of the phototransistor unit 1 if all pairs of openings are set to a wavelength or the same wavelength range in which measurements are to be carried out. Then the signals measured on the photosensitive layer can then be added, which leads to larger signal components.
  • a calibration must be carried out in advance.
  • Such a calibration can be carried out as follows, for example:
  • the phototransistor unit 1 is exposed to a light source with a known wavelength.
  • the movable slit mask 103 or 108 - or possibly the microprism unit 107, if it is movable - is then moved with the aid of the displacement units 104, 106 until a signal maximum is obtained on the photosensitive layer 102.
  • the corresponding degree of displacement can be recorded depending on the displacement mechanism used for the calibration.
  • Piezo elements used, so the electrical signal applied to the piezo elements can be related to the wavelength of the light source, thus completing the calibration for this wavelength. Further calibrations with different wavelengths of the light sources are advantageous made in order to be able to record any non-linearities.
  • microprism unit 107 can be produced in crystalline form from a substance with the chemical formula NaCl.
  • FIG. 9 shows a perspective view of a further embodiment of the filter unit.
  • this embodiment has only one slot in the slot masks 103 and 108.
  • the micro prism unit 107 has a single prism.
  • An incident light beam is parallelized by the slit mask 108.
  • the parallelized light beam is subsequently broken down into light components of different wavelengths by the microprism unit 107.
  • the movable slit mask 103 the light component of interest is selected by positioning the movable slit mask 103 accordingly. It is thereby achieved that only the light with the desired wavelength hits the photosensitive layer 102 and is measured.
  • FIG. 10 shows a micro prism unit 107, as is used for example in the embodiment according to FIG. 8.
  • the microprism unit 107 is made, for example, of glass, into which the individual prisms have been ground. It should be noted when manufacturing the micro prism unit that the individual prisms with the corresponding dimensions of the slot or Hole mask are in line, that is, the arrangement of a slot or a hole matches the corresponding prism, so that the desired wavelengths or wavelength ranges can be measured.
  • the corresponding slots or holes are generally referred to as pairs of openings, which accordingly consist of first and second openings.
  • the microprism unit 107 consists of a polymer instead of glass. This simplifies production and the costs are lower than when using glass. A combination of individual prisms to form the
  • Microprism layer The individual prisms are then glued together with an adhesive.
  • one application of the filter unit is to combine it with a photosensitive layer 102.
  • a phototransistor unit is thus obtained with which extremely precise measurements can be made in a specific wavelength range can be, whereby an electronic adjustment of the wavelength to be measured is possible.
  • Another embodiment of the filter unit consists in that the wavelengths transmitted by the slit or shadow mask can be set.
  • two masks lying one above the other, which can be laterally displaced relative to one another are provided as a mask, as indicated in FIG.
  • Such an embodiment is shown in FIG. 11, with two masks 108a and 108b lying directly one above the other, which can be laterally displaced relative to one another, for example again with piezo elements in combination with viscous spring elements.
  • the slot or Hole size changed, therefore a slit or hole mask has been obtained in which the opening is adjustable.
  • the slit or shadow mask with adjustable opening above the micro prism unit i.e. be provided on the side of the light source L, or below the micro prism unit. It is also conceivable that both the opening of the slit or perforated masks above and below the microprism unit can be adjusted in the sense of the above statements.
  • FIG. 12 shows a further embodiment of a filter unit 1 with a movable slit mask 108, a prism unit 107, a fixed slit mask 103 and a photosensitive layer 102 corresponding to FIG Embodiment, which is shown in Fig. 9.
  • the embodiment according to FIG. 12 on the one hand has a movable slit mask 108, the side walls of which form the slit have a conical shape, namely the slit is narrower on the light exit side than on the light entry side.
  • the fixed slit mask 103 also has conical side walls, but in the opposite direction, so that the slit width on the light entry side is smaller than on the light exit side. In other words, the slit width on the side of the prism unit 107 is smaller than on the side of the photosensitive layer 102.
  • the slit of the movable slit mask 108 is equipped with a collecting lens 13 and / or the slit of the fixed slit mask 103 is equipped with a diffuser 14. While a higher quantity of light or quantity of light quantum is obtained by the collecting optics 13, which impinges on the prism unit 107, the light exiting through the prism unit 107 in monochrome is distributed essentially uniformly and over a large area on the photosensitive layer 102 by the diffuser 14. Overall, this results in a higher sensitivity of the phototransistor unit.
  • the distance between the movable slit mask 108 and the prism unit 107 is a
  • the distance between the prism unit 107 and the fixed slit mask is b
  • the distance between the fixed slit mask 103 and the photosensitive layer 102 is c designated. It has been shown that the distances a and c are preferably chosen to be as small as possible.
  • the distance b is preferably variable and serves to limit or adjust the bandwidth - or the wavelength range - of the light beams that pass through the slit of the fixed slit mask 103.
  • the conical course - i.e. the steepness of the side walls delimiting the slit - of the fixed slit mask 103 is selected such that the relevant measurement area on the photosensitive layer is illuminated over the entire area. This ensures that there are no errors in the measurement results, because a non-full-area illumination of a photo transistor usually leads to measurement errors.
  • FIG 13 shows a further embodiment of the filter unit according to the invention with a photosensitive
  • Layer 102 with a plurality of slits or holes in the slit or perforated mask 108 is shown analogously to the embodiment according to FIG. 8.
  • Mixed light is identified by 12 and monochromatic light is identified by 15, the latter hitting the photosensitive layer 102 alone.
  • the side walls forming the slits are tapered, the slit opening on the side of the light entry being selected to be maximum, so that as much light as possible can enter each slit. Corresponding the side walls forming the slits converge into a point which coincides with the top of the movable slit mask 108.
  • the fixed slit mask 103 is arranged upside down in the sense that the wide opening comes to lie on the side of the photosensitive layer 102.
  • the diffuser 14 contained in the slot ensures that the photosensitive layer is illuminated to the maximum and evenly, with the result that a higher sensitivity and more accurate measurement results are achieved.
  • the conical side walls of the slot are mirrored in a further embodiment of the invention.
  • holes are provided in the masks 108 and 103 instead of slots.
  • the holes in the masks 108 and 103 are therefore frusto-conical, as are the inserts embedded in the masks 108 and 103 as converging lenses 13, in the case of the movable shadow mask 108, or as a diffuser 14, in the case of the fixed shadow mask 103.
  • the movable mask 108 can also be fixed in the embodiments according to FIGS. 12 and 13 and the fixed mask 108 can be made movable.
  • Constellations according to FIG. 11 are also conceivable in the embodiments according to FIGS. 12 and 13.
  • microprism units consist of crystalline NaCl, glass or a polymer. Crystals, gemstones such as diamonds for high color purity, quartz or neodymium are also conceivable.
  • multiple prisms can be used in all of the above-mentioned embodiments in the microprism or prism units.
  • Such multiple prisms also called straight prisms, are composed of several prisms with different materials, for example different types of glass, so that despite a spectral deflection, the center beam passes essentially undeflected. Further information on the multiple prisms can be found, for example, in DE-37 37 775 AI.
  • FIG. 14 shows an embodiment for the microwave unit 3 mentioned in connection with FIG. 1. This is a possible schematic structure of part of the microwave unit 3 based on a section parallel to one
  • the microwave unit 3 (FIG. 1) comprises a carrier unit 200 a resilient material, such as brass or platinum. This means that high forces can be absorbed if necessary.
  • a carrier unit 200 a resilient material, such as brass or platinum. This means that high forces can be absorbed if necessary.
  • the following layers, starting from an upper carrier wall, are contained in a compact design: a first insulation layer 201, a Gunn diode 202, a second insulation layer 203 and a piezo element 204.
  • Various control lines with corresponding contact points for controlling the individual ones Layers from the control unit 1 (FIG. 1) are not shown in FIG. 14.
  • the Gunn diode 202 is a diode based on the Gunn effect (John Gunn, 1963) and is used in a known manner to generate microwaves.
  • Gunn effect or Gunn diodes please refer to Donald Christiansen's standard work entitled “Electronics Engineers' Handbook” (McGraw-Hill, fourth edition, 1997, pages 12.71, 12.79 and 12.80). This publication also contains other standard works on this topic.
  • the Gunn diode 202 is clamped between the first and second insulation layers 201 and 203.
  • the frequency of the microwaves generated by the Gunn diode 202 can now be set, for example, between 8.7 and 12 GHz.
  • the frequency shift takes place on the one hand through the pressure on the Gunn diode 202 (ie the so-called "die") itself, as a result of which a change in the material inside the Gunn diode 202 results the molecular vibration change - similar to a strong temperature change - arises, on the other hand, by a change in the capacitance by a
  • Capacitor in which the capacitor plates are shifted against each other.
  • Piezo element 204 thus provides the possibility of precisely setting the frequency of the microwaves generated by Gunn diodes 202.
  • the microwave unit 3 described thus differs from known devices in particular in that the frequency of the microwaves generated can be precisely set electronically, without mechanical adjustment devices.
  • the piezo element 204 is, in a further embodiment of the microwave unit 3, with a PLL (phase-locked loop) or FLL (frequency-locked loop) known per se ) Circuit.
  • PLL phase-locked loop
  • FLL frequency-locked loop
  • a window for the exit of the microwaves 205 is identified at the side of the Gunn diode 202.
  • the window 206 is preferably obtained by suitable doping with foreign atoms. This enables a controlled escape of microwaves from the Gunn diode 202. Suitable for the doping especially GaAs (gallium arsenide).
  • the diameter of the window 206 is, for example, approximately 10 ⁇ m and the depth of the doping is, for example, 320 A (angstroms).
  • the +/- connections are shown in FIG. 14, electrical contacting of the former being made in window 206 and electrical contacting of the latter being outside window 206.
  • FIG. 1 An embodiment for a microwave unit 3 (FIG. 1) is shown schematically in FIG.
  • a cavity resonator is designated by 250, in which the part of the microwave unit 3 explained with reference to FIG. 14 can also be contained.
  • FIG. 15 shows an alternative embodiment to FIG. 14, which is described in detail with reference to FIG. 16.
  • the cavity resonator 250 is made of metal and has an outlet opening 251 through which the microwaves emerge from the cavity resonator 250 in the direction of propagation 205.
  • the cavity resonator 250 contains, on the one hand, a ceramic body 234, which projects into the interior of the cavity resonator 250 from above, and on the other hand, a body 235, which projects into the interior of the cavity resonator 250 from below, the upper ceramic body 234 and the body 235 being aligned with one another , ie have a common axis, but do not touch.
  • a further ceramic body 236 is arranged, which is explained with reference to the detailed view according to FIG. 16.
  • the body 235 is made of a metal, such as brass or copper, and serves as Cathode. At the same time, 235 excess heat can be dissipated through the body.
  • the lower ceramic body 235 is a carrier element for the following units or layers (sequence starting from the ceramic body 235): a piezo element 204; a contact layer 203 made of a metal, for example of silver or copper; - a Gunn diode 202.
  • a control line 231 is provided, which is connected to a contact point 232 on the further body 236.
  • the contact point 232 is led out of the cavity resonator 250 via an electrical conductor contained in the further body 236, which gives the possibility of activating the piezo element 204 from outside the cavity resonator 250.
  • the Gunn diode 202 arranged above the contact layer 203 is also connected via a contact loop 230 to the ceramic body 234, which at the same time serves as a feedthrough capacitor and enables the Gunn diode 202 to be contacted from outside the cavity resonator 250.
  • the Gunn diode 202 is on the contact layer 203 and the piezo element 204 applied.
  • the frequency of the microwaves generated by the Gunn diode 202 can now be set, for example, between 8.7 and 12 GHz.
  • the frequency shift takes place on the one hand through the capacitive change as a result of a change in the distance between the Gunn diode 202 and the body 235 acting as a cathode, and on the other hand through the change in position relative to the ceramic body 234 acting as a feed-through capacitor using the Gunn diode 202 to precisely set and change microwaves.
  • This embodiment also differs from known microwave units in that the frequency of the microwaves generated can be set electronically.
  • Another advantage of this variant is the very small design of, for example, 2 x 1 x 1 mm for the outer dimensions of the cavity resonator 250, which only has three connections, namely V Gn d ⁇ V Gunn and Vpie z o / where V Gnd the common earth - or mass potential, GU ⁇ the supply voltage or the signal tap of the Gunn diode and V P ⁇ e zo the supply voltage of the piezo element and the associated tuning of the resonant circuit.
  • the self-contained cavity resonator has a low susceptibility to external influences, since all RF-containing components are contained in the cavity resonator. This fact makes it ideal for use in microsensor technology.
  • the set frequency of the microwaves to be emitted can be called PLL (phase locked loop) or FLL (frequency locked loop). - Circuits are kept constant, which is of course also conceivable in this embodiment.
  • FIG. 17 shows a variant supplemented with the embodiment according to FIG. 16 with an additional inductance and an additional capacitance. This prevents high-frequency signal components or microwaves from escaping from the cavity at undesired points.
  • the carrier unit 200 can be displaced or tilted as a whole, in other words the direction of the microwave steel 205 can be set. So that the largest possible area can be covered with the microwave beam, the displacement element 207 and its counterpart (cannot be seen in FIG. 8 due to the covering by the displacement element 207) are attached in the region of the outlet opening of the microwave beam. With these displacement elements 208, the carrier unit 200 can be moved according to the arrows marked 210, which are perpendicular to the drawing plane are moved perpendicular to the drawing plane.
  • the two further displacement elements 208 and 209 are arranged at the opposite end of the carrier unit 200, in such a way that the carrier unit 200 can be moved in the plane of the drawing in FIG. 18 in accordance with the arrows labeled 211.
  • the displacement elements 208 and 209 act on two of the parallel surfaces of the carrier unit 200, while the displacement element 207 and its counterpart act on the other two of the parallel surfaces of the cuboid carrier unit 200.
  • Displacement elements 207 to 209 are preferably provided with a silver layer on the outside thereof. This enables simple contacting with control lines 220 to 222 by means of known bonding technology. Associated with this is a reference connection 223 for establishing a reference potential. For this purpose, the reference connection 223 is connected to the carrier unit 200, preferably again by means of the bonding technology.
  • the microwave beam can be tilted about two axes, so that a cone of approximately 2.5 ° can be traversed. If further displacement elements are used which act on the third surface pair of the carrier unit 200, then a translatory movement in a third axis can also be achieved.
  • microwave unit 3 is used not only for transmitting but also for receiving microwaves in an analogous manner.
  • the present invention has a broad spectrum of possible uses. Although the non-invasive determination of substances, i.e. of glucose and cholesterol, has been specified in the human body, the present invention is particularly suitable for the non-contact determination of any clinical and / or chemical parameters, such as those which were initially introduced in a non-exhaustive manner. Based on the enumeration as possible clinical and / or chemical
  • Non-contact determination of contaminants in wastewater Using the method according to the invention, substance compositions can be determined without having to take samples. This means that even highly toxic substances can be examined safely.
  • the invention is excellently suited for any microbiological application with the detection of viruses or bacteria. It is irrelevant whether the viruses or bacteria to be determined are contained in a solid, liquid or gaseous medium.
  • Inspection of weld seams With the method according to the invention, micro cracks can be detected with high reliability.

Abstract

The invention relates to a method for determining clinical and/or chemical parameters (S1) in a medium (10), comprising means (2), for example a laser unit, for emitting coherent light waves (6) and means (4), for example a phototransistor unit, for receiving light waves (8). According to said method, at least some of the emitted light waves (6) are transferred to the medium (10) and the means (4) for receiving light waves (8) measure at least some of the light waves (8) that are reflected in the medium (10), the parameters (S1) being determined as a result of the characteristics of the emitted and received light waves (6; 8). The fact that light waves (6) are emitted into the medium (10) by means of a laser unit (2) and that the light waves (8) that are reflected in the medium (10) are measured by means of a phototransistor (4) enables the parameters (S1) that occur in the target area of the laser beam to be determined advantageously in a processing and control unit.

Description

Verfahren zur Bestimmung von klinischen und/oder chemischen Parametern in einem Medium sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensMethod for determining clinical and / or chemical parameters in a medium and a device for carrying out the method
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and an apparatus for performing the method.
Um Substanzen oder eine Konzentration einer Substanz im lebenden Körper genau bestimmen zu können, müssen dem Körper Proben entnommen werden, die anschliessend mit besonderen Analyseverfahren unter Verwendung von geeigneten Reagenzien weiterverarbeitet werden. Bei diesen bekannten Methoden wird zum einen die ' Probenentnahme, z. B. eineIn order to be able to precisely determine substances or a concentration of a substance in the living body, samples must be taken from the body, which are then further processed using special analysis methods using suitable reagents. In these known methods, on the one hand, the ' sampling, e.g. Legs
Blutentnahme, zum anderen der Verbrauch an Reagenzien als Nachteil empfunden. Besonders bei Diabetikern, welche den Glukosegehalt im Blut mehrere Male im Laufe eines Tages überprüfen müssen, wäre eine nicht-invasive Methode zur Bestimmung des Glukosegehaltes von grossem Vorteil.Blood collection, on the other hand, the consumption of reagents perceived as a disadvantage. A non-invasive method for determining the glucose content would be of great advantage, especially for diabetics who have to check the blood glucose level several times a day.
Aus diesem Grund wurden bereits mehrere Methoden und Vorrichtungen zur nicht-invasiven Bestimmung des Glukosegehaltes in Blut vorgeschlagen. Stellvertretend wird auf die folgenden Druckschriften hingewiesen: WO 95/04 496 und WO 01/26 538. Es hat sich aber gezeigt, dass die bekannten Methoden zur Ermittlung von genauen Messresultaten nicht geeignet sind. Insbesondere sind für Diabetiker die Messresultate derart ungenau, dass sie für eine Kontrolle bzw. Einstellung des Blutzuckerspiegels nicht verwendet werden können. Die bekannten Verfahren können zwar zur rudimentären Anzeige des momentanen Blutzuckergehaltes eingesetzt werden, zur Bestimmung der erforderlichen Medikamentenmenge, welche zur genauen Einstellung des Blutzuckerspiegels erforderlich ist, müssen jedoch konventionelle Kontrollmessungen, d.h. wiederum Probeentnahmen, durchgeführt werden.For this reason, several methods and devices for the non-invasive determination of the glucose content in blood have already been proposed. As a representative, reference is made to the following publications: WO 95/04 496 and WO 01/26 538. However, it has been shown that the known methods are not suitable for determining precise measurement results. In particular for diabetics, the measurement results are so imprecise that they are used to check or adjust the blood sugar level cannot be used. Although the known methods can be used for the rudimentary display of the current blood sugar content, for determining the amount of medication required for the exact adjustment of the blood sugar level, conventional control measurements, ie again taking samples, must be carried out.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von klinischen und/oder chemischen Parametern mit einer hohen Genauigkeit in einem Medium anzugeben.The present invention is therefore based on the object of specifying a method and a device for determining clinical and / or chemical parameters with high accuracy in a medium.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegebenen Massnahmen gelöst. VorteilhafteThis object is achieved by the measures specified in the characterizing part of claim 1. advantageous
Ausgestaltungen der Erfindung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind in weiteren Ansprüchen angegeben.Embodiments of the invention and an apparatus for performing the method are specified in further claims.
Die Erfindung weist die folgenden Vorteile auf: Indem mit einer Lasereinheit Lichtwellen in das Medium abgegeben werden und mit einer Phototransistoreinheit die im Medium reflektierten Lichtwellen gemessen werden, können in einer Verarbeitungs- bzw. Kontrolleinheit die im Zielbereich des Laserstrahles vorkommenden Parameter bestimmt werden. Bei einer weitern Ausführungsform der Erfindung wird hierzu die Frequenz- bzw. Wellenlänge der durch die Lasereinheit erzeugten Wellen entsprechend charakteristischer Eigenschaften der zu bestimmenden Parameter eingestellt, und es werden die Parameter anhand der mittels der Photodiodeneinheit gemessenen Signale bestimmt. Es hat sich gezeigt, dass mit dem erfindungsgemässen Verfahren äusserst genaue Resultate, insbesondere für Parameter wie Cholesterin, erhalten werden können.The invention has the following advantages: by emitting light waves into the medium with a laser unit and measuring the light waves reflected in the medium with a phototransistor unit, the parameters occurring in the target area of the laser beam can be determined in a processing or control unit. In a further embodiment of the invention, the frequency or wavelength of the waves generated by the laser unit is set according to the characteristic properties of the parameters to be determined, and the parameters are determined using the Measured signals measured photodiode unit. It has been shown that extremely accurate results, in particular for parameters such as cholesterol, can be obtained with the method according to the invention.
Mit dem Verfahren gemäss Anspruch 6, und zwar sowohl in unabhängiger als auch in von den Ansprüchen 1 bis 5 abhängiger Form, können des Weiteren äusserst genaue Resultate bei Parametern wie Glukose erhalten werden.With the method according to claim 6, specifically both in an independent form and in a form dependent on claims 1 to 5, extremely precise results can also be obtained with parameters such as glucose.
Unter dem Begriff "klinische und/oder chemische Parameter" ist insbesondere Folgendes zu verstehen:The term “clinical and / or chemical parameters” is to be understood in particular as follows:
- Stoffwechselabbauprodukte bzw. Metaboliten; - beim Stoffwechsel beteiligte Substanzen;- metabolic breakdown products or metabolites; - substances involved in metabolism;
- Leukozyten, insbesondere zur Feststellung des Entzündungsgrades;- leukocytes, especially to determine the degree of inflammation;
- Harnsäure;- uric acid;
- Enzyme; - Ionen bzw. Ionenkonzentration;- enzymes; - ions or ion concentration;
- Vitamine;- vitamins;
- CRP- (C-Reaktives Protein);- CRP- (C-reactive protein);
- Substanzen im Zusammenhang mit Anti-Aging, Well-Aging und Life-Style; - Mikroorganismen;- substances related to anti-aging, well-aging and lifestyle; - microorganisms;
- Alkohol;- alcohol;
- Drogen;- drugs;
- Laktat;- lactate;
- Doping-Substanzen; - Farben;- doping substances; - Colours;
- krebserregende Zellen und Strukturen;- cancer-causing cells and structures;
- Verunreinigungen, insbesondere AbwasserVerunreinigungen; - Qualitätskontrolle von flüssigen Medien, insbesondere von Wasser (Laborwerte werden erhalten ohne Verwendung von Reagenzien) ;- contaminants, especially waste water contaminants; - Quality control of liquid media, especially water (laboratory values are obtained without using reagents);
- Hormone;- hormones;
- Bakterien; - Kristalle und deren Strukturen;- bacteria; - crystals and their structures;
- Viren.- viruses.
Des Weiteren sind unter dem Begriff "Medium" sowohl feste, flüssige oder auch gasförmige Medien bzw. eine beliebige Mischform dieser Medien mit einer beliebigen Struktur zu verstehen, so insbesondere:Furthermore, the term "medium" is understood to mean both solid, liquid or gaseous media or any mixed form of these media with any structure, in particular:
- ein menschlicher oder tierischer Körper; Blut; - Farbe;- a human or animal body; Blood; - Colour;
- Abwasser;- Sewage;
- Trinkwasser (im Sinne einer hohen Wasserqualität) ;- drinking water (in terms of high water quality);
- mittels Schweisstechnik verbundene Metallwerkstücke.- Metal workpieces connected by welding technology.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher beschrieben. Dabei handelt es sich um beispielhafte Ausführungsformen, die zum Verständnis der in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstände dienen. Es zeigen: Fig. 1, in schematischer Darstellung, eine erfindungsgemäss Vorrichtung zur Bestimmung einer Substanz bzw. einer Substanzkonzentration als Parameter bzw. Parameterkonzentration in einem Körper,The invention is described below with reference to the embodiments shown in the drawings. These are exemplary embodiments which serve to understand the subjects claimed in the claims. Show it: 1, in a schematic representation, a device according to the invention for determining a substance or a substance concentration as a parameter or parameter concentration in a body,
Fig. 2A, in schematischer und perspektivischer Darstellung, einen Teil einer Lasereinheit, wobei eine Schnittebene parallel zu einer Längsachse und eine weitere Schnittebene quer zur Längsachse liegen,2A, in a schematic and perspective illustration, a part of a laser unit, one section plane lying parallel to a longitudinal axis and another section plane lying transversely to the longitudinal axis,
Fig. 2B, in schematischer und perspektivischer Darstellung gemäss Fig. 1A, einen Teil einer weiteren Ausführungsform einer Lasereinheit,2B, in a schematic and perspective representation according to FIG. 1A, part of a further embodiment of a laser unit,
Fig. 3 ein Ausgangfenster zur Verwendung bei dem in Fig. 2A bzw. 2B dargestellten Teil der Lasereinheit,3 shows an output window for use in the part of the laser unit shown in FIGS. 2A and 2B,
Fig. 4 das Ausgangfenster gemäss Fig. 3 in einem Schnitt parallel zur Längsachse gemäss Fig. 2A bzw. 2B,4 shows the exit window according to FIG. 3 in a section parallel to the longitudinal axis according to FIGS. 2A and 2B,
Fig. 5 die vollständig zusammengebaute Lasereinheit gemäss den Fig. 2A, 2B, 3 und 4,5 shows the completely assembled laser unit according to FIGS. 2A, 2B, 3 and 4,
Fig. 6A und 6B jeweils einen Schnitt quer zur Längsachse einer Lasereinheit, Fig. 7 eine schematischen Darstellung einer Ausführungsvariante, bei der eine Spiegeleinheit und ein Ausgangsfenster stets mittig in Bezug auf eine Laserdiodeneinheit angeordnet sind,6A and 6B each show a section transverse to the longitudinal axis of a laser unit, 7 shows a schematic illustration of an embodiment variant in which a mirror unit and an output window are always arranged centrally with respect to a laser diode unit,
Fig. 8 eine Filtereinheit zur Verwendung in der Vorrichtung gemäss Fig. 1,8 shows a filter unit for use in the device according to FIG. 1,
Fig. 9 eine weitere Ausführungsform der Filtereinheit in perspektivischer Darstellung,9 shows a further embodiment of the filter unit in a perspective view,
Fig. 10 eine Mikropris eneinheit zur Verwendung in der Filtereinheit,10 shows a micro prism unit for use in the filter unit,
Fig. 11 zwei übereinander liegende Masken zur Einstellung der durchzulassenden Wellenlängen,11 two masks lying one above the other for setting the wavelengths to be transmitted,
Fig. 12 eine weitere Ausführungsform einer Filtereinheit mit einer photosensitiven Schicht in perspektivischer Darstellung,12 shows a further embodiment of a filter unit with a photosensitive layer in a perspective view,
Fig. 13 eine weitere Ausführungsform einer Filtereinheit mit einer photosensitiven Schicht,13 shows a further embodiment of a filter unit with a photosensitive layer,
Fig. 14, in schematischer Darstellung, einen Teil einer Mikrowelleneinheit in einem Schnitt parallel zu einer Längsachse, Fig. 15 einen Hohlraumresonator mit einer weiteren Ausführungsform für einen Teil einer Mikrowelleneinheit,14, in a schematic representation, a part of a microwave unit in a section parallel to a longitudinal axis, 15 shows a cavity resonator with a further embodiment for part of a microwave unit,
Fig. 16 eine Detailansicht der weiteren Ausführungsform für den Teil der Mikrowelleneinheit gemäss Fig. 15,16 shows a detailed view of the further embodiment for the part of the microwave unit according to FIG. 15,
Fig. 17 eine Detailansicht gemäss Fg. 16 einer dritten Ausführungsform für einen Teil einer Mikrowelleneinheit,17 shows a detailed view according to FIG. 16 of a third embodiment for part of a microwave unit,
Fig. 18 die Mikrowelleneinheit gemäss Fig. 14 mit einer Vorrichtung zum Ausrichten des Mikrowellenstrahles.18 shows the microwave unit according to FIG. 14 with a device for aligning the microwave beam.
In einer oberen Hälfte der Fig. 1 ist, in schematischer Darstellung, eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur nicht- invasiven Bestimmung einer Substanz in einem Körper 10 dargestellt. Die erfindungsgemässe Vorrichtung besteht aus einer Kontrolleinheit 1, einer Lasereinheit 2, einer Mikrowelleneinheit 3 und einer Phototransistoreinheit 4. Die Kontrolleinheit 1 ist die eigentliche den Prozess führende und die Signale aufbereitende Einheit und ist hierzu mit der Lasereinheit 2, der Mikrowelleneinheit 3 und der Phototransistoreinheit 4 wirkverbunden. Während die Mikrowelleneinheit 3 sowohl für das Senden als auch für das Empfangen von Mikrowellen 7a, 7b geeignet ist, ist die Lasereinheit 2 nur zum Aussenden von Lichtwellen 6 geeignet. Zum Empfangen von im Körper 10 reflektierten Lichtwellen 8 wird die Phototransistoreinheit 4 verwendet, welche demzufolge zusammen mit der Lasereinheit 2 eine Messeinheit bildet. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass es gemäss der Erfindung nicht zwingend ist, dass sowohl die Mikrowelleneinheit 3 als auch die Messeinheit, bestehend aus Lasereinheit 2 und Phototransistoreinheit 4, vorhanden sein müssen, damit die Erfindung ausgeführt werden kann. Vielmehr lässt sich die Erfindung vorzüglich bereits mit einer der Messeinheiten, d.h. Mikrowelleneinheit 3 oder Lasereinheit 2 kombiniert mit Phototransistoreinheit 4, realisieren. Selbstverständlich wird mit der Kombination der beiden, noch im Detail zu erläuternden erfindungsgemässen Vorrichtungen eine breitestmögliche Verwendung erzielt.In an upper half of FIG. 1, a device according to the invention for the non-invasive determination of a substance in a body 10 is shown in a schematic representation. The device according to the invention consists of a control unit 1, a laser unit 2, a microwave unit 3 and a phototransistor unit 4. The control unit 1 is the actual unit which guides the process and processes the signals and is for this purpose with the laser unit 2, the microwave unit 3 and the phototransistor unit 4 operatively connected. While the microwave unit 3 is suitable for both transmitting and receiving microwaves 7a, 7b, the laser unit 2 is only suitable for emitting light waves 6. To receive reflected in the body 10 Light waves 8, the phototransistor unit 4 is used, which consequently forms a measuring unit together with the laser unit 2. It is expressly pointed out that, according to the invention, it is not imperative that both the microwave unit 3 and the measuring unit, consisting of laser unit 2 and phototransistor unit 4, must be present in order for the invention to be carried out. Rather, the invention can be implemented with one of the measuring units, ie microwave unit 3 or laser unit 2 combined with phototransistor unit 4. Of course, the widest possible use is achieved with the combination of the two inventive devices to be explained in detail below.
In der Kontrolleinheit 1 sind Verstärker-, Ξignalverarbeitungs-, Speichereinheiten und andere Funktionseinheiten enthalten, die selbstredend in separaten Einheiten untergebracht werden könnten. Die verschiedenen Funktionseinheiten sind in Fig. 1 lediglich der gutenThe control unit 1 contains amplifier, signal processing, memory units and other functional units, which of course could be accommodated in separate units. The various functional units are only the good ones in FIG. 1
Übersicht halber in der Kontrolleinheit 1 zusammengefasst .For the sake of clarity, summarized in control unit 1.
Mit 10 ist in Fig. 1 ein Körper als Medium gekennzeichnet. Es handelt sich hierbei zum Beispiel um einen Bereich eines lebenden menschlichen Körpers, in dem eine Substanz Sl bis S3 als Parameter bzw. mehrere Substanzen Sl bis S3 zu bestimmen sind. Im Körper 10 ist ein arterielles Blutgefäss 20 mit Gefässwänden 20a und 20b angedeutet. Die Substanzen Sl bis S3 sind sowohl im Blutgefäss 20 als auch im übrigen Gewebe vorzufinden, mithin werden die Substanzen Sl bis S3 im Blutgefäss 20 durch den Blutfluss transportiert und können in das übrige Gewebe diffundieren.1 in FIG. 1 denotes a body as a medium. This is, for example, an area of a living human body in which one substance S1 to S3 is to be determined as a parameter or several substances S1 to S3. An arterial blood vessel 20 with vessel walls 20a and 20b is indicated in the body 10. The substances S1 to S3 can be found both in the blood vessel 20 and in the rest of the tissue, hence the substances S1 to S3 transported in the blood vessel 20 by the blood flow and can diffuse into the remaining tissue.
Im Folgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren, das unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung durchgeführt wird und das zur Bestimmung von Substanzen Sl bis S3 bzw. deren Konzentrationen im Blut eingesetzt wird, näher erläutert:The method according to the invention, which is carried out using the device shown in FIG. 1 and is used to determine substances S1 to S3 or their concentrations in the blood, is explained in more detail below:
Zunächst wird in einer ersten Phase mit Hilfe derFirst, in a first phase with the help of
Lasereinheit 2 ein Messpfad 100 festgelegt, in dem später die Messungen vorgenommen werden sollen. Ziel ist es dabei, den Messpfad 100 im mittleren Bereich des arteriellen Blutgefässes 20 zu positionieren. Hierzu wird die Lasereinheit 2, die eine noch im Detail zu erläuternde Lasereinheit ist, im IR- (Infrarot) -Bereich betrieben. Bekanntlich ist der Sauerstoffgehalt in arteriellem Blut höher als in venösem Blut. Demzufolge wird in Abhängigkeit des Sauerstoffgehaltes am jeweiligen Ort ein mehr oder weniger starkes Reflexionssignal erhalten, das mit der Phototransistoreinheit 4 gemessen wird. Somit kann bei einem starken Reflexionssignal davon ausgegangen werden, dass entweder ein arterielles Blutgefäss oder ein stark durchbluteter Körpergewebeteil im Zielbereich des Laserstrahles liegt. Da im Reflexionssignal zudemLaser unit 2 defines a measurement path 100 in which the measurements are to be carried out later. The aim is to position the measurement path 100 in the central area of the arterial blood vessel 20. For this purpose, the laser unit 2, which is a laser unit still to be explained in detail, is operated in the IR (infrared) range. As is known, the oxygen content in arterial blood is higher than in venous blood. As a result, a more or less strong reflection signal is obtained as a function of the oxygen content at the respective location and is measured with the phototransistor unit 4. In the case of a strong reflection signal, it can therefore be assumed that either an arterial blood vessel or a part of the body tissue with a high blood flow lies in the target area of the laser beam. Because in the reflection signal also
Informationen in Bezug auf die Geschwindigkeit der im Zielbereich des Laserstrahles vorhandenen Teilchen enthalten sind, kann darüber hinaus festgestellt werden, ob tatsächlich ein arterielles Blutgefäss vorhanden ist (höhere Geschwindigkeit der Teilchen) oder ob lediglich ein stark durchblutetes Körpergewebeteil vorliegt (Teilchen bewegen sich kaum). Damit ist der Messpfad 100 bestimmt. Eine Überprüfung, ob sich der Messpfad 100 am vorgesehenen Ort befindet ist möglich und sinnvoll. Die Verwendung einer Lasereinheit 2 ist dabei zwingend, da nur Laser die geforderte Zielgenauigkeit aufweisen.Information relating to the speed of the particles present in the target area of the laser beam can also be ascertained whether an arterial blood vessel actually exists (higher speed of the particles) or whether only one there is a lot of blood in the body tissue (particles hardly move). The measurement path 100 is thus determined. A check whether the measurement path 100 is located at the intended location is possible and useful. The use of a laser unit 2 is imperative since only lasers have the required target accuracy.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird in der ersten Phase zusätzlich ein Zeitpunkt für die im Messpfad 100 durchgeführten Messungen bestimmt. Ist der Ort des Messpfades 100 in einem arteriellen Blutgefäss 20 gemäss vorstehend beschriebenen Verfahrensschritten festgelegt worden, so ist das Geschwindigkeitsprofil im Gefäss 20 im Wesentlichen proportional zum Herzzyklus (QRS-Komplex) . Es ist dann vorgesehen, ein in Bezug auf den Herzzyklus festgelegtes Zeitfenster zu bestimmen, in dem die nachstehende Konzentrationsmessung einer oder mehrerer Substanzen Sl bis S3 vorgenommen wird. So ist beispielsweise in einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen, einIn a further embodiment of the method according to the invention, a time for the measurements carried out in the measurement path 100 is additionally determined in the first phase. If the location of the measurement path 100 in an arterial blood vessel 20 has been determined in accordance with the method steps described above, the speed profile in the vessel 20 is essentially proportional to the cardiac cycle (QRS complex). It is then provided to determine a time window which is fixed in relation to the cardiac cycle, in which the following concentration measurement of one or more substances S1 to S3 is carried out. For example, one embodiment variant of the invention provides a
Zeitfenster von 100ns zentriert um den QRS-Komplex bzw. zu einer Pulswelle im peripheren Gefäss festzulegen.Time window of 100 ns centered around the QRS complex or to define a pulse wave in the peripheral vessel.
Sind die örtliche als auch die zeitliche Position des Messpfades 100 gemäss vorstehenden VerfahrensschrittenAre the local as well as the temporal position of the measurement path 100 according to the above method steps
(Phase I) bestimmt, kann mit dem eigentlichen Bestimmen der interessierenden Substanz bzw. Substanzen Sl bis S3 begonnen werden (Phase II) . Hierzu kommen zwei Messverfahren zur Anwendung, die gleichzeitig aktiv sein können: Das erste Messverfahren beruht auf der Bestimmung des optisch sichtbaren Spektrums im Messpfad 100. Dabei werden mit der Lasereinheit 2 Lichtpulse mit Wellenlängen von 400nm bis maximal 1400nm (beispielsweise im 25nm-Raster) ausgesendet. Das Echosignal wird mit der Phototransistoreinheit 4 als Lichtmesseinheit zur Erstellung des Spektrums gemessen. Aufgrund der engen Zeitverhältnisse und weil je nach der zu bestimmenden Substanz Sl, S2, S3 nicht das ganze Spektrum von Interesse ist, wird nur ein bestimmter Wellenlängenbereich abgefahren. In jedem Fall entspricht die minimale Lichtpulsbreite der doppelten Wellenlänge.(Phase I), the actual determination of the substance or substances S1 to S3 of interest can be started (phase II). Two measurement methods are used for this, which can be active at the same time: The first measuring method is based on the determination of the optically visible spectrum in measuring path 100. Two laser pulses with wavelengths of 400 nm to a maximum of 1400 nm (for example in a 25 nm grid) are emitted with the laser unit. The echo signal is measured with the phototransistor unit 4 as a light measuring unit for generating the spectrum. Due to the narrow time relationships and because depending on the substance to be determined S1, S2, S3 the entire spectrum is not of interest, only a certain wavelength range is covered. In any case, the minimum light pulse width corresponds to twice the wavelength.
Beim Messen des optischen Echosignals wird dieWhen measuring the optical echo signal, the
Phototransistoreinheit 4 derart eingestellt, dass ein selektives Messen bei vorgegebenen Wellenlängen möglich ist. Beispielsweise kann die Phototransistoreinheit 4 auf eine Wellenlänge von 400 nm eingestellt werden, was im Folgenden als Frequenz- bzw. Wellenlängen-selektive Einstellungsmöglichkeit bezeichnet wird. Die Phototransistoreinheit 4 wird im Detail noch erläutert werden.Phototransistor unit 4 set such that selective measurement is possible at predetermined wavelengths. For example, the phototransistor unit 4 can be set to a wavelength of 400 nm, which is referred to below as a frequency or wavelength-selective setting option. The phototransistor unit 4 will be explained in detail later.
Dieses erste Messverfahren eignet sich beispielsweise vorzüglich zur Bestimmung des Cholesteringehaltes, also eines Stoffes, der nur in einer relativ geringen Konzentration im Blut vorhanden ist, aber aufgrund der Struktur einen erheblichen Einfluss auf das optische Spektrum aufweist. Ein zweites Messverfahren, das wie erwähnt zur gleichen Zeit aktiv sein kann wie das ersterwähnte, besteht darin, dass zur Konzentrationsbestimmung die interessierenden Substanzen Sl, S2, S3 bzw. deren Moleküle gezählt werden. Hierzu kommt die Mikrowelleneinheit 3 zum Einsatz. Diese sendet einzelne Pulse von sehr kurzer Dauer (beispielsweise 83 ps oder 133.3 ps) in den während der Phase I ermittelten Messpfad 100 aus und tastet diesen ab, wobei die Feldstärke des jeweiligen Echosignals, das wiederum von derThis first measurement method is, for example, particularly suitable for determining the cholesterol content, that is to say a substance that is only present in the blood in a relatively low concentration, but because of the structure has a considerable influence on the optical spectrum. A second measuring method, which, as mentioned, can be active at the same time as the first mentioned, consists in counting the substances of interest S1, S2, S3 or their molecules for determining the concentration. The microwave unit 3 is used for this. This sends individual pulses of very short duration (for example 83 ps or 133.3 ps) into the measurement path 100 determined during phase I and scans it, the field strength of the respective echo signal, which in turn depends on the
Mikrowelleneinheit 3 empfangen wird, Auskunft über das Vorhandensein oder eben Nichtvorhandensein einer bestimmten Substanz Sl, S2, S3 bzw. eines Atoms dieser Substanz gibt.Microwave unit 3 is received, provides information about the presence or absence of a certain substance S1, S2, S3 or an atom of this substance.
Auf diese Weise werden durch Aussenden von zuvor anhand von Proben mit den interessierenden Stoffen ermittelten Mikrowellenfrequenzen mehrere Abbildungen des Zielbereiches mit verschiedenen Wellenlängen erstellt. Diese Abbildungen werden mit zuvor gemessenen Mustern, welche vorab in einer zur Kontrolleinheit 1 gehörenden Speichereinheit abgelegt worden sind und welche für den Vergleich in einem ebenfalls in der Kontrolleinheit 1 enthaltenen Mustererkenner abgerufen werden können, verglichen. In einer Ausführungsform sind wegen einem begrenzten Speicher in der Speichereinheit lediglich diejenigen bekannten Muster von Substanzen abgelegt, die bestimmt werden sollen.In this way, by emitting microwave frequencies previously determined on the basis of samples with the substances of interest, several images of the target area with different wavelengths are created. These images are compared with previously measured patterns which were previously stored in a storage unit belonging to the control unit 1 and which can be called up for comparison in a pattern recognizer also contained in the control unit 1. In one embodiment, because of a limited memory, only those known patterns of substances which are to be determined are stored in the memory unit.
Dieses zweite Messverfahren eignet sich beispielsweise vorzüglich zur Bestimmung von Glukose in Blut. Also eines Stoffes, der nur in einer relativ geringen variablen Konzentration im Blut, vorhanden ist. Zudem kann aus dem optischen Spektrum der Glukosegehalt nicht korrekt, d.h. nicht mit einer ausreichenden Genauigkeit, bestimmt werden.This second measurement method is particularly suitable, for example, for determining glucose in blood. So a substance that is only in a relatively small variable Concentration in the blood, is present. In addition, the glucose content cannot be determined correctly, that is to say with insufficient accuracy, from the optical spectrum.
Zur Bestimmung der Konzentration von anderen Substanzen, bei denen sowohl im optischen Spektrum Auswirkungen feststellbar sind als auch genügend Partikel mit Hilfe der Mikrowelleneinheit 3 detektiert werden können, können die beiden Messverfahren kombiniert werden, d.h. die Resultate beider Messverfahren werden bei derTo determine the concentration of other substances for which effects can be determined in the optical spectrum and sufficient particles can be detected using the microwave unit 3, the two measurement methods can be combined, i.e. the results of both measurement methods are used by
Konzentrationsbestimmung berücksichtigt .Concentration determination taken into account.
Zur Erzeugung eines Laserstrahles mit exakter Wellenlänge wird eine Lasereinheit 2 mit variabler Wellenlänge eingesetzt. Ein Einstellen' der gewünschten Wellenlänge ist beim erfindungsgemässen Verfahren absolute Notwendigkeit, will man die verschiedenen Laserstrahlen mit derselben Lasereinheit erzeugen.A laser unit 2 with a variable wavelength is used to generate a laser beam with an exact wavelength. A setting 'of the desired wavelength is in the process of this invention absolute necessity, one wants to produce the various laser beams with the same laser unit.
Die Erzeugung von Laserstrahlen mit unterschiedlichenThe generation of laser beams with different
Wellenlängen mit der gleichen Lasereinheit ist an und für sich bekannt. So wurde bereits vorgeschlagen, den Laserstrahl eines Weisslichtlasers mit Hilfe von Filtern oder Prismen aufzuspalten, um so die gewünschte Farbkomponente zu extrahieren. Des Weiteren ist es bekannt, die Abmessungen des bei Lasereinheiten vorhandenen Resonators mit Hilfe einer entsprechenden Mechanik zu verändern, womit auch die Wellenlänge des erzeugten Laserlichtes verändert werden kann. In Bezug auf den Weisslicht- bzw. Buntlichtlaser wird auf eine Pressemitteilung vom 16. September 2003 der Universität Bonn, Deutschland, verwiesen. Darin wird ein neuer Laser beschrieben, mit dem die Erzeugung von Weisslicht auf einfache Weise und kostengünstig möglich ist. Mit Hilfe eines geeigneten Prismas wird das weisse Licht in die Farbkomponenten zerlegt, wobei die benötigte Farbe dann ausgewählt werden kann. In Bezug auf die erstgenannte Technik wird wiederum auf die Publikation von Jeff Hecht mit dem Titel "Understanding Lasers" (IEEE Press, 1992, S. 296-297) verwiesen.Wavelengths with the same laser unit are known per se. It has already been proposed to split the laser beam of a white light laser using filters or prisms in order to extract the desired color component. Furthermore, it is known to change the dimensions of the resonator present in laser units with the aid of appropriate mechanics, with which the wavelength of the laser light generated can also be changed. With regard to the white light or colored light laser, a Press release dated September 16, 2003 from the University of Bonn, Germany. It describes a new laser with which the generation of white light is possible in a simple and inexpensive manner. With the help of a suitable prism, the white light is broken down into the color components, and the required color can then be selected. With regard to the first-mentioned technique, reference is again made to Jeff Hecht's publication entitled "Understanding Lasers" (IEEE Press, 1992, pp. 296-297).
Für die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung i'st eine Lasereinheit 2 (Fig. 1), die anhand der Fig. 2 bis 7 erläutert wird, besonders geeignet. Es handelt sich hierbei um eine Halbleiterlasereinheit, die beispielsweise aufFor the embodiment shown in FIG. 1 device i 'st a laser unit 2 (Fig. 1) which will be explained with reference to FIGS. 2 to 7 are particularly suitable. This is a semiconductor laser unit, for example, based on
Gallium-Arsenid basiert. Die Lasereinheit 2 zeichnet sich durch eine hohe Zielgenauigkeit aus. Dabei können mit der Lasereinheit 2 beispielsweise Wellenlängen von 400 nm bis 700 nm erzeugt werden.Gallium arsenide based. The laser unit 2 is characterized by a high accuracy. For example, wavelengths of 400 nm to 700 nm can be generated with the laser unit 2.
Fig. 2A zeigt den schematischen Aufbau eines Teils der Lasereinheit 2 anhand eines Schnittes parallel zu einer Längsachse 40. Die als Laserstrahlen erzeugten Lichtwellen pflanzen sich parallel zur Längsachse 40 fort, wobei eine Spiegeleinheit und ein Ausgangsfenster, das als teildurchlässiges Fenster realisiert ist, in Fig. 2A nicht dargestellt sind, aber anhand der Fig. 3 und 4 erläutert werden. Das teildurchlässige Fenster kann beispielsweise auch ein so genanntes Brewster-Fenster sein. Eine Trägereinheit 30, die aus einem massiven wärmeleitenden Material - beispielsweise aus Messing oder Platin - besteht und die als Gehäuseteil angesehen werden kann, umfasst einen eigentlichen Kern der Lasereinheit 2, nämlich eine Laserdiodeneinheit 34, in der im Übergangsbereich zwischen p- und n-Schicht in bei Halbleiterlasern bekannter Weise Laserstrahlen erzeugt werden. Die als Laserdiodeneinheit 34 bezeichnete Schicht befindet sich gemäss Fig. 2 unmittelbar auf der Trägereinheit 30. Es folgt, ausgehend von der Laserdiodeneinheit 34 eine erste Isolationsschicht 33, ein Piezoelement 32 als Druckerzeugungselement und eine zweite Isolationsschicht 31, welche auf deren anderen Seite auf der umlaufenden Trägereinheit 30 aufliegt. Damit ist das Piezoelement 32 elektrisch isoliert.2A shows the schematic structure of part of the laser unit 2 on the basis of a section parallel to a longitudinal axis 40. The light waves generated as laser beams propagate parallel to the longitudinal axis 40, with a mirror unit and an output window, which is realized as a partially transparent window, in FIG 2A are not shown, but are explained with reference to FIGS. 3 and 4. The partially transparent window can also be a so-called Brewster window, for example. A carrier unit 30, which consists of a solid heat-conducting material - for example made of brass or platinum - and which can be regarded as a housing part, comprises an actual core of the laser unit 2, namely a laser diode unit 34, in which in the transition area between the p and n layers Laser beams are generated in a manner known in semiconductor lasers. The layer referred to as laser diode unit 34 is located directly on the carrier unit 30 in accordance with FIG. 2. Starting from the laser diode unit 34, a first insulation layer 33, a piezo element 32 as a pressure generating element and a second insulation layer 31 follow, which on the other side on the circumferential side Carrier unit 30 rests. The piezo element 32 is thus electrically insulated.
Mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau der Lasereinheit 2 besteht nun die Möglichkeit, mittels einer im Piezoelement 32 erzeugten Kraft auf die Laserdiodeneinheit 34 einzuwirken, um so die Wellenlänge zu verändern, da der Abstand des Valenzbandes zum Leitungsband - und damit die Wellenlänge - von der auf die Laserdiodeneinheit 34 einwirkenden Kraft abhängig ist.With the construction of the laser unit 2 described above, there is now the possibility of acting on the laser diode unit 34 by means of a force generated in the piezo element 32 in order to change the wavelength, since the distance between the valence band and the conduction band - and thus the wavelength - from that to the Laser diode unit 34 acting force is dependent.
Das Piezoelement 32 ist vorzugsweise aus einem Turmalin- Kristall gefertigt, der an seiner Oberfläche mit einer Silberschicht versehen ist, die durch Aufdampfung erzeugt worden ist und die zur Kontaktierung und damit zur Steuerung des ganzen Piezoelementes 32 verwendet wird. Anstelle einer Silberschicht kann auch Aluminium oder eine andere Metallschicht aufgedampft werden.The piezo element 32 is preferably made of a tourmaline crystal, which is provided on its surface with a silver layer which has been produced by vapor deposition and which is used for contacting and thus for Control of the entire piezo element 32 is used. Instead of a silver layer, aluminum or another metal layer can also be vapor-deposited.
Wie bereits erläutert worden ist, sind zur Erzeugung eines Laserstrahles mit der Lasereinheit 2 sowohl eine Spiegeleinheit als auch ein Ausgangsfenster erforderlich, die im Wesentlichen quer zur Längsachse 40 der Lasereinheit 2 (Fig. 2A bzw. 2B) angeordnet sind. Während der rückwärtige Spiegel die durch die Laserdiodeneinheit 34 erzeugten Lichtstrahlen möglichst vollständig reflektiert, hat das Ausgangsfenster die Aufgabe, Lichtstrahlen, die vorgegebene Bedingungen erfüllen, aus der Lasereinheit 2 - eben durch das teildurchlässige Fenster - austreten zu lassen. Weitere Informationen können der DruckschriftAs has already been explained, in order to generate a laser beam with the laser unit 2, both a mirror unit and an output window are required, which are arranged essentially transversely to the longitudinal axis 40 of the laser unit 2 (FIGS. 2A and 2B). While the rear mirror reflects the light beams generated by the laser diode unit 34 as completely as possible, the output window has the task of allowing light beams which meet the specified conditions to emerge from the laser unit 2 - precisely through the partially transparent window. Further information can be found in the publication
"Understanding Lasers" von Jeff Hecht (Seiten 110 und 111, Second Edition, IEEE Press, New York, 1992) entnommen werden."Understanding Lasers" by Jeff Hecht (pages 110 and 111, Second Edition, IEEE Press, New York, 1992).
In Fig. 2B ist eine weitere Ausführungsform eines Teils der Lasereinheit 2 anhand eines Schnittes parallel zu einer Längsachse 40 analog zu Fig. 2A dargestellt. Wie bereits bei der Ausführungsform gemäss Fig. 2A bildet auch die Trägereinheit 30 der Ausführungsform gemäss Fig. 2B einen Hohlraum, in dem zwei Isolationsschichten 31 und 33, ein Piezoelement 32 und eine Laserdiodeneinheit 34 enthalten sind. Im Unterschied zur Ausführungsvariante gemäss Fig. 2A wird die Laserdiodeneinheit 34 zunächst von der ersten Isolationsschicht 33, anschliessend vom Piezoelement 32 als Druckerzeugungselement, dann von der zweiten Isolationsschicht 31 und schliesslich von der Trägereinheit 30 umfasst. Damit kann mit dem Druckerzeugungselement 32 eine Kraft erzeugt werden, die von allen radialen Richtungen, d.h. im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse 40, auf die Laserdiodeneinheit 34 einwirkt.FIG. 2B shows a further embodiment of part of the laser unit 2 on the basis of a cut parallel to a longitudinal axis 40 analogous to FIG. 2A. As already in the embodiment according to FIG. 2A, the carrier unit 30 of the embodiment according to FIG. 2B also forms a cavity in which two insulation layers 31 and 33, a piezo element 32 and a laser diode unit 34 are contained. In contrast to the embodiment variant according to FIG. 2A, the laser diode unit 34 is first of the first insulation layer 33, then by the piezo element 32 as Pressure generating element, then encompassed by the second insulation layer 31 and finally by the carrier unit 30. A force can thus be generated with the pressure generating element 32, which acts on the laser diode unit 34 from all radial directions, ie essentially perpendicular to the longitudinal axis 40.
In Fig. 3 ist ein Ausgangsfenster 50 dargestellt, wie es axial an das in Fig. 2 dargestellte Trägerelement 30 angeordnet wird. Das Ausgangsfenster 50 besteht im3 shows an exit window 50 as it is arranged axially on the carrier element 30 shown in FIG. 2. The output window 50 consists of
Wesentlichen aus einem Rahmenelement 70 und einer seitlich angeordneter Isolationsschicht 61, wobei sowohl durch das Rahmenelement 70 als auch durch die Isolationsschicht 61 eine Öffnung 60 vorgesehen ist. Des Weiteren ist in Fig. 3 eine Schnittebene A-A eingezeichnet, welche die Grundlage für den in Fig. 4 dargestellten Schnitt durch das Ausgangsfenster 50 bildet.Essentially consisting of a frame element 70 and a laterally arranged insulation layer 61, an opening 60 being provided both by the frame element 70 and by the insulation layer 61. Furthermore, a sectional plane A-A is drawn in FIG. 3, which forms the basis for the section through the exit window 50 shown in FIG. 4.
Fig. 4 zeigt das in Fig. 3 dargestellte Ausgangsfenster 50 im Schnitt gemäss Schnittebene A-A (Fig. 3) . Durch denFIG. 4 shows the exit window 50 shown in FIG. 3 in section along the section plane A-A (FIG. 3). By the
Schnitt parallel zur Längsachse 40 wird das Rahmenelement 70 zum U-förmigen Teil, in das ein teildurchlässiges Fenster 51 eingelegt ist, das im Wesentlichen senkrecht auf die Fortpflanzungsrichtung, d.h. der Längsachse 40, steht. Eine Verschiebung des teildurchlässigen Fensters 51 sowohl translatorisch in axialer Richtung als auch als Kippbewegung um die Längsachse 40 wird mit Hilfe von Verschiebungselementen 52 bis 56 (im Folgenden auch etwa Verschiebungselemente genannt) erreicht, die wiederum als Piezoelemente ausgebildet sind. Damit für die Bewegungen des teildurchlässigen Fensters 51 drei Freiheitsgrade zur Verfügung stehen, sind die Verschiebungselemente 52 bis 56 in der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform in den Ecken des viereckigen teildurchlässigen Fensters 51 angeordnet. Des Weiteren sind die Verschiebungselemente 52 bis 56 einzeln über eine elektrische Verbindung kontaktiert, so dass die Verschiebungselemente 52 bis 56 unabhängig voneinander angesteuert werden können. Die Steuerung erfolgt beispielsweise über eine zentrale Kontrolleinheit, die nicht weiter dargestellt ist.Cut parallel to the longitudinal axis 40, the frame element 70 becomes the U-shaped part, into which a partially transparent window 51 is inserted, which is essentially perpendicular to the direction of propagation, ie the longitudinal axis 40. A displacement of the partially permeable window 51 both translationally in the axial direction and as a tilting movement about the longitudinal axis 40 is achieved with the aid of displacement elements 52 to 56 (hereinafter also referred to as displacement elements), which in turn as Piezo elements are formed. So that three degrees of freedom are available for the movements of the partially transparent window 51, the displacement elements 52 to 56 in the embodiment shown in FIG. 3 are arranged in the corners of the square partially transparent window 51. Furthermore, the displacement elements 52 to 56 are contacted individually via an electrical connection, so that the displacement elements 52 to 56 can be controlled independently of one another. The control takes place, for example, via a central control unit, which is not shown further.
Die Spiegeleinheit, welche die in der Laserdiodeneinheit 34 (Fig. 2) erzeugten Lichtstrahlen möglichst vollständig und verlustfrei reflektieren soll, kann als fixe Spiegelfläche nach bekanntem Stand der Technik realisiert werden.The mirror unit, which is intended to reflect the light beams generated in the laser diode unit 34 (FIG. 2) as completely and without loss as possible, can be implemented as a fixed mirror surface according to the known prior art.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, die Spiegeleinheit nicht fix zu realisieren, sondern analog zu dem anhand der Fig. 3 und 4 erläuterten teildurchlässigen Fenster 51. Bei dieserIn a further embodiment of the invention, it is proposed not to implement the mirror unit in a fixed manner, but rather analogously to the partially transparent window 51 explained with reference to FIGS. 3 and 4
Ausführungsvariante ist zwar kein teildurchlässiges Fenster notwendig. Daher wird anstelle des in Fig. 4 dargestellten teildurchlässigen Fensters 51 eine reflektierende Oberfläche benötigt, die beispielsweise durch Aufdampfen einer Metallschicht auf einen Träger erhalten wird. Die übrigen Elemente, d.h. die Positions- bzw. Verschiebungselemente, werden zur Steuerung der reflektierenden Oberfläche verwendet. Damit ist eine Lasereinheit 2 geschaffen, die gegenüber der Ausführungsform mit einer fixen Spiegelfläche (Spiegelelement) einen erweiterten Einsatzbereich aufweist, was im Lichte der nachfolgenden Erläuterungen besonders deutlich wird.A partially transparent window is not necessary. Therefore, instead of the partially transparent window 51 shown in FIG. 4, a reflective surface is required, which is obtained, for example, by vapor deposition of a metal layer on a carrier. The remaining elements, ie the position or displacement elements, are used to control the reflecting surface. So that's one Laser unit 2 created, which has an extended area of use compared to the embodiment with a fixed mirror surface (mirror element), which is particularly clear in the light of the following explanations.
Bekanntlich ist zur Erhaltung einer Resonanz in einer Lasereinheit von entscheidender Bedeutung, dass der Abstand zwischen Spiegelfläche (Spiegelelement) und teildurchlässigem Fenster ein Vielfaches oder die Exakte der interessierenden halben Wellenlänge (λ/2) beträgt. Wird nun die Wellenlänge durch Veränderung mittels des Piezoelementes 32 (Fig. 2) verändert, so kann vor allem dann eine effiziente Lasereinheit (d.h. maximal kohärentes Licht) erhalten werden, wenn der Abstand zwischen derIt is known that in order to maintain a resonance in a laser unit it is of crucial importance that the distance between the mirror surface (mirror element) and the partially transparent window is a multiple or the exact half wavelength (λ / 2) of interest. If the wavelength is now changed by changing it by means of the piezo element 32 (FIG. 2), an efficient laser unit (i.e. maximum coherent light) can be obtained especially if the distance between the
Spiegeloberfläche und dem teildurchlässigen Fenster 51 als Vielfaches oder gleich der interessierenden halben Wellenlänge eingestellt wird.Mirror surface and the partially transmissive window 51 is set as a multiple or equal to the half wavelength of interest.
Es hat sich gezeigt, dass durch die Kombination der allseitigen Kraftausübung auf die Laserdiodeneinheit 34 (Fig. 2B) und durch die gleichzeitig vorgenommene korrekte Einstellung des Abstandes zwischen Spiegeloberfläche und teildurchlässigem Fenster 51 eine äusserst vielfältig einsetzbare Lasereinheit 2 (Fig. 2) zur Verfügung gestellt wird, welche sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass sich die Wellenlänge beispielsweise zwischen 400 nm und 700 nm elektronisch einstellen lässt, ohne dass Prismen oder Farbfilter notwendig sind bzw. ohne dass eine Frequenzverdoppelung vorgenommen werden muss.It has been shown that the combination of the all-round application of force on the laser diode unit 34 (FIG. 2B) and the simultaneous correct setting of the distance between the mirror surface and the partially transparent window 51 provide an extremely versatile laser unit 2 (FIG. 2) which is characterized in particular by the fact that the wavelength can be set electronically, for example between 400 nm and 700 nm, without prisms or Color filters are necessary or without having to double the frequency.
Fig. 5 zeigt die Lasereinheit 2, bestehend aus den anhand der Fig. 2A, 2B, 3 und 4 erläuterten Einzelteilen. So ist das Trägerelement 30 gemäss Fig. 2 zwischen dem Rahmenelement 50 mit dem teildurchlässigen Fenster und einer Spiegeleinheit 80 angeordnet, wobei jeweils eine Isolationsschicht 61 zwischen den Einzelteilen 80, 30, 56 zur elektrischen und thermischen Isolation vorhanden sind.FIG. 5 shows the laser unit 2, consisting of the individual parts explained with reference to FIGS. 2A, 2B, 3 and 4. The carrier element 30 according to FIG. 2 is arranged between the frame element 50 with the partially transparent window and a mirror unit 80, an insulation layer 61 being provided between the individual parts 80, 30, 56 for electrical and thermal insulation.
Fig. 6A und 6B zeigen mittels Epitaxie oder auch durch andere Verfahren hergestellte Laserdiodeneinheiten, die auf allen vier Seiten des quadratischen Querschnittes Druckerzeugungselemente 73, 74 aufweisen, wobei die vier6A and 6B show laser diode units produced by means of epitaxy or also by other methods, which have pressure generating elements 73, 74 on all four sides of the square cross section, the four
Teile der Druckerzeugungselemente 73, 74 in den jeweiligen Ecken beabstandet sind. Für die gleichzeitige Betätigung aller vier Teile der Druckerzeugungselemente 73, 74 sind diese mit Hilfe von Bonddrähten elektrisch miteinander verbunden (wie in den Fig. 6A und 6B dargestellt) oder direkt mit einer hierfür vorgesehenen Spannungsquelle bzw. Steuereinheit 77 gekoppelt.Parts of the pressure generating elements 73, 74 are spaced in the respective corners. For the simultaneous actuation of all four parts of the pressure generating elements 73, 74, these are electrically connected to one another with the aid of bonding wires (as shown in FIGS. 6A and 6B) or directly coupled to a voltage source or control unit 77 provided for this purpose.
Zur weiteren Verdeutlichung wird in Fig. 6A ein p-n- Übergang und in Fig. 6B ein n-p-Übergang für dieFor further clarification, a p-n transition is shown in FIG. 6A and an n-p transition for the in FIG. 6B
Laserdiodeneinheit dargestellt. Aus den Fig. 6A und 6B wird ersichtlich, dass die Druckerzeugungselemente 73, 74 in Bezug auf die Laserdiodeneinheit gegenteilige Pole aufweist, womit eine gegenseitige ungünstige Beeinflussung zwischen Druckerzeugungselement und Laserdiodeneinheit verhindert werden kann.Laser diode unit shown. 6A and 6B that the pressure generating elements 73, 74 have opposite poles with respect to the laser diode unit has, with which a mutual unfavorable influence between the pressure generating element and the laser diode unit can be prevented.
Die in den Fig. 6A bzw. 6B verwendeten Hinweiszeichen können wie folgt zugewiesen werden:The information signs used in FIGS. 6A and 6B can be assigned as follows:
71 n (Kathode) der Laserdiodeneinheit; 72 p (Anode) der Laserdiodeneinheit; 73 n-Anschluss des Druckerzeugungselementes; 74 p-Anschluss des Druckerzeugungselementes; 75 Trägerelement; 76 Quelle für die Laserdiodeneinheit; 77 Steuerschaltung zur Einstellung der auf die Laserdiodeneinheit wirkende Kraft; 78 Luftspalt zwischen den einzelnen Teilen der Druckerzeugungseinheit; 79 Druckerzeugungselement.71 n (cathode) of the laser diode unit; 72 p (anode) of the laser diode unit; 73 n connection of the pressure generating element; 74 p-connection of the pressure generating element; 75 carrier element; 76 source for the laser diode unit; 77 control circuit for setting the force acting on the laser diode unit; 78 air gap between the individual parts of the pressure generating unit; 79 pressure generating element.
Fig. 7 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemässe Vorrichtung mit der mittig zwischen der Spiegeleinheit 80 und dem Ausgangsfenster 50 angeordneten zentralen Teil der Lasereinheit 2, die beispielsweise in der im Zusammenhang mit Fig. 6A bzw. 6B beschriebenen Art und Weise realisiert ist. Diese Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl die Spiegeleinheit 80 als auch das Ausgangsfenster 50 in Abhängigkeit der durch das Druckerzeugungselement (in Fig. 7 nicht dargestellt) erzeugten und auf die Laserdiodeneinheit einwirkenden Kraft verschoben wird, und zwar derart, dass sich die Laserdiodeneinheit stets mittig zwischen der Spiegeleinheit 80 und dem Ausgangsfenster 50 befindet bzw. die Diodenlaserfassette eine halbe Wellenlänge oder ein Vielfaches der halben Wellenlänge zur Spiegeleinheit entfernt ist, wobei dies davon abhängig ist, ob die Diodenlaserfassette entspiegelt ist oder nicht. Ist nämlich die Diodenlaserfassette entspiegelt, so baut sich zwischen der Diodenlaserfassette und der Spiegeleinheit keine zusätzliche Resonanz auf. Ist hingegen die Diodenlaserfassette nicht entspiegelt, so baut sich zwischen der Diodenlaserfassette und der Spiegeleinheit eine zusätzliche Resonanz auf, was bei inkorrekter Distanz zu zusätzlichen Wellen und damit zu einem Verlust führt. Dies mit Abweichungen in Abhängigkeit von der Distanz der Spiegeleinheiten gegenüber der Diodenlaserfassette und gilt für beide Austrittseiten der Laserdiodeneinheit. Dies wird beispielsweise mit Hilfe der in Fig. 7 dargestellten synchronen Drehvorrichtung 100 erreicht, die im Punkt D drehbar gelagert ist. Wird nun mit dem Verschiebungselement 52 die Spiegeleinheit 80 in eine Richtung Wl verschoben, so erfolgt über die synchrone Drehvorrichtung 100 eine 1:1-FIG. 7 shows a schematic representation of a device according to the invention with the central part of the laser unit 2 arranged centrally between the mirror unit 80 and the output window 50, which is implemented, for example, in the manner described in connection with FIGS. 6A and 6B. This embodiment is characterized in that both the mirror unit 80 and also the output window 50 is shifted as a function of the force generated by the pressure generating element (not shown in FIG. 7) and acting on the laser diode unit, in such a way that the laser diode unit is always located centrally between the mirror unit 80 and the output window 50 or the Diode laser facet is half a wavelength or a multiple of half the wavelength from the mirror unit, this depends on whether the diode laser facet is anti-reflective or not. If the diode laser facet is anti-reflective, no additional resonance builds up between the diode laser facet and the mirror unit. If, on the other hand, the diode laser facet is not anti-reflective, an additional resonance builds up between the diode laser facet and the mirror unit, which leads to additional waves and thus to a loss if the distance is incorrect. This with deviations depending on the distance of the mirror units from the diode laser facet and applies to both exit sides of the laser diode unit. This is achieved, for example, with the aid of the synchronous rotating device 100 shown in FIG. 7, which is rotatably mounted at point D. If the mirror unit 80 is now displaced in a direction W1 with the displacement element 52, a 1: 1 takes place via the synchronous rotating device 100.
Übertragung auf das Ausgangsfenster 50, so dass dieses eine betragsmässige identische Verschiebung in Richtung W2 erfährt . Eine mittige Ausrichtung der Laserdiodeneinheit bzw. deren Fassette ergibt als zusätzlicher Vorteil eine optimierte Leistungsausnutzung.Transfer to the output window 50 so that it experiences an identical displacement in the direction of W2. A central alignment of the laser diode unit or its facet provides an additional advantage of optimized power utilization.
Anstelle der synchronen Drehvorrichtung 100 können selbstverständlich auch zwei oder mehrere Verschiebungselemente 52 vorgesehen werden, die derart abgestimmt und angeordnet sind, dass sich die Laserdiodeneinheit stets mittig zwischen der Spiegeleinheit 80 und dem Ausgangsfenster 50 befindet.Instead of the synchronous rotating device 100, two or more displacement elements 52 can of course also be provided, which are coordinated and arranged in such a way that the laser diode unit is always located centrally between the mirror unit 80 and the output window 50.
Für die im Zusammenhang mit der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemässen Vorrichtung ist eine anhand der in den Fig. 8 bis 13 erläuterten Phototransistoreinheiten 4 (Fig. 1) besonders geeignet.For the device according to the invention shown in FIG. 1, a phototransistor unit 4 (FIG. 1) explained with reference to FIGS. 8 to 13 is particularly suitable.
Die in Fig. 8 dargestellte Phototransistoreinheit 4 besteht im Wesentlichen aus einer photosensitive Schicht 102, die beispielsweise mit einem oder mehreren Phototransistoren realisiert ist, und einer vor der photosensitiven Schicht 102 angeordneten Filtereinheit 110. Die Filtereinheit 110 weist eine bewegliche Schlitzmaske 103, eine Mikroprismeneinheit 107 und eine feste Schlitzmaske 108 auf. Die bewegliche Schlitzmaske 103 kann in den durch einen Pfeil 105 angegebenen Richtungen im Wesentlichen lateral zur Schlitzmaske 108 bewegt werden, und zwar mit Hilfe von in Bezug auf die bewegliche Schlitzmaske 103 seitlich angeordneten Verschiebungseinheiten 104 und 106. In einer spezifischen Ausführungsform ist die eine Verschiebungseinheit 104 mit Hilfe einer Piezoeinheit und die andere Verschiebungseinheit 106 als viskoses Federelement realisiert. Das viskose Federelement besteht dabei beispielsweise aus einer Silikoneinlage, einer Einlage aus natürlichem Kautschuk oder aus einer Stahlfeder. Bei der Verwendung einer Silikoneinlage ist eine Pufferschicht zur Verhinderung von Materialwanderungen notwendig.The phototransistor unit 4 shown in FIG. 8 essentially consists of a photosensitive layer 102, which is implemented, for example, with one or more phototransistors, and a filter unit 110 arranged in front of the photosensitive layer 102. The filter unit 110 has a movable slit mask 103, a microprism unit 107 and a fixed slit mask 108. The movable slit mask 103 can be moved essentially laterally to the slit mask 108 in the directions indicated by an arrow 105, with the aid of displacement units 104 and 106 arranged laterally with respect to the movable slit mask 103. In a specific embodiment, one displacement unit 104 is implemented with the aid of a piezo unit and the other displacement unit 106 is implemented as a viscous spring element. The viscous spring element consists, for example, of a silicone insert, an insert made of natural rubber or a steel spring. When using a silicone insert, a buffer layer is required to prevent material migration.
Eine weitere konkrete Ausführungsform für die Verschiebungselemente 104 und 106 besteht in der Verwendung von Mikrostepper oder Mikrolinearmotoren, die ebenfalls eine hohe Präzision bei der Verschiebung der beweglichen Maske 103 ermöglichen.Another specific embodiment for the displacement elements 104 and 106 consists in the use of microsteppers or microlinear motors, which likewise enable high precision in the displacement of the movable mask 103.
Die Prismeneinheit 107 ist zwischen der festen und der beweglichen Schlitzmaske 108 bzw. 103 angeordnet, wobei die Masken 103, 108 korrespondierende erste und zweite Öffnungen aufweisen, die ein Öffnungspaar bilden. DieThe prism unit 107 is arranged between the fixed and the movable slit mask 108 or 103, the masks 103, 108 having corresponding first and second openings which form an opening pair. The
Prismeneinheit 107 weist für mindestens ein Öffnungspaar ein Prisma auf.Prism unit 107 has a prism for at least one pair of openings.
In einer weiteren Ausführungsform der Anordnung, welche in Fig. 8 nicht dargestellt ist, wird an Stelle der beweglichen Schlitzmaske 103 die Position der Mikroprismeneinheit 107 mit Hilfe von Verschiebungseinheiten verändert, die beispielsweise wiederum in der Form einer Piezoeinheit und einem viskosen Federelement realisiert sind. Auch hiermit können selektiv diejenigen Lichtwellen L durch die Schlitzmaske 103, die im Unterschied zur Ausführungsform gemäss Fig. 8 nunmehr ortsfest ist, auf die photosensitive Schicht 102 geleitet werden. Die Mikroprismeneinheit 107 wird im Wesentlichen lateral zur Schlitzmaske 103 bzw. zur Schlitzmaske 108 bewegt .In a further embodiment of the arrangement, which is not shown in FIG. 8, instead of the movable slit mask 103, the position of the microprism unit 107 is changed with the aid of displacement units, which in turn are realized, for example, in the form of a piezo unit and a viscous spring element. This also allows selective those light waves L are directed through the slit mask 103, which in contrast to the embodiment according to FIG. 8 is now stationary, onto the photosensitive layer 102. The microprism unit 107 is moved essentially laterally to the slit mask 103 or to the slit mask 108.
Eine noch weitere Ausführungsform der Filtereinheit 110 besteht darin, dass beide Schlitzmasken beweglich sind. Hiermit sind Auslenkungen der einzelnen Schlitzmasken reduziert, da jede der Schlitzmasken um die Hälfte des zurückzulegenden Weges bewegt wird. Die Schlitzmasken bewegen sich dabei lateral gegenläufig.A still further embodiment of the filter unit 110 is that both slit masks are movable. This reduces deflections of the individual slit masks because each of the slit masks is moved by half the distance to be covered. The slit masks move laterally in opposite directions.
Die beschriebene Filtereinheit 110 stellt somit ein Farbfilter dar, bei dem auf elektronischem Weg die gefilterten Wellenlängen eingestellt werden können. Darüber hinaus ist die Filtereinheit 110 ein temperaturunabhängiges Farbfilter, das beispielsweise auf Wellenlängen von 1400 bis 430 nm einstellbar ist. Die Filtereinheit 110 und mithin die ganze Phototransistoreinheit 1 zeichnen sich durch einen oder mehrere der folgenden Vorteile aus:The filter unit 110 described thus represents a color filter in which the filtered wavelengths can be set electronically. In addition, the filter unit 110 is a temperature-independent color filter that can be set, for example, to wavelengths from 1400 to 430 nm. The filter unit 110 and therefore the entire phototransistor unit 1 are distinguished by one or more of the following advantages:
- die Bauform der Filtereinheit 110 bzw. der Phototransistoreinheit 1 kann äusserst klein gewählt werden; - elektronische und präzise Einstellbarkeit der gewünschten Wellenlänge von denjenigen Lichtstrahlen, die auf die photosensitive Schicht 102 auftreffen sollen; - minimaler mechanischer Aufwand; - äusserst kurze Reaktionszeiten; - Erhöhung der Empfindlichkeit der Phototransistoreinheit 1, wenn alle Öffnungspaare auf eine Wellenlänge bzw. den gleichen Wellenlängenbereich eingestellt werden, in dem gemessen werden soll. Dann nämlich können die auf der photosensitiven Schicht gemessenen Signale addiert werden, was zu grösseren Signalanteilen führt.- The design of the filter unit 110 or the phototransistor unit 1 can be selected to be extremely small; electronic and precise adjustability of the desired wavelength of those light beams which are to strike the photosensitive layer 102; - minimal mechanical effort; - extremely short reaction times; - Increasing the sensitivity of the phototransistor unit 1 if all pairs of openings are set to a wavelength or the same wavelength range in which measurements are to be carried out. Then the signals measured on the photosensitive layer can then be added, which leads to larger signal components.
Um genaue Messresultate mit der Phototransistoreinheit 1 erhalten zu können, muss vorab eine Eichung vorgenommen werden. Eine solche Eichung kann beispielsweise wie folgt durchgeführt werden:In order to be able to obtain exact measurement results with the phototransistor unit 1, a calibration must be carried out in advance. Such a calibration can be carried out as follows, for example:
Die Phototransistoreinheit 1 wird einer Lichtquelle mit einer bekannten Wellenlänge ausgesetzt. Die bewegliche Schlitzmaske 103 bzw. 108 - oder gegebenenfalls die Mikroprismeneinheit 107, sofern diese beweglich ist - wird dann solange mit Hilfe der Verschiebungseinheiten 104, 106 verschoben, bis auf der photosensitiven Schicht 102 ein Signalmaximum erhalten wird. Der entsprechende Grad der Verschiebung kann in Abhängigkeit des verwendeten Verschiebungsmechanismus für die Eichung festgehalten werden. Werden als aktive VerschiebungseinheitenThe phototransistor unit 1 is exposed to a light source with a known wavelength. The movable slit mask 103 or 108 - or possibly the microprism unit 107, if it is movable - is then moved with the aid of the displacement units 104, 106 until a signal maximum is obtained on the photosensitive layer 102. The corresponding degree of displacement can be recorded depending on the displacement mechanism used for the calibration. Are considered active displacement units
Piezoelemente verwendet, so kann das an die Piezoelemente angelegte elektrische Signal mit der Wellenlänge der Lichtquelle in Bezug gesetzt werden, womit die Eichung für diese Wellenlänge abgeschlossen ist. Weitere Eichungen mit anderen Wellenlängen der Lichtquellen werden mit Vorteil vorgenommen, um allfällige Nichtlinearitäten erfassen zu können.Piezo elements used, so the electrical signal applied to the piezo elements can be related to the wavelength of the light source, thus completing the calibration for this wavelength. Further calibrations with different wavelengths of the light sources are advantageous made in order to be able to record any non-linearities.
Es hat sich gezeigt, dass die Mikroprismeneinheit 107 aus einer Substanz mit der chemischen Formel NaCl in kristalliner Form hergestellt werden kann.It has been shown that the microprism unit 107 can be produced in crystalline form from a substance with the chemical formula NaCl.
Fig. 9 zeigt in perspektivischer Darstellung eine weitere Ausführungsform der Filtereinheit. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäss Fig. 8 weist diese Ausführungsform lediglich einen Schlitz in den Schlitzmasken 103 und 108 auf. Entsprechend weist die Mikroprismeneinheit 107 ein einziges Prisma auf. Durch die Schlitzmaske 108 wird ein einfallender Lichtstrahl parallelisiert . Der parallelisierte Lichtstrahl wird in der Folge durch die Mikroprismeneinheit 107 in Lichtkomponenten unterschiedlicher Wellenlängen zerlegt. Mit Hilfe der beweglichen Schlitzmaske 103 wird die interessierende Lichtkomponente ausgewählt, indem die bewegliche Schlitzmaske 103 entsprechend positioniert wird. Dadurch wird erreicht, dass nur das Licht mit der gewünschten Wellenlänge auf die photosensitive Schicht 102 trifft und gemessen wird.9 shows a perspective view of a further embodiment of the filter unit. In contrast to the embodiment according to FIG. 8, this embodiment has only one slot in the slot masks 103 and 108. Correspondingly, the micro prism unit 107 has a single prism. An incident light beam is parallelized by the slit mask 108. The parallelized light beam is subsequently broken down into light components of different wavelengths by the microprism unit 107. With the help of the movable slit mask 103, the light component of interest is selected by positioning the movable slit mask 103 accordingly. It is thereby achieved that only the light with the desired wavelength hits the photosensitive layer 102 and is measured.
Eine weitere Ausführungsform besteht darin, Lochmasken anstelle von Schlitzmasken zu verwenden. Damit werden die entsprechenden Abbildungen auf der photosensitiven Schicht nicht streifenförmig sondern punktförmig. Fig. 10 zeigt eine Mikroprismeneinheit 107, wie sie beispielsweise in der Ausführungsform gemäss Fig. 8 verwendet wird. Die Mikroprismeneinheit 107 ist beispielsweise aus Glas hergestellt, in das die einzelnen Prismen eingeschliffen worden sind. Zu beachten ist bei der Herstellung der Mikroprismeneinheit, dass die einzelnen Prismen mit den entsprechenden Abmessungen der Schlitzbzw. Lochmaske im Einklang sind, d.h., dass die Anordnung eines Schlitzes bzw. eines Loches mit dem entsprechenden Prisma übereinstimmt, so dass die gewünschten Wellenlängen bzw. Wellenlängenbereiche gemessen werden können. Die korrespondierenden Schlitze bzw. Löcher werden allgemein als Öffnungspaare bezeichnet, die entsprechend aus ersten und zweiten Öffnungen bestehen.Another embodiment is to use shadow masks instead of slit masks. This means that the corresponding images on the photosensitive layer do not become strip-like but point-like. FIG. 10 shows a micro prism unit 107, as is used for example in the embodiment according to FIG. 8. The microprism unit 107 is made, for example, of glass, into which the individual prisms have been ground. It should be noted when manufacturing the micro prism unit that the individual prisms with the corresponding dimensions of the slot or Hole mask are in line, that is, the arrangement of a slot or a hole matches the corresponding prism, so that the desired wavelengths or wavelength ranges can be measured. The corresponding slots or holes are generally referred to as pairs of openings, which accordingly consist of first and second openings.
Die Mikroprismeneinheit 107 besteht in einer weiteren Ausführungsform aus einem Polymer anstelle von Glas. Damit ist die Herstellung vereinfacht und die Kosten niedriger als bei Verwendung von Glas. Denkbar ist auch eine Zusammensetzung von einzelnen Prismen zur Bildung derIn a further embodiment, the microprism unit 107 consists of a polymer instead of glass. This simplifies production and the costs are lower than when using glass. A combination of individual prisms to form the
Mikroprismenschicht . Die einzelnen Prismen werden dann mit einem Klebstoff zusammen geklebt.Microprism layer. The individual prisms are then glued together with an adhesive.
Wie aus den vorstehenden Erläuterungen, insbesondere im Zusammenhang mit den Ausführungsvarianten gemäss Fig. 8 bis 10, deutlich wurde, besteht eine Anwendung der Filtereinheit darin, diese mit einer photosensitiven Schicht 102 zu kombinieren. Damit wird eine Phototransistoreinheit erhalten, mit der äusserst genaue Messungen in einem bestimmten Wellenlängenbereich gemacht werden können, wobei eine elektronische Einstellung der zu messenden Wellenlänge möglich ist.As became clear from the above explanations, in particular in connection with the embodiment variants according to FIGS. 8 to 10, one application of the filter unit is to combine it with a photosensitive layer 102. A phototransistor unit is thus obtained with which extremely precise measurements can be made in a specific wavelength range can be, whereby an electronic adjustment of the wavelength to be measured is possible.
Eine weitere Ausführungsform der Filtereinheit besteht darin, dass die von der Schlitz- bzw. Lochmaske durchgelassenen Wellenlängen einstellbar sind. Hierzu ist vorgesehen, als Maske, wie sie in Fig. 8 mit dem Hinweiszeichen 103 und 108 gekennzeichnet sind, zwei übereinander liegende Masken vorzusehen, die sich gegeneinander lateral verschieben lassen. Eine solche Ausführungsform ist in Fig. 11 dargestellt, wobei zwei unmittelbar übereinander liegende Masken 108a und 108b, die sich gegeneinander - beispielsweise wiederum mit Piezoelementen in Kombination mit viskosen Federelementen - lateral verschieben lassen. Hierdurch wird die Schlitzbzw. Lochgrösse verändert, mithin ist eine Schlitz- bzw. Lochmaske erhalten worden, bei der die Öffnung einstellbar ist. Je nach Anwendung kann die Schlitz- bzw. Lochmaske mit einstellbarer Öffnung oberhalb der Mikroprismeneinheit, d.h. auf der Seite der Lichtquelle L, oder unterhalb der Mikroprismeneinheit vorgesehen sein. Denkbar ist darüber hinaus auch, dass sowohl die Öffnung der Schlitz- bzw. Lochmasken oberhalb als auch unterhalb der Mikroprismeneinheit einstellbar im Sinne der vorstehenden Ausführungen ist.Another embodiment of the filter unit consists in that the wavelengths transmitted by the slit or shadow mask can be set. For this purpose, it is provided that two masks lying one above the other, which can be laterally displaced relative to one another, are provided as a mask, as indicated in FIG. Such an embodiment is shown in FIG. 11, with two masks 108a and 108b lying directly one above the other, which can be laterally displaced relative to one another, for example again with piezo elements in combination with viscous spring elements. As a result, the slot or Hole size changed, therefore a slit or hole mask has been obtained in which the opening is adjustable. Depending on the application, the slit or shadow mask with adjustable opening above the micro prism unit, i.e. be provided on the side of the light source L, or below the micro prism unit. It is also conceivable that both the opening of the slit or perforated masks above and below the microprism unit can be adjusted in the sense of the above statements.
Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Filtereinheit 1 mit einer beweglichen Schlitzmaske 108, einer Prismeneinheit 107, einer festen Schlitzmaske 103 und einer photosensitiven Schicht 102 entsprechend der Ausführungsform, welche in Fig. 9 dargestellt ist. Im Unterschied zu dieser weist die Ausführungsform gemäss Fig. 12 einerseits eine bewegliche Schlitzmaske 108 auf, deren den Schlitz bildenden Seitenwände einen konischen Verlauf haben, und zwar ist der Schlitz auf der Lichtaustrittsseite enger als auf der Lichteintrittsseite. Anderseits weist die feste Schlitzmaske 103 ebenfalls konisch verlaufende Seitenwände auf, allerdings in umgekehrter Richtung, so dass die Schlitzbreite auf der Lichteintrittsseite kleiner ist als auf der Lichtaustrittsseite. Mit anderen Worten ist die Schlitzbreite auf der Seite der Prismeneinheit 107 kleiner als auf der Seite der photosensitiven Schicht 102.12 shows a further embodiment of a filter unit 1 with a movable slit mask 108, a prism unit 107, a fixed slit mask 103 and a photosensitive layer 102 corresponding to FIG Embodiment, which is shown in Fig. 9. In contrast to this, the embodiment according to FIG. 12 on the one hand has a movable slit mask 108, the side walls of which form the slit have a conical shape, namely the slit is narrower on the light exit side than on the light entry side. On the other hand, the fixed slit mask 103 also has conical side walls, but in the opposite direction, so that the slit width on the light entry side is smaller than on the light exit side. In other words, the slit width on the side of the prism unit 107 is smaller than on the side of the photosensitive layer 102.
In einer Ausführungsvariante sind der Schlitz der beweglichen Schlitzmaske 108 mit einer Sammeloptik 13 und/oder der Schlitz der fixen Schlitzmaske 103 mit einem Diffusor 14 ausgestattet. Während durch die Sammeloptik 13 eine höhere Lichtmenge bzw. Lichtquantenmenge erhalten wird, die auf der Prismeneinheit 107 auftrifft, wird durch den Diffusor 14 das durch die Prismeneinheit 107 monochrom austretende Licht im Wesentlichen gleichmässig und grossflächig auf der photosensitiven Schicht 102 verteilt. Insgesamt wird hierdurch eine höhere Empfindlichkeit der Phototransistoreinheit erhalten.In one embodiment variant, the slit of the movable slit mask 108 is equipped with a collecting lens 13 and / or the slit of the fixed slit mask 103 is equipped with a diffuser 14. While a higher quantity of light or quantity of light quantum is obtained by the collecting optics 13, which impinges on the prism unit 107, the light exiting through the prism unit 107 in monochrome is distributed essentially uniformly and over a large area on the photosensitive layer 102 by the diffuser 14. Overall, this results in a higher sensitivity of the phototransistor unit.
In Fig. 12 ist der Abstand zwischen der beweglichen Schlitzmaske 108 und der Prismeneinheit 107 mit a, der Abstand zwischen der Prismeneinheit 107 und der festen Schlitzmaske mit b und der Abstand zwischen der festen Schlitzmaske 103 und der photosensitiven Schicht 102 mit c bezeichnet. Es hat sich gezeigt, dass die Abstände a und c vorzugsweise möglichst klein gewählt werden. Der Abstand b ist vorzugsweise variabel und dient dabei zur Begrenzung bzw. Einstellung der Bandbreite - bzw. des Wellenlängenbereichs - der Lichtstrahlen, die durch den Schlitz der festen Schlitzmaske 103 gelangen.In Fig. 12, the distance between the movable slit mask 108 and the prism unit 107 is a, the distance between the prism unit 107 and the fixed slit mask is b and the distance between the fixed slit mask 103 and the photosensitive layer 102 is c designated. It has been shown that the distances a and c are preferably chosen to be as small as possible. The distance b is preferably variable and serves to limit or adjust the bandwidth - or the wavelength range - of the light beams that pass through the slit of the fixed slit mask 103.
Es wird darauf hingewiesen, dass der konische Verlauf - d.h. die Steilheit der den Schlitz begrenzenden Seitenwände - der festen Schlitzmaske 103 derart gewählt wird, dass der relevante Messbereich auf der photosensitiven Schicht vollflächig ausgeleuchtet wird. Damit ist gewährleistet, dass es zu keinen Fehlern bei den Messresultaten kommt, denn in der Regel führt eine nicht vollflächige Ausleuchtung eines Photdtransistors zu Messfehlern.It should be noted that the conical course - i.e. the steepness of the side walls delimiting the slit - of the fixed slit mask 103 is selected such that the relevant measurement area on the photosensitive layer is illuminated over the entire area. This ensures that there are no errors in the measurement results, because a non-full-area illumination of a photo transistor usually leads to measurement errors.
In Fig. 13 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Filtereinheit mit einer photosensitiven13 shows a further embodiment of the filter unit according to the invention with a photosensitive
Schicht 102 mit mehreren Schlitzen bzw. Löchern in der Schlitz- bzw. Lochmaske 108 analog zur Ausführungsform gemäss Fig. 8 dargestellt. Mit 12 ist gemischtes Licht und mit 15 ist monochromatisches Licht gekennzeichnet, wobei letzteres allein auf die photosensitive Schicht 102 auftrifft.Layer 102 with a plurality of slits or holes in the slit or perforated mask 108 is shown analogously to the embodiment according to FIG. 8. Mixed light is identified by 12 and monochromatic light is identified by 15, the latter hitting the photosensitive layer 102 alone.
Bei der Ausführungsform mit einer beweglichen Schlitzmaske 108 sind die die Schlitze bildenden Seitenwände konisch verlaufend, wobei die Schlitzöffnung auf der Seite des Lichteintritts maximal gewählt ist, so dass in jeden Schlitz möglichst viel Licht einfallen kann. Entsprechend laufen die die Schlitze bildenden Seitenwände in einen Spitz zusammen, der jeweils mit der Oberseite der beweglichen Schlitzmaske 108 zusammenfällt. Demgegenüber ist die feste Schlitzmaske 103 umgekehrt angeordnet in dem Sinne, dass die breite Öffnung auf der Seite der photosensitiven Schicht 102 zu liegen kommt. Durch den im Schlitz enthaltenen Diffusor 14 ist gewährleistet, dass die photosensitive Schicht maximal und gleichmässig ausgeleuchtet wird, womit eine höhere Empfindlichkeit und genauere Messresultate erreicht werden.In the embodiment with a movable slit mask 108, the side walls forming the slits are tapered, the slit opening on the side of the light entry being selected to be maximum, so that as much light as possible can enter each slit. Corresponding the side walls forming the slits converge into a point which coincides with the top of the movable slit mask 108. In contrast, the fixed slit mask 103 is arranged upside down in the sense that the wide opening comes to lie on the side of the photosensitive layer 102. The diffuser 14 contained in the slot ensures that the photosensitive layer is illuminated to the maximum and evenly, with the result that a higher sensitivity and more accurate measurement results are achieved.
Um die Lichtausbeutung weiter zu steigern, sind in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die konisch verlaufenden Seitenwände der Schlitz verspiegelt.In order to further increase the light exploitation, the conical side walls of the slot are mirrored in a further embodiment of the invention.
Bei einer weiteren Ausführungsform, für die die Querschnittdarstellung gemäss Fig. 13 ebenfalls Gültigkeit hat, sind anstelle von Schlitzen Löcher in den Masken 108 und 103 vorgesehen. Die Löcher in den Masken 108 und 103 sind daher Kegelstumpf-förmig, ebenso die in die Masken 108 und 103 eingelassenen Einsätze als Sammellinsen 13, im Falle der beweglichen Lochmaske 108, oder als Diffusor 14, im Falle der festen Lochmaske 103.In a further embodiment, for which the cross-sectional representation according to FIG. 13 is also valid, holes are provided in the masks 108 and 103 instead of slots. The holes in the masks 108 and 103 are therefore frusto-conical, as are the inserts embedded in the masks 108 and 103 as converging lenses 13, in the case of the movable shadow mask 108, or as a diffuser 14, in the case of the fixed shadow mask 103.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass - wie schon im Zusammenhang mit den Ausführungsformen gemäss den Fig. 8 und 9 erläutert - auch bei den Ausführungsformen gemäss den Fig. 12 und 13 die bewegliche Maske 108 fixiert und die feste Masken 108 beweglich ausgebildet werden kann. Des Weiteren sind Konstellationen gemäss Fig. 11 bei den Ausführungsformen gemäss Fig. 12 und 13 ebenfalls denkbar.It is expressly pointed out that - as already explained in connection with the embodiments according to FIGS. 8 and 9 - the movable mask 108 can also be fixed in the embodiments according to FIGS. 12 and 13 and the fixed mask 108 can be made movable. Of Constellations according to FIG. 11 are also conceivable in the embodiments according to FIGS. 12 and 13.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass die Mikroprismeneinheiten aus kristallinem NaCl, Glas oder einem Polymer bestehen. Denkbar sind ferner Kristalle, Edelsteine wie beispielsweise Diamanten für eine hohe Farbreinheit, Quarze oder Neodym.It has already been pointed out that the microprism units consist of crystalline NaCl, glass or a polymer. Crystals, gemstones such as diamonds for high color purity, quartz or neodymium are also conceivable.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass bei allen vorstehend erwähnten Ausführungsformen in den Mikroprismen- bzw. in den Prismeneinheiten so genannte Mehrfachprismen verwendet werden können. Derartige Mehrfachprismen, auch etwa Geradsichtprismen genannt, werden aus mehreren Prismen mit unterschiedlichen Materialien, beispielsweise unterschiedlichen Glassorten, zusammengesetzt, so dass trotz einer spektralen Ablenkung der Mittenstrahl im Wesentlichen unabgelenkt durchgeht. Weitere Angaben zu den Mehrfachprismen können beispielsweise der DE-37 37 775 AI entnommen werden.It is also pointed out that so-called multiple prisms can be used in all of the above-mentioned embodiments in the microprism or prism units. Such multiple prisms, also called straight prisms, are composed of several prisms with different materials, for example different types of glass, so that despite a spectral deflection, the center beam passes essentially undeflected. Further information on the multiple prisms can be found, for example, in DE-37 37 775 AI.
Schliesslich ist in Fig. 14 eine Ausführungsform für die im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnte Mikrowelleneinheit 3 dargestellt. Es handelt sich hierbei um einen möglichen schematischen Aufbau eines Teils der Mikrowelleneinheit 3 anhand eines Schnittes parallel zu einerFinally, FIG. 14 shows an embodiment for the microwave unit 3 mentioned in connection with FIG. 1. This is a possible schematic structure of part of the microwave unit 3 based on a section parallel to one
Ausbreitungsrichtung 205 der Mikrowellen. Wie die anhand von Fig. 2 erläuterte Lasereinheit 2 umfasst die Mikrowelleneinheit 3 (Fig. 1) eine Trägereinheit 200 aus einem belastbaren Material, beispielsweise Messing oder Platin. Damit können gegebenenfalls hohe Kräfte aufgenommen werden. Im Innern der Trägereinheit 200 sind in kompakter Bauweise die folgenden Schichten, ausgehend von einer oberen Trägerwand, enthalten: eine erste Isolationsschicht 201, eine Gunn-Diode 202, eine zweite Isolationsschicht 203 und ein Piezoelement 204. Diverse Steuerleitungen mit entsprechenden Kontaktstellen zur Steuerung der einzelnen Schichten von der Kontrolleinheit 1 (Fig. 1) aus, sind in Fig. 14 nicht gezeigt.Direction of propagation 205 of the microwaves. Like the laser unit 2 explained with reference to FIG. 2, the microwave unit 3 (FIG. 1) comprises a carrier unit 200 a resilient material, such as brass or platinum. This means that high forces can be absorbed if necessary. Inside the carrier unit 200, the following layers, starting from an upper carrier wall, are contained in a compact design: a first insulation layer 201, a Gunn diode 202, a second insulation layer 203 and a piezo element 204. Various control lines with corresponding contact points for controlling the individual ones Layers from the control unit 1 (FIG. 1) are not shown in FIG. 14.
Die Gunn-Diode 202 ist eine auf dem Gunn-Effekte (John Gunn, 1963) beruhende Diode, die in bekannter Weise zur Erzeugung von Mikrowellen eingesetzt wird. Für weitere Angaben zum Gunn-Effekt bzw. zu Gunn-Dioden wird stellvertretend auf das Standardwerk von Donald Christiansen mit dem Titel "Electronics Engineers ' Handbook" (McGraw-Hill, vierte Auflage, 1997, Seiten 12.71 sowie 12.79 und 12.80) verwiesen. In dieser Druckschrift sind auch weitere Standardwerke zu diesem Thema angegeben.The Gunn diode 202 is a diode based on the Gunn effect (John Gunn, 1963) and is used in a known manner to generate microwaves. For further information on the Gunn effect or Gunn diodes, please refer to Donald Christiansen's standard work entitled "Electronics Engineers' Handbook" (McGraw-Hill, fourth edition, 1997, pages 12.71, 12.79 and 12.80). This publication also contains other standard works on this topic.
Gemäss den vorstehenden Erläuterungen ist die Gunn-Diode 202 zwischen der ersten und der zweiten Isolationsschicht 201 bzw. 203 eingeklemmt. Mit Hilfe des Piezoelementes 204 kann nun die Frequenz der von der Gunn-Diode 202 erzeugten Mikrowellen beispielsweise zwischen 8.7 und 12 GHz eingestellt werden. Dabei erfolgt die Frequenzverschiebung einerseits durch den Druck auf die Gunn-Diode 202 (d.h. den so genannten "die") selbst, wodurch eine Materialveränderung im Innern der Gunn-Diode 202 infolge der molekularen Schwingungsänderung - ähnlich wie bei einer starken Temperaturänderung -, entsteht, anderseits durch eine Veränderung der Kapazität durch eineAccording to the above explanations, the Gunn diode 202 is clamped between the first and second insulation layers 201 and 203. With the aid of the piezo element 204, the frequency of the microwaves generated by the Gunn diode 202 can now be set, for example, between 8.7 and 12 GHz. The frequency shift takes place on the one hand through the pressure on the Gunn diode 202 (ie the so-called "die") itself, as a result of which a change in the material inside the Gunn diode 202 results the molecular vibration change - similar to a strong temperature change - arises, on the other hand, by a change in the capacitance by a
Distanzveränderung der Gunn-Diode 202 zur Trägereinheit 200 - ähnlich einer Kapazitätsveränderung bei einemDistance change of the Gunn diode 202 to the carrier unit 200 - similar to a change in capacitance in one
Kondensator, bei dem die Kondensatorplatten gegeneinander verschoben werden. Über das Piezoelement 204 ist somit die Möglichkeit gegeben, die Frequenz der mittels der Gunn- Dioden 202 erzeugten Mikrowellen exakt einzustellen. Damit unterscheidet sich die beschriebene Mikrowelleneinheit 3 von bekannten Vorrichtungen insbesondere dadurch, dass die Frequenz der erzeugten Mikrowellen auf elektronischem Weg, ohne mechanische EinStelleinrichtungen, exakt eingestellt werden kann.Capacitor, in which the capacitor plates are shifted against each other. Piezo element 204 thus provides the possibility of precisely setting the frequency of the microwaves generated by Gunn diodes 202. The microwave unit 3 described thus differs from known devices in particular in that the frequency of the microwaves generated can be precisely set electronically, without mechanical adjustment devices.
Damit die einmal eingestellte Frequenz der auszusendenden Mikrowellen 205 konstant bleibt, ist das Piezoelement 204 in einer weiteren Ausgestaltung der Mikrowelleneinheit 3 mit einer an sich bekannten, so genannten PLL-(Phase- Locked-Loop)- oder FLL- (Frequency-Locked-Loop) -Schaltung versehen. Eine dieser Schaltungen regelt die am Piezoelement 204 angelegte Spannung derart, dass die gewünschte Frequenz der Mikrowellen 205 konstant bleibt.In order for the frequency of the microwaves 205 to be emitted to remain constant, the piezo element 204 is, in a further embodiment of the microwave unit 3, with a PLL (phase-locked loop) or FLL (frequency-locked loop) known per se ) Circuit. One of these circuits regulates the voltage applied to the piezo element 204 in such a way that the desired frequency of the microwaves 205 remains constant.
Mit 206 ist seitlich der Gunn-Diode 202 ein Fenster für den Austritt der Mikrowellen 205 bezeichnet. Das Fenster 206 wird vorzugsweise durch eine geeignete Dotierung mit Fremdatomen erhalten. Damit wird ein kontrolliertes Austreten von Mikrowellen aus der Gunn-Diode 202 ermöglicht. Für die Dotierung eignet sich dabei insbesondere GaAs (Galliumarsenid) . Der Durchmesser des Fensters 206 beträgt beispielsweise ca. 10 μm und die Tiefe der Dotierung beispielsweise 320 A (Angström) . Im Übrigen sind die +/- Anschlüsse in Fig. 14 eingezeichnet, wobei eine elektrische Kontaktierung des erstgenannten im Fenster 206 und eine elektrische Kontaktierung des zweit genannten ausserhalb des Fensters 206 erfolgt.A window for the exit of the microwaves 205 is identified at the side of the Gunn diode 202. The window 206 is preferably obtained by suitable doping with foreign atoms. This enables a controlled escape of microwaves from the Gunn diode 202. Suitable for the doping especially GaAs (gallium arsenide). The diameter of the window 206 is, for example, approximately 10 μm and the depth of the doping is, for example, 320 A (angstroms). For the rest, the +/- connections are shown in FIG. 14, electrical contacting of the former being made in window 206 and electrical contacting of the latter being outside window 206.
In Fig. 15 ist eine Ausführungsform für eine Mikrowelleneinheit 3 (Fig. 1) schematisch dargestellt. Mit 250 ist ein Hohlraumresonator bezeichnet, in dem auch der anhand von Fig. 14 erläuterte Teil der Mikrowelleneinheit 3 enthalten sein kann. Fig. 15 zeigt einen zu Fig. 14 alternative Ausführungsform, die im Detail anhand von Fig. 16 beschrieben wird.An embodiment for a microwave unit 3 (FIG. 1) is shown schematically in FIG. A cavity resonator is designated by 250, in which the part of the microwave unit 3 explained with reference to FIG. 14 can also be contained. FIG. 15 shows an alternative embodiment to FIG. 14, which is described in detail with reference to FIG. 16.
Der Hohlraumresonator 250 ist aus Metall und weist eine Austrittsöffnung 251 auf, durch den die Mikrowellen in Ausbreitungsrichtung 205 aus den Hohlraumresonator 250 austreten. Im Hohlraumresonator 250 ist einerseits ein Keramikkörper 234, der von oben in das Innere des Hohlraumresonators 250 ragt, anderseits ein Körper 235, der von unten in das Innere des Hohlraumresonators 250 ragt, enthalten, wobei der obere Keramikkörper 234 und der Körper 235 aneinander ausgerichtet sind, d.h. eine gemeinsame Achse aufweisen, sich jedoch nicht berühren. Neben dem Körper 235 ist ferner ein weiterer Keramikkörper 236 angeordnet, der mit Bezug auf die Detailansicht gemäss Fig. 16 erläutert wird. Der Körper 235 besteht aus einem Metall, beispielsweise aus Messing oder Kupfer, und dient als Kathode. Gleichzeitig kann über den Körper 235 überschüssige Wärme abgeleitet werden.The cavity resonator 250 is made of metal and has an outlet opening 251 through which the microwaves emerge from the cavity resonator 250 in the direction of propagation 205. The cavity resonator 250 contains, on the one hand, a ceramic body 234, which projects into the interior of the cavity resonator 250 from above, and on the other hand, a body 235, which projects into the interior of the cavity resonator 250 from below, the upper ceramic body 234 and the body 235 being aligned with one another , ie have a common axis, but do not touch. In addition to the body 235, a further ceramic body 236 is arranged, which is explained with reference to the detailed view according to FIG. 16. The body 235 is made of a metal, such as brass or copper, and serves as Cathode. At the same time, 235 excess heat can be dissipated through the body.
Aus Fig. 16, welche eine Detailansicht A gemäss Fig. 15 ist, ist ersichtlicht, dass der untere Keramikkörper 235 als Trägerelement für die folgenden Einheiten bzw. Schichten ist (Reihenfolge ausgehend vom Keramikkörper 235) : - ein Piezoelement 204; - eine Kontaktschicht 203 aus einem Metall, beispielsweise aus Silber oder Kupfer; - eine Gunn-Diode 202.16, which is a detailed view A according to FIG. 15, shows that the lower ceramic body 235 is a carrier element for the following units or layers (sequence starting from the ceramic body 235): a piezo element 204; a contact layer 203 made of a metal, for example of silver or copper; - a Gunn diode 202.
Zur Steuerung des Piezoelementes 204 ist eine Steuerleitung 231 vorgesehen, die mit einer Kontaktstelle 232 auf dem weiteren Körper 236 verbunden ist. Die Kontaktstelle 232 ist über einen im weiteren Körper 236 enthaltenen elektrischen Leiter aus dem Hohlraumresonator 250 geführt, womit die Möglichkeit zur Ansteuerung des Piezoelementes 204 von ausserhalb des Hohlraumresonators 250 gegeben ist. Die oberhalb der Kontaktschicht 203 angeordnete Gunn-Diode 202 ist ferner über eine Kontaktschlaufe 230 mit dem Keramikkörper 234 verbunden, der gleichzeitig als Durchführungskondensator dient und die Kontaktierung der Gunn-Diode 202 von ausserhalb des Hohlraumresonators 250 ermöglicht .To control the piezo element 204, a control line 231 is provided, which is connected to a contact point 232 on the further body 236. The contact point 232 is led out of the cavity resonator 250 via an electrical conductor contained in the further body 236, which gives the possibility of activating the piezo element 204 from outside the cavity resonator 250. The Gunn diode 202 arranged above the contact layer 203 is also connected via a contact loop 230 to the ceramic body 234, which at the same time serves as a feedthrough capacitor and enables the Gunn diode 202 to be contacted from outside the cavity resonator 250.
Gemäss den vorstehenden Erläuterungen ist die Gunn-Diode 202 auf der Kontaktschicht 203 und dem Piezoelement 204 aufgebracht. Mit Hilfe des Piezoelementes 204 kann nun die Frequenz der von der Gunn-Diode 202 erzeugten Mikrowellen beispielsweise zwischen 8.7 und 12 GHz eingestellt werden. Dabei erfolgt die Frequenzverschiebung einerseits durch die kapazitive Veränderung infolge einer Abstandsänderung zwischen Gunn-Diode 202 und dem als Kathode wirkenden Körper 235, anderseits durch die Positionsänderung gegenüber dem als Durchführungskondensator wirkenden Keramikkörper 234. Über das Piezoelement 204 ist somit die Möglichkeit gegeben, die Frequenz der mittels der Gunn- Diode 202 erzeugten Mikrowellen exakt einzustellen und zu verändern. Auch diese Ausführungsform unterscheidet sich somit von bekannten Mikrowelleneinheiten dadurch, dass die Frequenz der erzeugten Mikrowellen auf elektronischem Weg eingestellt werden kann.According to the above explanations, the Gunn diode 202 is on the contact layer 203 and the piezo element 204 applied. With the aid of the piezo element 204, the frequency of the microwaves generated by the Gunn diode 202 can now be set, for example, between 8.7 and 12 GHz. The frequency shift takes place on the one hand through the capacitive change as a result of a change in the distance between the Gunn diode 202 and the body 235 acting as a cathode, and on the other hand through the change in position relative to the ceramic body 234 acting as a feed-through capacitor using the Gunn diode 202 to precisely set and change microwaves. This embodiment also differs from known microwave units in that the frequency of the microwaves generated can be set electronically.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsvariante ist die sehr kleine Bauform von beispielsweise 2 x 1 x 1 mm für die äusseren Abmessungen des Hohlraumresonators 250, der lediglich drei Anschlüsse ausweist, nämlich VGnd^ VGunn und Vpiezo/ wobei VGnd dem gemeinsamen Erd- bzw. Massenpotential, GUΠΠ der Speisespannung bzw. dem Signalabgriff der Gunn- Diode und VPιezo der Speisespannung des Piezoelementes und der damit verbundenen Abstimmung des Schwingkreises entspricht. Der in sich geschlossene Hohlraumresonator weist eine geringe Anfälligkeit gegenüber äusseren Einflüssen auf, da alle HF-aufweisenden Bauteile im Hohlraumresonator enthalten sind. Dieser Umstand macht ihn geradezu ideal für die Anwendung in der Mikrosensortechnik. Wie schon im Zusammenhang mit den Ausführungen zu der Ausführungsvariante gemäss Fig. 14 erwähnt worden ist, kann die eingestellte Frequenz der auszusendenden Mikrowellen mit Hilfe von so genannten PLL- (Phase-Locked-Loop) - oder FLL- (Frequency-Locked-Loop) - Schaltungen konstant gehalten werden, was selbstverständlich auch bei dieser Ausführungsform denkbar ist.Another advantage of this variant is the very small design of, for example, 2 x 1 x 1 mm for the outer dimensions of the cavity resonator 250, which only has three connections, namely V Gn d ^ V Gunn and Vpie z o / where V Gnd the common earth - or mass potential, GUΠΠ the supply voltage or the signal tap of the Gunn diode and V Pιe zo the supply voltage of the piezo element and the associated tuning of the resonant circuit. The self-contained cavity resonator has a low susceptibility to external influences, since all RF-containing components are contained in the cavity resonator. This fact makes it ideal for use in microsensor technology. As has already been mentioned in connection with the explanations for the embodiment variant according to FIG. 14, the set frequency of the microwaves to be emitted can be called PLL (phase locked loop) or FLL (frequency locked loop). - Circuits are kept constant, which is of course also conceivable in this embodiment.
Fig. 17 zeigt eine gegenüber der Ausführungsform gemäss Fig. 16 mit einer zusätzlichen Induktivität und einer zusätzlichen Kapazität ergänzte Variante. Damit wird verhindert, dass hochfrequente Signalanteile bzw. Mikrowellen aus dem Hohlraumresonator an nicht erwünschten Stellen austreten können.FIG. 17 shows a variant supplemented with the embodiment according to FIG. 16 with an additional inductance and an additional capacitance. This prevents high-frequency signal components or microwaves from escaping from the cavity at undesired points.
Fig. 18 zeigt die Trägereinheit 200 in Seitenansicht, wobei wiederum mit 205 der Mikrowellenstrahl, der in der Gunn- Diode 202 (Fig. 14) erzeugt wird, identifiziert ist. Durch Einbetten der Trägereinheit 200 mit Verschiebungselementen 207 bis 209, welche je aus einem Piezoelement gebildet sind, lässt sich die Trägereinheit 200 als ganzes verschieben bzw. kippen, mit anderen Worten lässt sich die Richtung des Mikrowellenstahles 205 einstellen. Damit ein grösstmöglicher Bereich mit dem Mikrowellenstrahl abgedeckt werden kann, sind das Verschiebungselement 207 und dessen Gegenstück (in Fig. 8 wegen Abdeckung durch das Verschiebungselement 207 nicht ersichtlich) im Bereich der Austrittsöffnung des Mikrowellenstrahls angebracht. Mit diesen Verschiebungselementen 208 kann die Trägereinheit 200 entsprechend den mit 210 gekennzeichneten Pfeilen, welche senkrecht auf die Zeichnungsebene stehen, senkrecht zur Zeichnungsebene bewegt werden.18 shows a side view of the carrier unit 200, again using 205 to identify the microwave beam which is generated in the Gunn diode 202 (FIG. 14). By embedding the carrier unit 200 with displacement elements 207 to 209, which are each formed from a piezo element, the carrier unit 200 can be displaced or tilted as a whole, in other words the direction of the microwave steel 205 can be set. So that the largest possible area can be covered with the microwave beam, the displacement element 207 and its counterpart (cannot be seen in FIG. 8 due to the covering by the displacement element 207) are attached in the region of the outlet opening of the microwave beam. With these displacement elements 208, the carrier unit 200 can be moved according to the arrows marked 210, which are perpendicular to the drawing plane are moved perpendicular to the drawing plane.
Die beiden weiteren Verschiebungselemente 208 und 209 sind am gegenüberliegenden Ende der Trägereinheit 200 angeordnet, und zwar derart, dass die Trägereinheit 200 in der Zeichnungsebene von Fig. 18 entsprechend den mit 211 gekennzeichneten Pfeilen bewegt werden kann. Mithin wirken die Verschiebungselemente 208 und 209 auf zwei der parallel verlaufenden Oberflächen der Trägereinheit 200, während das Verschiebungselement 207 und sein Gegenstück auf die anderen zwei der parallel verlaufenden Oberflächen der quaderförmigen Trägereinheit 200 wirken.The two further displacement elements 208 and 209 are arranged at the opposite end of the carrier unit 200, in such a way that the carrier unit 200 can be moved in the plane of the drawing in FIG. 18 in accordance with the arrows labeled 211. Thus, the displacement elements 208 and 209 act on two of the parallel surfaces of the carrier unit 200, while the displacement element 207 and its counterpart act on the other two of the parallel surfaces of the cuboid carrier unit 200.
Für eine einwandfreie Kontaktierung derFor perfect contacting of the
Verschiebungselemente 207 bis 209 sind diese auf deren Aussenseite vorzugsweise mit einer Silberschicht versehen. Dies ermöglicht eine einfache Kontaktierung mit Steuerleitungen 220 bis 222 mittels bekannter Bonding- Technologie. Dazugehörend ist ein Referenzanschluss 223 zur Festlegung eines Referenzpotentials vorgesehen. Hierzu ist der Referenzanschluss 223 mit der Trägereinheit 200, vorzugsweise wiederum mittels der Bonding-Technologie, verbunden.Displacement elements 207 to 209 are preferably provided with a silver layer on the outside thereof. This enables simple contacting with control lines 220 to 222 by means of known bonding technology. Associated with this is a reference connection 223 for establishing a reference potential. For this purpose, the reference connection 223 is connected to the carrier unit 200, preferably again by means of the bonding technology.
Mit der beschriebenen Positionseinstellungsvorrichtung lässt sich der Mikrowellenstrahl um zwei Achsen kippen, so dass ein Kegel von ca. 2.5° abgefahren werden kann. Werden weitere Verschiebungselemente eingesetzt, die auf das dritte Oberflächenpaar der Trägereinheit 200 einwirken, so kann zusätzlich eine translatorische Bewegung in einer dritten Achse erwirkt werden.With the position adjustment device described, the microwave beam can be tilted about two axes, so that a cone of approximately 2.5 ° can be traversed. If further displacement elements are used which act on the third surface pair of the carrier unit 200, then a translatory movement in a third axis can also be achieved.
Bekanntlich werden Gunn-Dioden sowohl als Sende- als auch als Empfangseinheiten eingesetzt. Entsprechend wird die Mikrowelleneinheit 3 nicht nur zum Senden sondern in analoger Weise auch zum Empfangen von Mikrowellen eingesetzt .As is known, Gunn diodes are used both as transmitter and receiver units. Correspondingly, the microwave unit 3 is used not only for transmitting but also for receiving microwaves in an analogous manner.
Es wird nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung ein breites Spektrum von Anwendungsmöglichkeiten aufweist. Obwohl als Ausführungsbeispiel die nicht-invasive Bestimmung von Substanzen, d.h. von Glukose und Cholesterin, im menschlichen Körper angegeben worden ist, eignet sich die vorliegende Erfindung vorzüglich zur berührungslosen Bestimmung von beliebigen klinischen und/oder chemischen Parametern, wie sie einleitend in nicht-abschliessender Weise aufgeführt worden sind. In Anlehnung an die Aufzählung als mögliche klinische und/oder chemischeIt is once again expressly pointed out that the present invention has a broad spectrum of possible uses. Although the non-invasive determination of substances, i.e. of glucose and cholesterol, has been specified in the human body, the present invention is particularly suitable for the non-contact determination of any clinical and / or chemical parameters, such as those which were initially introduced in a non-exhaustive manner. Based on the enumeration as possible clinical and / or chemical
Parameter, welche mit dem erfindungsgemässen Verfahren bzw. der entsprechenden Vorrichtung bestimmt werden können, ergeben sich direkt die folgenden Anwendungen: - Analyseautomaten zur Bestimmung von klinischen Parametern bis hin zur DNA-Bestimmung; - Doping-Test bei sportlichen Veranstaltungen: Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt einen schnellen, nicht-invasiven Test; - Mobiles Alkoholtest: auch hier erweist sich die nicht- invasive Bestimmung von besonderem Vorteil;The following applications result directly from parameters which can be determined with the method according to the invention or the corresponding device: automatic analyzers for determining clinical parameters up to DNA determination; - Doping test at sporting events: The method according to the invention allows a quick, non-invasive test; - Mobile alcohol test: here, too, the non-invasive determination proves to be of particular advantage;
- In der Farbindustrie ist die genaue Zusammenstellung der jeweiligen Farbpigmente von besonderer Bedeutung; - Berührungsloses Bestimmen von Verunreinigungen im Abwasser: Durch das erfindungsgemässe Verfahren können StoffZusammensetzungen bestimmt werden, ohne dass Proben entnommen werden müssen. Hierdurch können auch hochgiftige Substanzen gefahrlos untersucht werden. - Für jedwede mikrobiologische Anwendung mit der Detektion von Viren oder Bakterien eignet sich die Erfindung vorzüglich, dabei ist es unerheblich, ob die zu bestimmenden Viren bzw. Bakterien in einem festen, flüssigen oder gasförmigen Medium enthalten sind. - Überprüfung von Schweissnähten: mit dem erfindungsgemässen Verfahren können Mikrorisse mit hoher Zuverlässigkeit detektiert werden. - In the color industry, the exact composition of the respective color pigments is of particular importance; - Non-contact determination of contaminants in wastewater: Using the method according to the invention, substance compositions can be determined without having to take samples. This means that even highly toxic substances can be examined safely. The invention is excellently suited for any microbiological application with the detection of viruses or bacteria. It is irrelevant whether the viruses or bacteria to be determined are contained in a solid, liquid or gaseous medium. - Inspection of weld seams: With the method according to the invention, micro cracks can be detected with high reliability.

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Verfahren zum Bestimmen von klinischen und/oder chemischen Parametern (Sl) in einem Medium (10), dadurch gekennzeichnet, - dass Mittel (2) zum Aussenden von kohärenten Lichtwellen (6) und Mittel (4) zum Empfangen von Lichtwellen (8) vorgesehen sind, - dass mindestens ein Teil der ausgesendeten Lichtwellen (6) in das Medium (10) abgegeben werden und - dass die Mittel (4) zum Empfangen von Lichtwellen (8) mindestens einen Teil von im Medium (10) reflektierten Lichtwellen (8) messen, wobei aufgrund der Eigenschaften der ausgesendeten und empfangenen Lichtwellen (6; 8) die Parameter (Sl) bestimmt werden.1. A method for determining clinical and / or chemical parameters (S1) in a medium (10), characterized in that - means (2) for emitting coherent light waves (6) and means (4) for receiving light waves (8 ) are provided that - at least some of the emitted light waves (6) are emitted into the medium (10) and - that the means (4) for receiving light waves (8) at least some of the light waves reflected in the medium (10) ( 8) measure, the parameters (S1) being determined on the basis of the properties of the emitted and received light waves (6; 8).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Frequenz- bzw. Wellenlänge der kohärenten Lichtwellen (6) entsprechend Charakteristika der zu bestimmenden Parameter (Sl) eingestellt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the frequency or wavelength of the coherent light waves (6) is set according to characteristics of the parameters to be determined (Sl).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (4) zum Empfangen von Lichtwellen (8) Frequenz- bzw. Wellenlängen-selektiv eingestellt werden.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the means (4) for receiving light waves (8) are set to frequency or wavelength selectively.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (2) zum Aussenden von kohärenten Lichtwellen (6) zum Erzeugen von Wellenlängen zwischen 400 bis 1400 nm betrieben werden.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the means (2) for sending out coherent light waves (6) for generating wavelengths between 400 to 1400 nm are operated.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Cholesterin als Parameter (Sl) bestimmt wird und/oder dass dessen Konzentration in Blut bestimmt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that cholesterol is determined as a parameter (S1) and / or that its concentration in blood is determined.
6. Verfahren zum Bestimmen von klinischen und/oder chemischen Parametern (S2) in einem Medium (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, - dass Mittel (3) zum Aussenden von Mikrowellen (7a) und Mittel (3) zum Empfangen von Mikrowellen (7b) vorgesehen sind, - dass mindestens ein Teil der ausgesendeten Mikrowellen (7a) in das Medium (10) abgegeben werden und - dass die Mittel (3) zum Empfangen von Mikrowellen (7b) mindestens einen Teil von im Medium (10) reflektierten Mikrowellen (7b) messen, wobei aufgrund der ausgesendeten und empfangenen Mikrowellen die Parameter (S2) bestimmt werden.6. A method for determining clinical and / or chemical parameters (S2) in a medium (10), in particular according to one of claims 1 to 5, characterized in that - means (3) for emitting microwaves (7a) and means ( 3) are provided for receiving microwaves (7b), - that at least a part of the emitted microwaves (7a) are emitted into the medium (10) and - that the means (3) for receiving microwaves (7b) at least a part of Measure microwaves (7b) reflected in the medium (10), the parameters (S2) being determined on the basis of the emitted and received microwaves.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Frequenz- bzw. Wellenlänge der zu sendenden Mikrowellen7. The method according to claim 6, characterized in that the frequency or wavelength of the microwaves to be transmitted
(7a) entsprechend Charakteristika der zu bestimmenden Parameter (S2) eingestellt wird.(7a) is set according to the characteristics of the parameters to be determined (S2).
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (3) zum Aussenden und Empfangen von Mikrowellen (7a, 7b) Pulse von einer Dauer zwischen 83 bis 133.3 ps erzeugen.8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the means (3) for sending and Receiving microwaves (7a, 7b) generate pulses lasting between 83 to 133.3 ps.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Glukose als Parameter (S2) bestimmt wird und dass dessen Konzentration in Blut bestimmt wird.9. The method according to any one of claims 5 to 8, characterized in that glucose is determined as a parameter (S2) and that its concentration in blood is determined.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Position eines Messpfades (100) mit Hilfe der Mittel (2) zum Aussenden von kohärenten Lichtwellen (6) und den Mittel (4) zum Empfangen von Lichtwellen (8) im Medium (10) festgelegt wird und dass die Bestimmung der Parameter (Sl, S2) auf den Messpfad (199) begrenzt wird.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that a position of a measurement path (100) using the means (2) for emitting coherent light waves (6) and the means (4) for receiving light waves (8) is defined in the medium (10) and that the determination of the parameters (S1, S2) is limited to the measurement path (199).
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (2) zum Aussenden von kohärenten Lichtwellen (6) zum Erzeugen von Lichtwellen im Infrarot- Bereich betrieben werden.11. The method according to claim 10, characterized in that the means (2) for emitting coherent light waves (6) for generating light waves in the infrared range are operated.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitpunkt einer im Messpfad (100) durchgeführten Messung aufgrund eines vorgebbaren Zeitsignals, insbesondere des Herzzyklus, festgelegt wird.12. The method according to claim 10 or 11, characterized in that a point in time of a measurement carried out in the measurement path (100) is determined on the basis of a predefinable time signal, in particular the cardiac cycle.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lasereinheit (2), eine Phototransistoreinheit (4) und eine Kontrolleinheit (1) vorgesehen sind, wobei die Kontrolleinheit (1) je mit der Lasereinheit (2) und der Phototransistoreinheit (4) wirkverbunden ist.13. Device for performing the method according to one of claims 1 to 12, characterized in that a laser unit (2), a phototransistor unit (4) and a control unit (1) are provided, the Control unit (1) is operatively connected to the laser unit (2) and the phototransistor unit (4).
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mikrowelleneinheit (3) vorgesehen ist, die mit der Kontrolleinheit (1) wirkverbunden ist.14. The apparatus according to claim 13, characterized in that a microwave unit (3) is provided which is operatively connected to the control unit (1).
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowelleneinheit (3) bzw. deren Sendevorrichtung in mindestens einer Ebene, vorzugsweise in zwei Ebenen, beweglich gelagert ist.15. The apparatus according to claim 14, characterized in that the microwave unit (3) or its transmitting device is movably mounted in at least one plane, preferably in two planes.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Phototransistoreinheit (4) einen Frequenz- bzw. Wellenlängen-sensitiven Einstellungsmodus aufweist.16. Device according to one of claims 13 to 15, characterized in that the phototransistor unit (4) has a frequency- or wavelength-sensitive setting mode.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz- bzw. die Wellenlänge der zu detektierenden Wellen (8) einstellbar ist.17. The apparatus according to claim 16, characterized in that the frequency or the wavelength of the waves to be detected (8) is adjustable.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeitpunkt einer im Messpfad (100) durchgeführten Messung aufgrund eines vorgebbaren Zeitsignals, insbesondere des Herzzyklus, festlegbar ist. 18. Device according to one of claims 13 to 17, characterized in that a point in time of a measurement carried out in the measurement path (100) can be determined on the basis of a predefinable time signal, in particular the cardiac cycle.
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