CN101598662B - 用于测量样本的散射性和/或吸收性和/或折射性的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于测量样本的散射性和/或吸收性和/或折射性的装置，该装置具有射束源、至少一个接收元件、光学成像元件和保护元件，射束源和接收元件设置在光学成像元件的传感器侧，保护元件设置在成像元件的样本侧并与成像元件相邻，射束源、成像元件和接收元件彼此如此设置，即，接收元件能接收定向传送和/或镜面反射的样本射束。本发明的任务在于至少部分地避免已知测量装置的测量不准确性。根据发明，折射射束源和折射接收器设在成像元件的传感器侧并相对于成像元件如此设置，即，折射接收器能接收样本的在保护元件的样本侧的临界面上镜面反射的折射射束，而在保护元件的成像元件侧的临界面上镜面反射的射束不会被折射接收器接收。

Description

用于测量样本的散射性和/或吸收性和/或折射性的装置
技术领域
本发明涉及一种用于测量样本的散射性和/或吸收性和/或折射性的装置，该装置具有射束源、至少一个接收元件、光学成像元件和保护元件，其中，射束源和接收元件设置在光学成像元件的传感器侧，其中，保护元件设置在成像元件的样本侧并且与成像元件相邻，并且，射束源、成像元件和接收元件彼此之间如此设置，即，接收元件可以接收定向传送和/或镜面反射的样本射束。
背景技术
有关类型的测量装置早已被公开，并且例如在分析化学以及环境监控、质量监控和过程监控领域中应用。这种装置以封装形态作为测量探测头被公开，在待监控过程中使用该测量探测头，同样可以在更大的测量设备范围内使用这种装置，所述测量设备例如具有样本室用于接纳待检验的样本。
DE 199 20 184 A1例如公开了一种用于测量基本不透明样本的漫反射和镜面反射的装置，并且DE 10 2004 018 754 A1公开了一种用于测量样本的散射性和吸收性的装置，其中，优先考虑对基本透明的样本的检验。这些装置的共同之处至少在于，由射束源发射的射束发散地射在成像元件例如透镜上，并且由成像元件准直成射束。可以将这种平行射束施加到固态、液态或者气态的样本。在透明样本中，射束穿过样本并且被反射器再次反射回至成像元件，也就是说，射束两次穿过样本。在不透明样本中，发射的射束从样本镜面反射或者发散地返回并因此通过成像元件沿返回方向射在接收元件上。
射束源、成像元件和接收元件彼此之间如此设置，即，接收元件可以接收定向传送和/或镜面反射的样本射束。然而在根据现有技术已知的测量装置中，不仅传送和/或镜面反射的样本射束，而且基本不定向地来自样本的散射射束也被施加到接收元件。
为了能够将由接收元件接收的散射射束与由接收元件接收的发送和/或镜面反射的样本射束区分开来，设置附加的散射射束接收元件，该散射射束接收元件整体性地如此设置在测量装置内，即，基本上可以向散射射束接收元件仅施加散射射束，而不可以向散射射束接收元件施加发送和/或镜面反射的样本射束。从而可以在将由散射射束接收元件确定的散射射束考虑在内的情况下从由接收元件确定的整体射束来确定发送和/或镜面反射的样本射束的高度。
如果要让已知装置同时或者互不相同地接收且确定发送和镜面反射的样本射束，则不仅单个接收元件是必要的，而且另外的接收元件也是必要的，其中的用处是，可以向这两个接收元件中的每个基本上仅施加发送的样本射束或者基本上仅施加镜面反射的样本射束，其中可以如从前述实施方式中得出的那样附加地向这两个接收元件施加散射射束。
在已知装置中，射束源和接收元件设置在射束及接收平面内，射束及接收平面垂直于成像元件的光学轴线，并且基本与成像元件保持相当于成像元件的焦距预定的距离。在该前提下，在一个接收元件或者多个接收元件的情况下能够产生射束源的聚焦图像，因此，经不同光学路径延伸的射束在成像方面是良好地相互分离的。
然而在实践中证明，在应用设置在成像元件的样本侧并且通常形成该装置的传感器部分和该装置的样本部分之间的透明分离层的保护元件时，出现测量样本的散射性和/或吸收性和/或折射性的不准确性。
发明内容
从此出发本发明的任务在于提供一种装置，其中至少部分地避免已知的用于测量样本的散射性和/或吸收性和/或折射性的装置的测量不准确性。
根据本发明已知的是，在借助尤其是设置在射束和接收平面内的接收器来测量样本的折射的信号即由镜面反射的样本射束引发的信号时，会出现各种有缺点的效应。
一方面已知，镜面反射可能无法清晰地分离，所述镜面反射一方面是保护元件的成像元件侧的临界面镜面反射，另一方面是保护窗(Schutzfenster)的样本侧的临界面镜面反射，其中，后一种反射表征了样本的折射性。视成像元件侧的临界面是否被降低光学反射系数(entspiegeln)而定，由保护元件的两个临界面导致的反射的叠加不同程度地消失。
另一方面根据本发明已知的是，装置在以反射器测量透明样本时具有如下的缺点，即，发送的射束被转向“保护元件的样本侧的临界面的镜面反射也位于其内的”区域中。在这里，发送的射束干扰地叠加镜面反射的使用信号。
根据本发明首先并且基本上在所述装置中如此解决上述任务，即，折射射束源和折射接收器如此设置在成像元件的传感器侧，并且相对于成像元件如此设置，即，对于折射接收器而言，样本的在保护元件的样本侧的临界面上镜面反射的折射射束基本上是能被接收的，而在保护元件的成像元件侧的临界面上镜面反射的射束基本上是不能被折射接收器接收的。通过折射射束源和折射接收器的根据本发明的设置方式，确保了所感兴趣的、样本的在保护元件的样本侧的临界面上镜面反射的散射射束不叠加在保护元件的成像元件侧的临界面上镜面反射的射束，从而能够选择性地确定样本的折射射束。如果涉及“折射射束源”和“折射接收器”，则与此相关地意味着，该射束源和配属于该射束源的接收器用于确定样本的折射射束，而并不意味着，折射射束源或者折射接收器自身基于折射效果或者该效果本身对于折射射束源或者折射接收器具有决定性的意义。
在本发明的一个优选构造方式中，折射射束源与成像元件的光学轴线的间距大于射束源与成像元件的光学轴线的间距，其中特别优选的是，折射接收器与成像元件的光学轴线的间距大于接收元件与成像元件的光学轴线的间距。通过这个方法实现了传送的射束尤其不会叠加样本的镜面反射的折射射束的有用信号(Nutzsignal)。由折射射束源发射并且被折射接收器接收的射束的射束路径在一定程度上环绕由射束源发射并且被接收元件接收并发送的样本射束的射束路径。
根据本发明的另一构造方式，折射射束源设置在射束源和成像元件之间，并且附加或者另选的是，折射接收器与成像元件的距离比接收元件与成像元件的距离更远。通过这个办法显著改善了镜面反射的折射射束和折射接收器上的散射射束的信噪比，这是因为未定向的散射射束从散射射束的起点开始以距离的平方衰减，然而定向的折射射束不受这种距离定律的影响。
在本发明的另一优选构造方式中，折射射束源发射至少一个预定波长的射束，其中，折射接收器尤其对折射射束源的射束特别敏感，这例如可以通过相应的光学的过滤器实现。通过这种构造方式保证了折射接收器决定性地仅接收样本的由折射射束源发射并在保护元件的样本侧的临界面上镜面反射的折射射束，由此再次改善信噪比。
在装置的另一有利构造方式中设置了散射接收器，并且如此设置，即，基本上可以向散射接收器施加样本的散射射束，并且特别是基本上不可以向散射接收器施加样本的镜面反射的折射射束。与此相关地在装置的一个特别有利构造方式中规定，如此配置装置，即，应用由散射接收器接收并确定的散射射束以补偿可以被折射接收器接收的散射射束。该补偿尤其是通过由折射接收器接收并确定的射束减去由散射接收器接收并确定的散射射束的加权部分来实现，在这里射束是全体射束，该全体射束包括散射射束。由散射接收器接收并确定的散射射束的加权部分意指，由接收器和散射接收器确定的射束以及相对应的输出信号必须相互配合，在这里要考虑例如两个接收器的不同接收面、不同放大性以及不同位置。
在本发明的一个特别有利的构造方式中，至少一个散射接收器设置在成像元件的传感器侧并且与成像元件相邻，其中，散射接收器指向样本并且优选设置在成像元件的外边缘上。如此设置散射接收器是有利的，即，散射接收器不位于定向的射束路径内，并且因此能够完全自动地仅被施加散射射束，其中，由于散射接收器直接靠近成像元件，因此散射射束出现尽可能最小的衰减，这是因为几乎尽可能最小地选择了散射接收器与散射射束出现的地点的距离。
附图说明
具体来讲，可以采用各种方法来设计和改进根据本发明的装置。为此，一方面参考引用权利要求1的那些权利要求，另一方面结合附图参考以下描述的实施例。附图中：
图1示出根据本发明装置的第一实施例，所述装置用于同步地测量样本的散射性和/或吸收性和/或折射性；以及
图2示出基于根据图1的装置的另一补充实施例。
具体实施方式
图1和图2分别示出根据本发明的测量装置1的一个实施例，测量装置1用于测量样本2的散射性和/或吸收性和/或折射性。该装置具有射束源3、接收元件4、透镜形式的光学成像元件5以及保护元件6。射束源3和接收元件4设置在光学成像元件5的传感器侧，而保护元件6设置在成像元件5的样本侧并且与成像元件5相邻。保护元件6如此保护装置1，即，防止样本2侵入装置1的传感器侧部分即防止侵入所述装置的包围射束源3、接收元件4和光学成像元件5的部分。射束源3、成像元件5和接收元件4整体来说在相互之间是如此设置的，即，接收元件4可以接收到定向发送的样本射束7。
此外，在根据图1和图2的装置1中，折射射束源8和折射接收器9设置在成像元件5的传感器侧，并且相对于成像元件5如此设置，即，对于折射接收器9而言，样本2的在保护元件6的样本侧的临界面10上镜面反射的折射射束11基本上是能够被接收的，而在保护元件6的成像元件侧的临界面12上镜面反射的射束13基本上是不能被折射接收器9接收的。通过测量装置的这种构造方式，可以在保护元件6的样本侧临界面10上镜面反射的折射射束11和在保护元件6的成像元件侧临界面12上镜面反射的射束13之间实现清晰分离，这是因为折射接收器9仅被施加了样本2在保护元件6的样本侧临界面10上镜面反射的折射射束11，并且在工作中仅被施加了该射束。在所示装置1中，有利的是不必对保护元件11的进行降低反射系数(Entspiegelung)，尤其是不必对保护元件6在成像元件侧的临界面12上进行降低反射系数，这带来价格优势。
在所示实施例中，折射射束源8与成像元件5的光学轴线14的间距大于射束源3与成像元件5的光学轴线14的间距，并且折射接收器9与成像元件5的光学轴线14的间距大于接收元件4与成像元件5的光学轴线14的间距。由此实现了，由折射射束源8发射且在保护元件6样本侧临界面10上镜面反射的折射射束11的射束路径大部分在由射束源3发射且通过样本2发送的样本射束7的射束路径之外延伸，从而所发送的样本射束7尤其不会被施加到折射接收器9。
在所示实施例中同样有利的是，折射射束源8设置在射束源3和成像元件5之间，即，更靠近样本2，并且入射样本2的射束强度相应地更强。同样有利的是，折射接收器9与成像元件5的距离比接收元件4与成像元件5的距离更远。由此实现了样本2的也有可能施加到折射接收器9的散射射束15仅具有非常小的强度，这是因为未定向的散射射束15从其起点开始以距离的平方衰减。
图2示出了装置1，在此反射器16如此设置在成像元件5的样本侧，即，射束源3发射的射束穿过透明样本2，并且该射束在反射器16上反射之后被施加到接收元件4。这种设置方式的优点在于，发送的射束能够在传感器侧生成，因此能够非常紧凑地构造装置1的一种可行的、这里未详细示出的壳体。
在所示实施例中，折射射束源8发射至少一个预定波长的射束，其中，折射接收器9对折射射束源8的该射束特别敏感，这在所示实施例中通过未详细示出的光学滤波器实现。通过这个办法还能够改善由保护元件6的成像元件侧临界面12镜面反射的射束13与散射射束15的信噪比。
在图1和图2中还示出，在装置1中设置了至少一个散射接收器18a、18b，并且如此设置，即，基本上可以向散射接收器18a、18b施加样本2的散射射束15，并且尤其基本上不可以向散射接收器18a、18b施加样本2的镜面反射的折射射束11。由此可以判断散射射束15的高度，散射射束15不仅施加到散射接收器18a、18b而且施加到接收元件4或者折射接收器9。此外，如此安排装置1的所示实施例，即，应用由散射接收器18a、18b接收并确定的散射射束15以补偿可以被折射接收器9接收的散射射束15。“补偿”首先在这里被理解为以计算或信号方式校正由散射接收器9确定的射束强度，尤其是通过由折射接收器9接收的整体射束减去由散射接收器18a、18b接收并确定的散射射束15的加权部分来进行计算/信号方式的校正。
被证实的有利之处在于，散射接收器18a靠近或者设置在成像元件5的光学轴线14上，其中，在所示实施例中，散射接收器18a尤其比射束源3和接收元件4更靠近成像元件5的光学轴线14。在此，散射接收器18a与成像元件5的距离与射束源3和接收元件4与成像元件5的距离相等，接收元件4基本上也位于通过成像元件5焦距限定的距成像元件5的距离之内。
更为有利的是，如图2所示，散射接收器18b设置在成像元件5的传感器侧并且与成像元件5相邻，其中，散射接收器18b指向样本2，并且设置在成像元件的外边缘上。由于散射接收器18b相对更接近样本2，散射射束15仅少量衰减，至少明显比在将散射接收器设置在射束源3或者接收元件4区域内的情况下衰减得更小，这是因为未定向发射的散射射束15从其起点起以距离的平方衰减，并且在与样本2相去较远的地方，散射射束15强度很小，并且由此是可确定的。

Claims (13)

1.一种用于测量样本(2)的散射性和/或吸收性和/或折射性的装置，所述装置具有射束源(3)、至少一个接收元件(4)、至少一个光学成像元件(5)和至少一个保护元件(6)，其中，所述射束源(3)和所述接收元件(4)设置在所述光学成像元件(5)的传感器侧，其中，所述保护元件(6)设置在所述成像元件(5)的样本侧并且与所述成像元件(5)相邻，并且，所述射束源(3)、所述成像元件(5)和所述接收元件(4)彼此之间如此设置，即，所述接收元件(4)能够接收定向发送和/或镜面反射的样本射束(7)，
其特征在于，
折射射束源(8)和折射接收器(9)设置在所述成像元件(5)的传感器侧并且相对于所述成像元件(5)如此设置，即，对于所述折射接收器(9)而言，所述样本(2)的在所述保护元件(6)的样本侧的临界面(10)上镜面反射的折射射束(11)基本上是能够被接收的，而在所述保护元件(6)的成像元件侧的临界面(12)上镜面反射的射束(13)基本上是不能被所述折射接收器(9)接收的，其中所述折射射束源(8)设置在所述射束源(3)和所述成像元件(5)之间，并且/或者所述折射接收器(9)与所述接收元件(4)相比距离所述成像元件(5)更远。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述折射射束源(8)与所述成像元件(5)的光学轴线(14)的间距大于所述射束源(3)与所述成像元件(5)的光学轴线(14)的间距，并且/或者所述折射接收器(9)与所述成像元件(5)的光学轴线(14)的间距大于所述接收元件(4)与所述成像元件(5)的光学轴线(14)的间距。
3.根据权利要求1至2之一所述的装置，其特征在于，反射器(16)如此设置在所述成像元件(5)的样本侧，即，从所述射束源(3)发射的射束穿过至少部分透明的样本(2)并且被施加到所述接收元件(4)。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述折射射束源(8)发射至少一个预定波长的射束。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述折射接收器(9)对所述折射射束源(8)的射束特别敏感，其中，所述折射接收器(9)具有光学的过滤器。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，设置了至少一个散射接收器(18a、18b)，并且如此设置，即，所述样本(2)的散射射束(15)基本上能够被施加到所述散射接收器(18a、18b)，并且所述样本(2)的镜面反射的折射射束(11)基本上不能被施加到所述散射接收器(18a、18b)。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，应用由至少一个散射接收器(18a、18b)接收并确定的散射射束(15)以补偿可被所述折射接收器(9)接收的散射束(15)。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，通过由所述折射接收器(9)接收的射束减去由所述散射接收器(18a、18b)接收并确定的散射射束(15)的加权部分来实施所述补偿。
9.根据权利要求6至8之一所述的装置，其特征在于，所述至少一个散射接收器(18a)靠近或者设置在所述成像元件(5)的光学轴线(14)上。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述至少一个散射接收器比所述射束源(3)和/或所述接收元件(4)更靠近所述成像元件(5)的光学轴线(14)。
11.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述散射接收器(18a)与所述成像元件(5)的距离与所述射束源(3)和/或所述接收元件(4)与所述成像元件的距离基本上是相等的。
12.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述至少一个散射接收器(18b)设置在所述成像元件(5)的传感器侧并且与所述成像元件(5)相邻，其中，所述散射接收器(18b)指向所述样本(2)。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述散射接收器(18b)设置在所述成像元件(5)的外边缘上。
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