Photokolorimetrischer Lichtabnehmer für oxymetrische Apparate und dergleichen für das gleichzeitige Messen in zwei Spektralbereichen
Die vorliegende Erfindung betrifft einen photokolorimetrischen Lichtabnehmer, bei dem zwei elektrische Photoelemente aus einem und demselben Abschnitt der unter Messung stehenden Schicht beleuchtet werden. Bei den bisher bekannten Lichtabnehmen, welche besonders in Form von Ohrlappenlichtabnehmern in den sogenannten Oxymetern zur Feststellung von Schwankungen der Sauerstoffsättigung des Blutes auf unblutigem Wege (in vivo) angewandt werden, ist das Selenphotoelement gewöhnlich durch zwei die ganze Dicke der Kathodenschicht durchschneidende Furchen in drei selbständige Felder gegliedert. Dadurch entstehen drei selbständige Photoelemente mit gemeinsamer Anode. Die einzelnen Photoelemente sind mit verschiedenfarbigen Lichtfiltern bedeckt.
Das mittlere Element von kleinster Fläche dient zum Messen im roten Spektralbereiche, während die beiden seitlichen, elektrisch parallel geschalteten Elemente, von einer bedeutend grösseren Fläche, zum Messen im tiefroten Spektralbereiche dienen. Das Messen in beiden Spektralbereichen erfolgt entweder voneinander unabhängig oder am häufigsten simultan und auch verkoppelt unter Benützung irgendeiner Kompensationsschaltung zwecks automatischer Kompensation der optischen Schichtdickenvariation.
Diese bekannte Anordnung ist mit vielen Nachteilen verbunden. Vor allem ist die Herstellung ziemlich anspruchsvoll. Die Aufgliederung des Photoelementes durch die zwei Furchen auf drei Teile in genauem Wirkungsgradverhältnis muss vom geübten Arbeiter individuell auf jedem einzelnen Element durchgeführt werden. Durch die Aufgliederung des Elementes sinkt oft der Wirkungsgrad der einzelnen Teile unproportional herab, und dadurch steigen die Ansprüche auf die benützten Messgeräte bis zum höchsten Empfindlichkeitsgrad von 10-10 A. Da der metallisierte, sich am Rande des Photoelementes befindende Kontaktstreifen für die Kathodenschicht durch die Furchen geteilt werden muss und den einzelnen Teilen des ursprünglichen Photoelementes, je nach der Grösse verschieden grosse Kontaktflächen entsprechen, lässt sich eine komplette Störungsfreiheit der Kontakte nicht immer erzielen.
Nach der Herstellung der Furchen muss die Schutzlackschicht sorgfältig verbessert werden, und wenn dies nicht mit genügender Genauigkeit geschieht, werden die Resultate beim Messen durch Feuchtigkeit beeinflusst, oder wird das Photoelement durch zufällig eingedrungene Quecksilberdämpfe (auch in Spuren) vernichtet.
Die gemeinsame Anode aller drei Teile des Photoelementes erlaubt nur derartige Kompensationsschaltungen des Oxymeters, bei denen nur miteinander eingeschaltete Anoden vorkommen.
Laut vorliegender Erfindung werden die erwähnten Nachteile dadurch behoben, dass zwei verschiedene, selbständige Photo elemente aufeinander angeordnet sind, wobei das obere Element derart ausgebildet ist, dass es einen Teil des Lichtstromes auf die Kathode des untern Photoelementes fallen lässt.
Die beiliegende Zeichnung veranschaulicht zwei Beispiele einer konkreten Ausführung des Erfindungsgegenstandes.
Fig. 1 zeigt als erste Ausführungsform einen vertikalen Schnitt durch einen Lichtabnehmer mit einer einzigen zentralen Öffnung im obern Photoelement.
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform des Lichtabnehmers mit mehreren Öffnungen im obern Photoelement, und die Fig. 3 veranschaulicht den Durchgang von Lichtstrahlen durch die Elemente des Lichtabnehmers laut Fig. 2 in schematischer Ansicht.
Bei der Ausführung laut Fig. 1 ist das obere Photoelement mit der Kathode 1 und Anode 2 mit einem infraroten Lichtfilter 3 bedeckt und dient zum Messen im Wellenlängsbereiche von 800 Millimicron.
Es ist für diesen tiefroten Spektralbereich empfindlich gemacht. In der Mitte des Elementes befindet sich eine zentrale Öffnung 4, die kreisförmig ist oder irgendeine andere günstige Form und Lage hat. Die Grösse der Öffnung beträgt gewöhnlich etwa 115 der Wirkungsfläche des unperforierten Photoelementes.
Durch diese Öffnung 4 fällt das Licht auf das untere Photoelement mit der Kathode 5 und Anode 6, welches vom gewöhnlichen Empfindlichkeitstyp ist und einen roten Lichtfilter 7 trägt. Dieses untere Element wird zum Messen im Wellenlängengebiet von etwa 660 Millimicron angewandt. Zwischen den beiden Elementen und den Filtern befinden sich die Kontaktfederringe 8, 9 für die Kathoden 1 und 5 und die Kontaktfederringe 10, 11 für die Anoden 2 und 6. Die rohrförmige Einlage 12 in der Öffnung 4 des obern Photoelementes verhindert die Beleuchtung des untern Elementes mit unfiltriertem Licht von der Seite her. Das ganze System ist in einem Gehäuse montiert, welches zusammen mit einer Beleuchtungseinrichtung den kompletten oxymetrischen Lichtabnehmer darstellt. Durch das Einschalten des Abnehmers auf Mess- oder Registriergeräte entstehen oxymetrische Apparaturen von verschiedenen Typen.
Die Vorteile des beschriebenen Lichtabnehmers sind: vor allem erhöhte Lichtempfindlichkeit und deshalb kleinere Dimensionen des Lichtabnehmers bei unerhöhten Ansprüchen auf die Messgeräte und weiter die Benützung von bedeutend schmälerem Lichtbündel beim Messvorgang, wobei die Genauigkeit der Messung erhöht wird. Die Herstellung ist einfach unter Benützung von Lichtfiltern und Kontaktfedern von Standardgrösse. Die Standardgrösse der Kontaktfeder gewährleistet die Störungsfreiheit der Kontakte. Die anspruchsvolle Gliederung der Kathodenschicht fällt weg, und die getrennten Anoden bieten weitere Möglichkeiten von elektrischen Kompensationsschaltungen.
Bei der zweiten Ausführungsform laut Fig. 2 ist das obere photoelektrische Element 13, 14 siebförmig mit Öffnungen 15 versehen, durch welche das untere Photo element 16, 17 beleuchtet wird Die Öffnungen 15 im Photoelement sind kreisförmig und siebartig angeordnet, oder sie können eine andere günstige regelmässige oder unregelmässige Form und Anordnung haben. Das Wirkungsflächenverhältnis der Öffnungen zur Wirkungsfläche des siebartigen Photoelementes steht im Verhältnis der spezifischen Lichtabsorptionen der zu messenden Schicht (Gewebes) für die beiden Wellenlängen und im Verhältnis der Empfindlichkeiten der Photoelemente für dieselben. Beide Photoelemente 13, 14 und 16, 17 mit den entsprechenden Lichtfiltern 18 und 19 und Kontaktfedern 20, 21, 22, 23 sind in einem flachen Gehäuse montiert.
Fig. 3 zeigt schematisch den Durchgang der Lichtstrahlen (B, C) durch die einzelnen Elemente des Lichtabnehmers. Das obere Photoelement hat mehrere, siebartig angeordnete Öffnungen 24 zwecks Korrektion des durch die Unregelmässigkeiten des durchleuchteten Gewebes verursachten Messfehlers, wie unten beschrieben wird.
Der Hauptvorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass sie in grösseren Dimensionen hergestellt werden kann, ohne dass sich der durch Gewebsunregelmässigkeiten bedingte Messfehler geltend macht, der allen bisher bekannten oxymetrischen Lichtabnehmern mit nebeneinander angeordneten Photoelementen gemein ist, und deshalb stellt der Lichtabnehmer laut Erfindung kleinere Ansprüche auf die Empfindlichkeit der Messgeräte. Bei den bisher bekannten Lichtabnehmern entsteht der erwähnte Messfehler dadurch, dass die nebeneinander angeordneten Photoelemente von zwei verschiedenen, nebeneinander liegenden Abschnitten der unter Messung stehenden Schicht (des Gewebes) aus beleuchtet werden. Die morphologischen und deshalb auch die optischen Unregelmässigkeiten besonders des lebenden Gewebes, z.
B. grössere Blutgefässe, verursachen bei den bisherigen Lichtabnehmerausführungen eine unregelmässige Beleuchtung der Photo elemente, wobei theoretisch die Geltung des Lambert-Beerschen Gesetzes, das bei der Photometrie in vivo nur annähernd gilt, vollkommen aufgehoben wird und praktisch ein unberechbarer und unabschätzbarer Messfehler entsteht. Die bisherigen zur Korrektion dieses Fehlers entworfenen Lichtabnehmerausführungen, wie z. B. die von Taplin, Saville und Paul sind wegen komplizierter und raumsperrender optischer Teile schwer praktisch durchführbar.
Bei einem weiteren Entwurf der zit. Autoren, bei dem eine Aufgliederung des Photoelementes in Bändchen oder Segmentform entworfen wird, ist die Korrektion des Messfehlers unvollkommen und von der Orientierung der Bändchen oder Kreissegmente zu den Unregelmässigkeiten der zu messenden Schicht, im lebenden Gewebe besonders zu dem Blutgefässverlauf, abhängig. Da die Aufgliederung durch Furchen geschehen muss, und die Lichtfilter müssen sich teilweise überdecken, ist die Empfindlichkeit nach Angaben der zit. Autoren um 28% bei der Bändchen- und um 38% bei der Segmentform herabgesetzt. Da das einzige Element nur in reinem Wellenlängenbereiche relativ maximal empfindlich sein kann, wird die Empfindlichkeit des Lichtabnehmers im ganzen noch weiter herabgesetzt und die Ansprüche auf die Empfindlichkeit der Messgeräte enorm gesteigert.
Bei den bisherigen oxymetrischen Apparaturen machen sich die Unregelmässigkeiten des durchleuchteten Gewebes nicht nur in dem beschriebenen Messfehler geltend, sondern auch in grosser Instabilität des Messgerätes, wenn während der Messung sich der Lichtabnehmer auf dem Gewebe auch wenig bewegt. Deshalb sind verschiedene Zusatzgeräte zum Festhalten des Lichtabnehmers entworfen worden.
Die beschriebene siebartige Anordnung des Photoelementes gewährleistet die höchste und konstante Korrektion des durch die unregelmässige Beleuchtung entstehenden Messfehlers, unabhängig von der Orientation des Photoelementes zu den Ungleichmässigkeiten der zu messenden Schicht.
Die Instabilität des Messgerätes, die aus denselben Gründen wie der erwähnte Messfehler entsteht und durch die Bewegungen des Lichtabnehmers während der Messung verursacht wird, ist durch die siebartige Anordnung des Photo elementes ebenfalls korrigiert, und deshalb sind eventuelle Zusatzgeräte zum Festhalten des Lichtabnehmers nicht nötig. Dabei ist auch die Empfindlichkeit höher als bei einem einzigen Photoelement gleicher Grösse, weil sie durch die Kombination von zwei verschieden empfindlichen Photoelementen gesteigert wird.