DD142251A1 - Optisches system mit mehrfacher reflexion - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des optischen Gerätebaus. Das Ziel der Erfindung ist es, die Lichtstärke des Systems zu erhöhen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System mit mehrfacher Reflexion zu entwickeln, bei dem eine höhere Lichtstärke durch eine besondere konstruktive Ausführung der fokussierenden Spiegelgruppe erreicht wird. Das optische System mit mehrfacher Reflexion enthält gegenüberliegende Reflexionselemente. An einem Reflexionselement schließen sich der Eintrittsspalt 1 und der Austrittsspalt 2 an. Dieses Element ist aus zwei gleichen Spiegeln 5, 6 hergestellt, die eine symmetrisch zu einem dar Spalte liegende Spiegelgruppe bilden. Die anderen Spiegelelsraente sind aus zwei Konkavspiegeln 5, 6 mit verschiedenen geometrischen Abmessungen hergestellt. Der Abstand zwischen der Gruppe aus gleichen Spiegeln 5, 6 und den Konkavspiegeln 3, 4 sowie die Brennweite des kleineren Konkavspiegels 4 sind um das 1,5fache gx*ößer als die Brennweite des größeren Konkavspiegels 3. Die Erfindung kann mit Vorteil in der Infrarofc-Spektroohotoxnetrie angewandt werden». -■ Fig.1 -

Description

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Optisches System mit mehrfacher Reflexion

Die Erfindung bezieht sich auf den optischen Gerätebau und betrifft insbesondere optische Systeme mehrfacher Reflexion.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung kann am vorteilhaftesten in der Infrarot-Spektralphotoaietrie angewandt werden. Darüber hinaus kann, die Erfindung bei den optischen Gasanalysatoren, wie sie zur schnellen Analyse komplizierter Gasgemische eingesetzt werden, ihre Anwendung finden, insbesondere zur quantitativen Bestimmung der Luftverschmutzung, die im Zusammenhang mit dem aktuell gewordenen Problem des Umweltschutzes besonders an Bedeutung gewonnen hat.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bereits bekannt, die Empfindlichkeit der auf dem Absorptionsprinzip beruhenden Meßverfahren in der Spektralphotometrie dadurch zu erhöhen, daß man die Strahlung mehrfach durch die absorbierende Schicht mit geringsten Verlusten überträgt« Hierzu verwendet man verschiedene Spiegelkombinationen, die) den von einer Lichtquelle erzeugten Lichtstrom, durch, das absorbierende Medium mit geringsten Verlusten leiten.« Der Anwendungsbereich der Spiegelsystem© mit mehrfacher

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Reflexion ist außerordentlich weit und erstreckt sich, von den einmaligen Hochtemperatur-Meßeinrichtungen zur Untersuchung schwerflüchtiger Verbindungen bis zu den serienmäßig hergestellten Spektralapparaten. . .

Zu einem modernen kompletten Infrarot-Spektralphotometer aller Arten gehören heute Küvetten mit großer optischer Weglänge, die zur Untersuchung der Gase eingesetzt werden, die in sehr kleinen Konzentrationen auftreten oder sehr schwache Absorptionslinien aufweisen. Solche Küvetten sind sowohl zur qualitativen als auch zur quantitativen Gasanalyse geeignet.

Es ist ein optisches Mehrgangsystem bekannt, das einen Objektivspiegel mit der Brennweite f an einer Seite, zwei schräg zueinander stehende Feldspiegel an der gegenüberliegenden Seite sowie die sich an diesen anschließenden Eintritts- und AustrittsspaIt enthält (siehe beispielsweise J. Opt, Soc. Am. 19²I-O. V30, p.338). Als Feldspiegel werden Planspiegel eingesetzt. Der Objektivspiegel wird im Abstand der zweifachen Brennweite von den Planspiegeln angeordnet.

Bei diesem optischen System werden die äußeren Bündel bei der Fokussierung der Zwischenbilder auf den ebenen Flächen nicht konvergiert, so daß ein beträchtlicher Teil der Strahlung nach mehrfacher Reflexion außerhalb der Objektivspiegelkanten zerstreut wird (Vignettierung der schiefen Bündel).

Es ist weiterhin ein optisches System mehrfacher Reflexion mit gegenüberliegenden Spiegelelementen bekannt, bei dem an einem der Reflexionseleinente sich der Bin- und der Austrittsspalt anschließen, während die anderen Reflexionselemente aus zwei Konkavspiegeln gebildet werden. Das Reflexionselement, an dem sich der Ein- und der Austrittsspalt anschließen» ist ebenfalls als ein Konkavspiegel ausgebildet, wobei alle Spiegel die gleiche Brennweite haben und der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Spiegeln ihre zweifache Brenm^eite der Spiegel.

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Dieses bekannte optische System erzeugt ein System zusammenhängender Bilder auf den Reflexionsflächen. Bei einem vierfachen Durchgang der Strahlen überträgt der erste im Strahlengang liegende Konkavspiegel das Bild des durch eine Lichtquelle beleuchteten EintrittsspaItes auf die Fläche des gegenüberliegenden Konkavspiegels· Dieser Spiegel bildet den ersten Konkavspiegel auf dem sich an ihm anschließenden zweiten Konkavspiegel ab, der das Zwischenbild des Eintrittsspaltes seinerseits von dem gegenüberliegenden Konkavspiegel auf den Austrittsspalt des Systems zurückwirft.

Bei der Änderung des Winkels zwischen den dem Bin- und dem Austrittsspalt gegenüberliegenden Spiegeln wird im System ein mehrfacher (mehr als vierfacher) Strahlendurchgang erzielt· Dieses System versagt aber schon bei geringen Störungen der Justierung.

Außerdem reicht die Lichtstärke des bekannten Systems für die meisten Untersuchungen im Infrarotbereich des Spektrums nicht ausj da die dem Ein- und dem Austrittsspalt gegenüberliegenden Konkavspiegel bei ihm gleich sind, und die Lichtstärke im direkten Zusammenhang mit den geometrischen Abmessungen des ersteren im Strahlengang liegenden Konkavspiegels steht.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es_$ die Lichtstärke des Systems zu erhöhen»

Darlegung des Wesens der Erfindung;

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System mit mehrfacher Reflexion zu entwickeln, dessen Licht= stärke durch besondere konstruktive Gestaltung der dem Ein- und dem Austrittsspalt gegenüberliegenden Konkavspiegel er-'höht wird*

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Das gestellte Ziel wird dadurch erreicht, daß bei einem optischen System mit mehrfacher Reflexion, das gegenüberliegende Reflexionselemente enthält, wobei an. einem Reflexionselement sich der Sin- und der AustrittsspaIt anschließen und die anderen Reflexionselemente aus zwei Konkavspiegeln bestehen, die Konkavspiegel verschiedene geometrische Abmessungen haben und das Reflexionselement, an dem sich der Ein- und der Austrittsspalt anschließen, aus zwei gleichen Spiegeln besteht, die eine symmetrisch gegenüber dem einen von den Spalten liegende Spiegelgruppe bilden, wobei der Abstand zwischen der Gruppe aus gleichen Spiegeln und den Konkavspiegeln sowie die Brennweite des kleineren Konkavspiegels etwa um das 1,5fache größer als die Brennweite des größeren Konkavspiegels ist«

Das erfindungsgemäße optische System hat eine höhere Lichtstärke und geringere Aberration· Dieses optische System läßt weiterhin optische Weglängen erreichen, die um das 1,5fsche größer sind als diejenigen bei den Küvetten mit gleichbleibendem Strahlendurchgang und vorgegebenen Abmessungen in Anwendung an übliche Infrarot-Spektralphotometer. Die günstige Spiegelanordnung ermöglicht es, die Küvetten aus üblichen zylindrischen Rohrstücken anstatt aus Kammern mit komplizierter Gestaltung herzustellen. Dies ist besonders wichtig für die Gasküvetten, die unter Überdruck arbeiten sollen. Weiterhin wird bei dem erfindungsgemäßen optischen System der ganze Querschnitt der Küvette vollständig mit den Lichtbündeln ausgefüllt. Das optische System nach der Erfindung kann als eine universell anwendbare Mehrgangküvette bei verschiedenartigen Infrarot-Spektrophotometern eingesetzt werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der dazugehörigen Zeichnung zeigen:

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Fig. 1: eine erfindungsgemäße Küvette mit mehrfacher

Strahlenreflexion im Längsschnitt, Fig· 2: einen Schnitt nach der Linie II-II 'der Küvette der

Fig. 1, Fig. 3i einen Schnitt nach der Linie III-III der Küvette der Fig. 1.

Das optische System mit mehrfacher Reflexion wird nachstehend am Beispiel einer mehrfach reflektierenden Küvette näher beschrieben.

Die Küvette mit mehrfacher Reflexion enthält zunächst Reflexionselemente (Fig· 1), die gegenüberliegend, angeordnet werden.. An einem Reflexionselement schließen sich der Eintritt sspalt 1 und der Austrittsspalt 2, während die anderen Spiegelelemente aus je einem Konkavspiegel 3 bzw, 4 gebildet werden-^ Die Konkavspiegel 3» 4 sind geometrisch verschieden groß. So sind die geometrischen Abmessungen des Konkavspiegels 3 beträchtlich größer als die entsprechenden Abmessungen des Spiegels 4, dessen Brennweite aber etwa um das 1,5fache größer ist als die Brennweite des Spiegä.s 3· Die Spiegelflächen Konkavspiegel 3» 4 sind kugelförmig, sie können aber auch asphärisch sein» Das Reflexionselement, an dem sich der Eintrittsspalt 1 und der Austrittsspalt 2 anschließen, besteht aus zwei gleichen ebenen Spiegeln 5» 6* die eine symmetrisch gegenüber dem Austrittsspait 2 angeordnete Spiegelgruppe bilden. Zur Kompensation des auftretenden geringen Astigmatismus im System können die Spiegel eine Sonderform haben, zum Beispiel zylinder- oder torusföxmig sein» Der geometrische Mittelpunkt dos Konkavspiegels 3 und der Mittelpunkt des Austrittsspaltes 2 befinden sich auf einer Geraden, die die optische Achse des Systems bildet„ Der Abstand zwischen der Gruppe aus den gleichen Spiegeln 5» 6 U&3. den Konkavspiegeln 3» 4 ist etwa um das 1,5£ache größer als die Brennweite des Konkavspiegels 3· Jeder von den Spiegeln 3? 4, 5, 6 ist in den entsprechenden Fassungen 7» .8$ 9? 10

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befestigt und enthält eine übliche Justierungsvorrichtung 11, Das System aas Spiegeln 3» 4, 5» 6 ist in einem luftdichten Gehäuse angeordnet, das aus einem Zylinderteil 12 und zwei Deckeln 13, 14 besteht. Gegenüber dem Ein- und dem Austrittsspalt 1, 2 sind im Deckel 13 Fenster 15, 16 vorgesehen.

Die Spiegel 5, 6 (Fig. 2) sind rechteckig und schreiben sich gut in den Querschnitt des Zylinderteiles 12 des Gehäuses ein. Der Ein- und der Austrittsspalt 1, 2 sind gleich bemessen.

Die Konkavspiegel 3» 4- (Fig. 3) haben ebenfalls eine Rechteckform und sind im Gehäuse weitgehend günstig angeordnet: der Spiegel 3 schreibt sich völlig in den Querschnitt des Zylinderteils 12 des Gehäuses ein, und der Spiegel 4· beansprucht den restlichen Teil des Raumes.

Die Küvette mit mehrfacher Reflexion funktioniert wie folgt:

Die Strahlen einer in der Höhe ausgedehnten Lichtquelle (in der Zeichnung nicht sichtbar) treten durch das Fenster 15 (Fig. 1) und den EintrittsspaIt 1 in die Küvette ein, fallen auf den Konkavspiegel 3 und werden von diesem auf den ebenen Planspiegel 5 zurückgeworfen. Dieser reflektiert seinerseits die Strahlen in Richtung zum anderen Konkavspiegel 4. Der Konkavspiegel 3 erzeugt ein vergrößertes Bild des Eintrittsspaltes 1 auf der Fläche des Konkavspiegels 4. Die von dem Konkavspiegel 4 zurückgeworfenen Strahlen treffen auf den ebenen Spiegel 6, der sie wiederum zum Konkavspiegel 3 reflektiert. Die zum letzten Mal reflektierten Strahlen werden in der Ebene des Austrittsspaltes 2 in ursprünglichen Abmessungen fokussiert. Durch das Fenster 16 verlassen die Strahlen die Küvette.

Da das optische System umkehrbar ist, können die Strahlen auch, durch den Austrittsspalt 2 (Fig_e 2.) in die Küvette ein-

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fallen und durch den Eintrittsspalt 1 diese verlassen. Die Funktionsweise der Küvette bleibt dabei die gleiche.

Der Konkavspiegel 4 (Fig. 3) sorgt für die genaue Übereinstimmung des reflektierten Bildes das Konkavspiegels 3 auf seiner eigenen Fläche; dabei werden die Strahlen außerhalb der Kanten des Konkavspiegels 3 nicht zerstreut, Dadurdh wird die Yignettierung schiefer Bündel vermieden.

Da der Konkavspiegel 3 in der Küvette sich völlig in den Querschnitt des zylindrischen Gehäuseteils 12 einschreibt, ist die erreichte Lichtstärke des Systems auch die maximal mögliche.

Die konstruktiven Besonderheiten der optischen Küvette mit mehrfacher Reflexion ermöglichen eine einfache und sichere •Justierung der Spiegel 3? 4, 5» 6, in getrennten aufeinanderfolgenden Handgriffen« Deswegen wirken sich geringe Störungen in der Justierung kaum auf "die Funktionstüchtigkeit des Systems aus«

Aus den obigen Darlegungen ist zu sehen, daß das vorgeschlagene optische System mit mehrfacher Reflexion eine erhöhte Lichtstärke j geringere Aberrationsfehler_} einfachere Justierung und erhöhtο Zuverlässigkeit der Spiegel während der Arbeit aufweist.

Claims (1)

1. 2 f1 4 O S ·- ⁸ - Berlin, den 1. 8· 1979 "" " " ~\ -55 128/16

   Erfindungsanspruch ·

   Optisches System mit mehrfacher Reflexion, das gegenüberliegende Reflexionselemente besitzt, wobei sich an einein Reflexionselement der Ein- und der AustrittsspaIt anschließen und die anderen Reflexionselemente aus zwei Konkavspiegeln hergestellt sind, gekennzeichnet dadurch; daß die Konkavspiegel (3» 4·) verschiedene geometrische Abmessungen haben und das Reflexionselement, an dem sich die Spalten (1_S 2) anschließen, aus zwei gleichen Spiegeln (5, β) besteht, die eine symmetrisch· gegenüber dem einen von den Spalten liegende Spiegelgruppe bilden, wobei der Abstand zwischen der Gruppe aus den gleichen Spiegeln (5» 6) und den Konkayspiegeln (3, 4) sowie die Brennweite des kleineren Konkavspiegels (4) etwa um das 1,5fache größer ist als die Brennweite des größeren Konkavspiegels (3)·

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