DD284527A5 - Optik fuer eine einrichtung zur immissionsmessung nach dem infrarotabsorptionsverfahren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezweckt die Bereitstellung einer leistungsfaehigen und wirtschaftlichen Optik fuer eine Einrichtung zur Immissionsmessung nach dem Infrarotabsorptionsverfahren, die bei einem Minimum von Sendestrahlverlusten und zusaetzlichen Empfangsverlusten bei Trassenlaengen im Bereich von 100 m eine einfache Justierung der Strahlenfuehrung gewaehrleistet. Als Loesung ist nunmehr vorgesehen, dasz auf einer gemeinsamen Wirkungslinie hinter einer den von einem Halbleiterlaser ausgesendeten Laserstrahl buendelnden Linse in diesem Bereich des Sendeortes nachfolgend ein zentral durchbohrter Hohlspiegel und ein zur gemeinsamen Wirkungslinie geneigter, in Laserstrahlrichtung durchbohrter Planspiegel vorgesehen sind, wobei diese Bohrungen in den Spiegeln koaxial zur gemeinsamen Wirkungslinie angeordnet sind, und das vom Retrospiegel am Ende der Mesztrasse zum Hohlspiegel zuruecklaufende Strahlenbuendel auf den Planspiegel reflektierbar und von diesem auf einen Detektor auszerhalb der die Trasse durchlaufenden Strahlenbuendel fokussierbar ist. Fig. 1{Immissionsmessung; offene Mesztrasse; Halbleiterlaser; Justieraufwand; Strahlungsverluste}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung kannn vorteilhaft bei der Immissionsmessung über lange Meßtrassen (> 100m) angewendet werden. Die Erfindung ermöglichtes, Schadstoffe in der Atmosphäre nach ihrer Art, wie Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid u.a. und Konzentration zu erfassen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Erzeugung einer Infrarotstrahlung charakteristischer Wellenlänge ist es bereits bekannt, Halbleiterlaser einzusetzen. Hierbei wird die vom Halbleiterlaser ausgesendete Strahlung zu einem parallelen bis schwach divergenten Strahlenbündel geformt, über eine Meßtrasse geleitet und nach Retroreflexion mittels eines aus einem Tripelspiegel gebildeten Rückstrahlers im Bereich des Sendeortes wieder empfangen, auf ein als Detektor ausgebildetes Fotoelement fokussiert und meßtechnisch ausgewertet. Die bisher bekannten Lösungen erlauben zwar auch selektive und quantitative Messungen der Konzentration des nachzuweisenden Molekülgases, sie benötigen hierfür al ,r mehrere Spiegel und/oder Linsen. Da die im Infrarotbereich zu verwendenden Materialien sehr teuer sind, ergibt sich daraus für die optischen Bauelemente eine erhebliche Kostenerhöhung. Darüber hinaus wirkt sich eine relativ große Bauelementeanzahl erschwerend auf die Justierbarkeit der Einrichtung aus. So ist nach der JP-PS 58-198746 eine Einrichtung zur Spektralanalyse bekannt, bei der der Detektor und auch der Laser in einem gemeinsamen Gehäuse, z. B. einem Kryostaten, angeordnet sind. Der Strahlenverlauf ist jedoch hierbei mit relativ hohen Verlusten verbunden, weil der hinlaufende und der rücklaufende Strahl jeweils ein und dieselbe Linse, welche im Bereich des Sendeortes zwischen Laser und Empfänger angeordnet ist, durchlaufen muß und für beide Strahlen diese Linse nicht optimal eingestellt werden kann (Komaeffekt). Da auch der im Strahlengang der Linse nachgeordnete Spiegel für den hinlaufenden Strahl maßgebend ist, tritt hier ein weiterer Verlust an Strahlungsleistung auf.

Für kurze Meßstrecken wirken sich die Nachteile dieses einfachen und Kompakten Aufbaus nach der JP-PS 58-198746 nicht so stark aus, weil ein noch ausreichend starker Detektorsignal zur Verfügung steht, und demzufolge keine optimale Justierung angestrebt werden muß. Bei größeren Entfernungen, z. B. 100 m, vorsagt diese Lösung. So nimmt bei größeren Trassenlängen das verfügbare Detektorsignal schnell ab. Ein Ausgleich wäre durch entsprechende Sendeleistungserhöhung möglich. Da sehr große Sendeleistung sich bei der Messung wiederum störend bemerkbar macht-trotz umfangreicher Abschirmmaßnahmen erfolgt dennoch eine ungewollte Einstrahlung auf den Detektor - ist dieser Weg nicht gangbar.

Die Verringerung des Justieraufwandes für die Strahlenführung bei Gasdetektoren besitzt einen hohen Stellenwert. Hierzu ist es nach der JP-PS 58-213237 bekannt, automatisch eine Verringerung eines normalerweise bleibenden Justierfehlers durch das zusätzliche Einbringen von zwei keilförmigen Platten in den optischen Strahlengang vorzunehmen. Dazu ist eine drehbare Lagerung für die beiden Keilplatten vorgesehen. Um die Funktionssicherheit dieser Lösung zu gewährleisten, ist eine feinmechanische, anspruchsvolle Lagerung unabdingbar. Nachteilig bei dieser Lösung ist somit, daß cie Teilprobleme der

Justierung in den feinmechanischen Bereich verlegt werden. Darüber hinaus haben die rotierenden Keilplatten relativ große Transmissions· und Reflektionsverlustezur Folge. Die rotierenden Platten bewirken eine Strahlverbreiterung, so daß der optimale Justierfall in der Menge der möglichen Justierzustände enthalten ist. Eine Strahlflächenvergrößerung steht einer verlustarmen Konstruktion entgegen, da damit auch das Loch irr den Keilplatten nachgeordneten Hohlspiegel größer sein muß und die effektive Hohlspiegelfläche wesentlich das Detektorsignal bestimmt. Sie sollte daher so groß wie möglich sein.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung einer leistungsfähigen und wirtschaftlichen Optik für eine Einrichtung zur Immiüsionsmessung nach dem Infrarotabsorptior.sverfahren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgaba zugrunde, eine Optik für eine Einrichtung zur Immissionsmessung nach dem Infrarotabsorptionsverfahren zu schaffen, die bei einem Minimum von Sendestrahlverlusten und zusätzlichen Empfangsverlusten bei Trassenlängen im Bereich von 100m eine relativ einfache Justierung der Strahlenführung gewährleistet. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nunmehr dadurch gelöst, daß auf einer gemeinsamen Wirkungslinie hinter einer den von einem Halbleiterlaser ausgesendeten Laserstrahl bündelnden Linse in diesem Bereich des Sendeortes nachfolgend ein zentral durchbohrter Hohlspiegel und ein zur gemeinsamen Wirkungslinie geneigter, in Laserstrahlrichtung durchbohrter Planspiegel vorgesehen sind, wobei diese Bohrungen in den Spiegeln koaxial zur gemeinsamen Wirkungslinie angeordnet sind, und das vom Retrospiegel am Ende der Meßtrasse zum Hohlspiegel zurücklaufende Strahlenbündel auf den geneigten Planspiegel

Im Rrhmen der Erfindung kann der Hohlspiegel als Parabolspiegel oder als sphärischer Spiegel ausgebildet sein. Im Sinne der Erfindung ist auch, wenn der Durchmesser der Bohrung im Hohlspiegel und im Planspiegel etwas größer als der

jeweilige Durchmesser des zum Rotrospiegel hinlaufenden Laserstrahlenbündels >n diesen Bereichen ist, um eine Ausblendungvon Strahlanteilen in diesen Bereich auszuschließen.

Soll in weiterer Ausgestaltung dor Erfindung simultan eine Sende- und Tras8ensi:rahlme3sung durchgeführt, d.h. gleichzeitig

auch der zeitliche Laserleistungsverouf beurteilt werden, ist es zv τ ckmäßig, den Durchmesser der Bohrung im Planspiegeletwas kleiner als den Durchmesser des zum Retrospiegel gerichteten Laserstrahlbündels in diesem Bereich zu wählen, so daß eingeringfügiger Anteil des Laserstrahlenbündels auf den Planspiegel trifft und dieser Anteil ohne Trassenbeteiligung zur Bildungeines Referenzsignals auf einen weiteren Detektor, welcher in Reflexionsrichtung des Planspiegels neben dem bereits obengenannten angeordnet ist, abgebildet werden kann.

Vorteilhafterweise ist die dem Laserstrahl bündelnde Linse zwischen Halbleiterlaser und Hohlspiegel antireflexbeschichtet und

weist einen Transmissionswert größer 95% auf.

Ausführungsbeispiel Die Erfindung sol! nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1: eine schematische Darstellung des Strahlenverlaufes innerhalb der erfindungsgemäßen Optik vom Laser zum Detektor; Fig. 2: eine Darstellung gemäß Fig. 1 mit einem zusätzlichen Detektor zur Bildung eines Referenzsignals.

Bei den in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Optiksind alle optischen Bauelemente in einer gemeinsamen Wirkungslinie angeordnet.

Ein z. B. mittels eines Bleisalzlasers 1 erzeugter gepulster Laserstrahl 2 wird auf einen Retroreflektor 3 durch eine für diese Strahlung durchlässige antireflexbeschichtete Linse 4 abgebildet. Die längs des Strahlenverlaufs noch im Bereich des Sendeortes angeordneten Spiegel 5,6 weisen zentral jeweils eine Bohrung auf, wobei der Durchmesser der Bohrungen in den Spiegeln 5,6 etwas größer als der Durchmesser des Strahlenbündelquerschnittes in diesen Bereichen ist, so daß eine Ausblendung von Strahlanteilen des auf den Retrospiegel 3 gerichteten Laserstrahls 2 in diesen Bereichen ausgeschlossen ist. Der der Linse 4 nachgeordnete Spiegel 5 ist als Hohlspiegel und der dem Hohlspiegel nachgeordnete Spiegel 6 als Planspiegel ausgebildet. Dabei ist der Durchmesser der Bohrung im zur Wirkungslinie geneigten Planspiegel in der Projektionsfläche senkrecht zur Wirkungslinie kleine als der vom Hohlspiegel auf dem Planspiegel abbildbare „tote Bereich". Das vom Retrospiegel 3 rücklaufende Strahlenbündel 7 trifft ohne wesentlichen Verlust den als Hohlspiegel ausgebildeten Spiegel 5, der das rücklaufende Strahlenbündel 7 auf den geneigten Spiegel 6 reflektiert, welcher wiederum das Strahlenbündel 7 auf einen Detektor 8 außerhalb des rücklaufenden Strahlenbündels 7 mit nachgeschalteter Meßauswerteeinrichtung (nicht dargestellt) umlenkt.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist neben dem Detektor 8 ein weiterer Detektor 9 angeordnet. Dieser Detektor 9 empfängt einen schwachen Strahlenanteil ohne Trassenbeteiligung und übt eine Referenzfunktion aus, wobei er in erster Linie der Beurteilung des zeitlichen Laserleistungsverlaufes dient. Hierzu ist die Bohrung im Planspiegel, der den Hauptanteil der direkten zum Retrospiegel 3 hinlaufenden Strahlung nicht beeinflussen soll, so in ihrem Durchmesser gewählt, daß der um die Bohrung liegende Randbereich des Planspiegels in den Randbereich des Strahlenbündels des Laserstrahls 2 leicht eintaucht und so ein kleiner Anteil der direkten Strahlung abgezweigt ι nd zum Detektor 9 umgelenkt wird. Der Detektor 9 liefert in diesem Fall ein Referenzsignal.

Claims (6)

1. üptikfür eine Einrichtung zur Immissionsmessung nach dem Infrarotabsorptionsverfahren entlang einer Meßtrasse von etwa 100m mittels eines die Meßtrasse durchlaufenden und retroreflektierten Laserstrahles, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer gemeinsamen Wirkungslinie hinter einer den von einem Halbleiterlaser (1) ausgesendeten Laserstrahl (2) bündelnden Linse (4) in diesem Bereich des Sendeortes nachfolgend ein zentral durchbohrter Hohlspiegel und ein zur gemeinsamen Wirkungslinie geneigter, in Laserstrahlrichtung durchbohrter Planspiegel vorgesehen sind, wobei diese Bohrungen in den Spiegeln (5; 6) koaxial zur gemeinsamen Wirkungslinie angeordnet sind, und das vom Retrospiegel (3) am Ende der Meßtrasse zum Hohlspiegel zurücklaufende Strahlenbündel (7) auf den geneigten Planspiegel reflektierbar und von diesem auf einen Detektor (8) außerhalb der die Trasse durchlaufenden Strahlenbündel fokussierbar ist.

2. Optik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlspiegel als Parabolspiegel ausgebildet ist.

3. Optik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlspiegel als sphärischer Spiegel ausgebildet ist.

4. Optik nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Bohrung im Hohlspiegel und im Planspiegel etwas größer als der jeweilige Durchmesser des zum Retrospiegel (3) hinlaufenden Laserstrahlenbündels in diesen Bereichen ist.

5. Optik nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Bohrung im Planspiegel etwas kleiner als der Durchmesser des zum Retrospiegel (3) gerichteten Laserstrahlenbündels in diesem Bereich ist und neb9n dem Detektor (8) in Reflektionsrichtung des Planspiegels ein weiterer Detektor (9) vorgesehen ist.

6. Optik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (4) antireflexbeschichtet ist und einen Transmissionswert größer 95% aufweist.