DE10002238A1

DE10002238A1 - Reflektanz-Meßsonde

Info

Publication number: DE10002238A1
Application number: DE2000102238
Authority: DE
Inventors: Klaus-Henrik Mittenzwey; Gert Sinn
Original assignee: Optosens Optische Spektroskopie und Sensortechnik GmbH
Current assignee: Optosens Optische Spektroskopie und Sensortechnik GmbH
Priority date: 1999-05-03
Filing date: 2000-01-20
Publication date: 2001-07-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die synchrone Ermittlung von mehreren optischen Größen. Die Erfindung ist insbesondere für die Qualitätskontrolle und Überwachung solcher Proben geeignet, die durch komplexe Zusammensetzungen charakterisiert sind. DOLLAR A Die Meßsonde ist multifunktional und für verschiedene Betriebsweisen einsatzfähig: Auflage-Sonde für Festkörper, Durchflußkammer-Meßsonde für Flüssigkeiten, Tauchkammer-Meßsonde für Flüssigkeiten mit Eignung für den Prozeßbetrieb.

Description

Technisches Gebiet

Analytik, Umwelt-, Qualitäts- und Prozeßüberwachung, Spektroskopie, Absorption, Streuung, Fluoreszenz, Brechung, Reflexion, Polarisation

Stand der Technik

Die Reflektanz einer undurchsichtigen und nicht selbstleuchtenden Probenoberfläche setzt sich aus der diffusen Remission und der specularen Reflexion zusammen. Eine Oberfläche ist matt, wenn die diffuse Remission dominiert. Bei einer glänzenden Oberfläche hat die speculare Reflexion einen wesentlichen Einfluß.

(a) Remission

Die Remission R ist die diffuse Reflexion von Strahlung an Materie (Probe). Sie ist ein Maß für die Intensität der entgegen der Einfallsrichtung remittierten Photonen. Das sind im klassi schen Sinne gestreute Photonen. Die Remission wird durch die Streufähigkeit (Streukoeffizient S) und Absorptionsfähigkeit (Absorptionskoeffizient K) der Probe bestimmt. Zur mathemati schen Beschreibung der Remission dient die Theorie von Kubelka und Munk. Danach ist die Kubelka-Munk-Funktion F, die aus der gemessenen diffusen Reflexion berechnet wird, dem Quotienten aus Absorptions- und Streukoeffizient proportional,

F ~ K/S (1).

Analytische Beispiele sind:
Feststellung des physiologischen Zustandes von Vegetation.
Ermittlung von Feuchte und Struktur von Böden.
Ermittlung der Farbe von Kunststoffen

(b) Reflexion

Bei der specularen Reflexionsspektroskopie wird die von einer Oberfläche oder Grenzfläche direkt reflektierte Strahlung analysiert (Reflexionsgesetz), die Auskunft über das spektrale Reflexionsvermögen liefert. Die speculare Reflexion R_G ist u. a. von der Brechzahl n der Probe abhängig. Da in vielen Fällen die Probe absorbiert, wird die für die Reflexion maßgebliche Brechzahl neben der Brechkraft auch von dem Absorptionsvermögen der Probe bestimmt. Die Brechzahl setzt sich aus einem Realteil und einem Imaginärteil zusammen (komplexe Zahl):

R_G = ((n - 1)/(n + 1))² (2)

mit n = n_Real + n_Imaginär. Die Formel (2) ist eine vereinfachte Darstellung für die Grenzfläche Luft/Probe bei senkrechter Einstrahlung. Die Brechzahl wird praktisch als Realteil goniome trisch oder interferometrisch ermittelt.

Analytische Beispiele sind:
Ermittlung des Zuckergehaltes in Flüssigkeiten.
Kontrolle von Mischungsverhältnissen binärer Systeme.
Ermittlung des Glanzes von Lack, Papier und Kunststoffen.

[1]-[10]

Problem/Aufgabe

In [11] wird ein Verfahren nebst Vorrichtung vorgeschlagen, das für die synchrone Messung von diffus und specular reflektierten Anteilen undurchsichtiger Proben geeignet ist. Für die synchrone Ermittlung diffus und specular reflektierter Anteile sowie der Transmission von vorzugsweise transparenten Proben wird in [12] ein Verfahren mit Vorrichtung vorgestellt. Die geometrische Anordnung von Strahlungsquelle, Optik, Probe und Empfangseinheit sowie die Möglichkeiten der Erzeugung verschiedener Strahlungsströme und der Beaufschlagung der Empfänger sind jedoch begrenzt. Damit ist auch die Anpassung an verschiedene Applikationen begrenzt. Um diesen Nachteil aufzulösen, wird das folgende Verfahren nebst Vorrichtung vorgeschlagen.

Lösung

Der Anspruch 1 (Abb. 1) wird erläutert. Es sind 3 verschiedene Räume A, B und C folgen dermaßen definiert. Der Raum A (1) enthält abstrahlende Flächenelemente. Diese können z. B. Strahlungsquellen selbst oder die Endflächen von Lichtwellenleitern sein, die insgesamt eine strukturierte, abstrahlende Fläche oder Ebene bilden. Die aus diesen Flächenelementen heraustretende Strahlung (2) koppelt in einen Raum B (3) ein. Der Raum B enthält optische Grenzflächen. Diese werden durch die zu untersuchende Probe und von optischen Elementen wie z. B. Linsen, Filter, Spiegel und Fenster gebildet. Die Einkoppelstrahlung trifft auf die optischen Grenzflächen im Raum B. Die optischen Grenzflächen im Raum B sind in der Weise angeordnet, daß verschiedene Strahlungen bzw. Strahlungsströme I_i (4) erzeugt werden, die vom Raum B ausgehend den Raum C (5) definiert beaufschlagen. Die Beaufschlagung des Raumes (C) mit den I_i erfolgt gleichzeitig. Der Raum C enthält strahlungsempfangende Flächenelemente. Diese können optoelektronische Empfänger, wie z. B. Photodioden, segmen tierte Photodioden oder Pixel einer CCD-Matrix sein. Diese Fläche kann auch aus den Endflächen von Lichtwellenleitern gebildet sein, wobei die Lichtwellenleiter definiert zu opto elektronischen Empfängern geführt sind. Es ergibt sich somit eine strukturierte, strahlungs empfangende Fläche oder Ebene. Diese Fläche wird mit den Strahlungsströmen I_i derart beaufschlagt, indem diese auf dieser Fläche Bestrahlungsstrukturen, z. B. Spots unterschiedli cher Form und Größe erzeugt. Dabei können sich die Strukturen verschiedener Strahlungs ströme auch überlappen. In Abb. 1 sind die Beaufschlagungsstrukturen (5a) der einzelnen Strahlungsströme kreisförmig, unterschiedlichen Durchmessers, an verschiedenen Orten und teilweise überlappend ersichtlich. Die Strukturen können auch andere, beliebige Formen annehmen. Die optoelektronischen Empfänger werden mit definierten und bekannten Strah lungsstromanteilen A_i, B_i, C_i, D_i, . . . derart beaufschlagt, indem die Empfänger jeweils eine Gesamtintensität E_i messen, wobei die Gesamtintensitäten untereinander linear unabhängig sind. Mit einer solchen Beaufschlagung des Raumes C entsteht ein Gleichungssystem mit den Empfängerintensitäten E_i und den Strahlungsströmen I_i, dessen Gleichungen voneinander linear unabhängig sind, so daß aus den gemessenen Empfängerintensitäten E_i die einzelnen Strahlungsströme I_i ermittelt werden können. Aus diesen Strahlungsströmen I_i können die optischen Zustandsgrößen der Probe (Absorption, Streuung, Fluoreszenz, Brechkraft, Refle xionsgrad, Depolarisation und Drehwinkel der Polarisation) ermittelt werden. Die Anzahl und Art der zu erfassenden optischen Zustandsgrößen der Probe hängt dabei grundsätzlich von der zu lösenden aktuellen Meßaufgabe ab. Die Strahlungsstromanteile A_i, B_i, C_i, D_i, . . . können Werte von Null bis Maximum annehmen. Für 4 verschiedene optoelektronische Empfänger bzw. für 4 verschiedene Strahlungsströme entsteht das folgende Gleichungssystem:

1. Empfänger: E₁ = A₁ . I_R + B₁ . I_S + C₁ . I_T + D₁ . I_D (3)

2. Empfänger: E₂ = A₂ . I_R + B₂ . I_S + C₂ . I_T + D₂ . I_D (4)

3. Empfänger: E₃ = A₃ . I_R + B₃ . I_S + C₃ . I_T + D₃ . I_D (5)

4. Empfänger: E₄ = A₄ . I_R + B₄ . I_S + C₄ . I_T + D₄ . I_D (6)

Hierbei sind:

I_R - Specular reflektierter Strahlungsstrom für Referenzsignal (Apparatefunktion).
I_S - Specular reflektierter Strahlungsstrom für Brechkraft oder Reflexionsgrad.
I_T - Transmittierter Strahlungsstrom für Absorption.
I_D - Diffus remittierter Strahlungsstrom für elastische/nichtelastische Streuung.
A_i - Anteil des Strahlungsstromes I_R auf dem i-ten Empfänger.
B_i - Anteil des Strahlungsstromes I_S auf dem i-ten Empfänger.
C_i - Anteil des Strahlungsstromes I_T auf dem i-ten Empfänger.
D_i - Anteil des Strahlungsstromes I_D auf dem i-ten Empfänger.
E_i - Gesamtintensität auf dem i-ten Empfänger.

A_i . . . D_i werden in einem Kalibrierungsschritt ermittelt. Hierbei sind jeweils die Summen ΣA_i, ΣB_i, ΣC_i und ΣD_i gleich 1, wobei die Annahme gilt: Der mit den Strahlungsströmen beauf schlagte Raum C besteht ausschließlich aus strahlungsempfangenden Flächenelementen - es existieren keine Zwischenräume, in denen Strahlung "verschwindet". Für jeden einzelnen Strahlungsstrom wird der prozentuale flächenmäßige Anteil der Ausleuchtung bzw. Bestrah lung eines jeden Empfängers ausgemessen. Bei der Existenz von Zwischenräumen ohne optoelektronischen Empfängerflächen sind zusätzliche Strahlungsschwächungskoeffizienten zu berücksichtigen.

Die Räume A und C sind über die optischen Elemente und die Probe optisch miteinander in definierter Weise gekoppelt. Die Anordnung der abstrahlenden und strahlungsempfangenden Flächenelemente von Raum A und Raum C sowie die Anordnung der Räume A und C zueinander sind vielfältig. So können beispielsweise die abstrahlenden Flächenelemente im Raum A in mindestens einer gemeinsamen Abstrahlebene und die strahlungsempfangenden Flächenelemente im Raum C in mindestens einer gemeinsamen Empfangsebene angeordnet sein. Die Abstrahl- und Empfangsebene können in verschiedenen Ebenen liegen, z. B. bilden bei einer 90°-Meßgeometrie die Flächennormalen einen rechten Winkel zueinander. Die Abstrahl- und Empfangsebene können auch in einer gemeinsamen Strahlungs-Empfangsebene liegen, was für die Retroreflektanzspektroskopie eine günstige Ausbildung ist.

In den Ansprüchen 2 bis 7 wird die Erzeugung und Verwendung verschiedener Strahlungs ströme beschrieben. Gemäß Anspruch 2 wird ein Strahlungsstrom I_R erzeugt. Die Strahlung von den abstrahlenden Elementen im Raum A trifft auf den Raum B und dringt dort ein (Einkoppelstrahlung). Dabei trifft die Einkoppelstrahlung auf optische Grenzflächen des Raumes B, was z. B. der Übergang Luft/Glas eines Glasfenster oder einer Linse sein kann. Diese Grenzfläche ist nicht mit der zu untersuchenden Probe in Kontakt und weist konstante optische Eigenschaften auf. An dieser Grenzfläche wird ein Bruchteil der Einkoppelstrahlung reflektiert. Dieser Bruchteil ist der Strahlungsstrom I_R, der den Raum C mit seinen strah lungsempfangenden Flächenelementen beaufschlagt. I_R ist beeinflußt durch die Intensität der Einkoppelstrahlung, deren Wellenlänge, Temperatur, Dämpfung u. a., so daß I_R ein von der Probe unbeinflußtes Referenzsignal als Maß für die Apparatefunktion ist. Mit Hilfe dieses Strahlungsstromes werden Systemeinflüsse erfaßt und korrigiert.

Anspruch 3 beschreibt die Erzeugung und Verwendung des Strahlungsstromes I_T. Die Einkoppelstrahlung gelangt über ein optisches Element, beispielsweise über eine abbildende Linse, in die Probe und durchdringt diese. Dieser, die Probe transmittierender Strahlungsstrom I_T beaufschlagt dann den Raum C mit seinen strahlungsempfangenden Flächenelementen. I_T wird durch die optische Wirkung z. B. einer Linse und eines Spiegels zur definierten Beauf schlagung in den Raum C gelenkt. Dieser Strahlungsstrom ist beeinflußt durch die Absorption der Probe und wird somit als Maß für absorbierende Stoffe (z. B. aromatische Kohlenwasser stoffe) in der Probe verwendet. Bei Erfordernis wird mit I_T eine Trübungskorrektur über den Strahlungsstrom I_D (Anspruch 5) durchgeführt.

Anspruch 4 ist eine günstige Ausbildung von Anspruch 3, bei der die Einkoppelstrahlung linear polarisiert ist. Bei der Durchdringung der Probe können optisch aktive Stoffe (z. B. Zucker, Eiweiße, ätherische Öle) die Schwingungsebene drehen. Es erfolgt eine Aufhellung, wenn Polarisator (für die Polarisation der Einkoppelstrahlung) und Analysator (für die Beobachtung der transmittierten Strahlung) gekreuzt angeordnet sind. Diese Aufhellung wird gemessen und als Maß für optisch aktive Stoffe verwendet. Bei Erfordernis wird die Auf hellung bzgl. der Absorption der Probe korrigiert.

Gemäß Anspruch 5 wird ein Strahlungsstrom I_D erzeugt. Die in die Probe eingedrungene Einkoppelstrahlung wechselwirkt mit der Probe. Es entsteht diffuse, elastisch und inelastisch gestreute Strahlung, die alle Raumwinkelbereiche ausfüllt. Ein Teil davon ist auf den Raum C gerichtet und beaufschlagt dort strahlungsempfangende Flächenelemente als Strahlungs strom I_D. Dieser Strahlungsstrom ist ein Maß für elastisch streuende Partikel, ramanstreuende und fluoreszierende Moleküle. Bei Bedarf werden optische Filter zur Trennung von elastischer und inelastischer Streuung verwendet.

Ausgehend vom Anspruch 5 ist gemäß Anspruch 6 die Einkoppelstrahlung linear polarisiert. Infolge der Beweglichkeit elastisch und inelastisch streuender Stoffe kann die gestreute Strahlung depolarisiert werden. Der Strahlungsstrom I_D wird über optische Polarisationsfilter geführt, womit der Depolarisationsgrad der Streuung ermittelt wird. Dieser ist ein Maß z. B. für die Beweglichkeit der streuenden Moleküle und somit ein Maß für die Viskosität der Probe.

Der Anspruch 7 beschreibt die Erzeugung und Verwendung des Strahlungsstromes I_S. Die Einkoppelstrahlung gelangt über ein optisches Element, beispielsweise eine abbildende Linse, in die Probe. Im Falle einer flüssigen Probe ist die Linse mit ihrer einen Fläche mit der Probe in Kontakt und bildet eine Grenzfläche Glas/Probe (auch bei pastösen Stoffen). An dieser Grenzfläche wird ein Teil der Einkoppelstrahlung specular reflektiert. Dieser Teil wird z. B. durch die diesselbe Linse auf den Raum C gerichtet und beaufschlagt dort als Strahlungs strom I_S strahlungsempfangende Elemente. I_S ist ein Maß für die Brechkraft der Probe (Zucker, Salz etc.).

Im Falle einer festen Probe wird die Grenzfläche zur Probe beispielsweise durch den Über gang Luft/Probe gebildet. Das optische Element, über das die Einkoppelstrahlung auf die Probe gelangt, kann dabei einen Abstand zur Probe aufweisen. Wie im Fall der flüssigen Probe wird die von der festen Probe specular reflektierte Strahlung z. B. durch diesselbe Linse auf den Raum C gerichtet und beaufschlagt dort strahlungsempfangende Elemente

Der Anspruch 8 beschreibt eine Vorrichtung (Abb. 2) mit der das Verfahren durchgeführt werden kann. Die Vorrichtung besteht aus einer Strahlungsquells (6), optoelektronischen Empfängern (7.1 bis 7.4), einem Lichtwellenleiterbündel (8), einer Stablinse (11), der Probe (14) und einem Spiegel (15). Lichtwellenleiterbündel (8), Stablinse (11) und Spiegel (15) können in einem Edelstahlrohr angeordnet sein, wobei dieses für die Probe eine Aussparung enthält. Im Falle flüssiger Proben sind die Grenzfläche (13) der Linse und die Grenzfläche (16) des Spiegels (15) mit der Probe in Kontakt. Die Strahlungsquelle (6) und die Empfänger (7.1 bis 7.4) befinden sich in einem separaten Gehäuse.

Die Lichtwellenleiter des Lichtwellenleiterbündels (8) sind mit der Strahlungsquelle (6) und mit den optoelektronischen Empfängern (7.1 bis 7.4) zwecks Einkopplung und Messung von Strahlungsintensitäten verbunden (auf Abb. 2 nur einige Lichtwellenleiter im Bündel angedeu tet). Die linsenseitigen Lichtwellenleiterendflächen des Bündels (8) sind in einer Ebene (9) angeordnet. Hier erfolgen sowohl die Abstrahlung von Einkoppelstrahlung (10) aus der Quelle (6) als auch die Beaufschlagung mit den oben beschriebenen Strahlungsströmen I_i. Das heißt, in der Ebene (9) sind abstrahlende und strahlungsempfangende Flächenelemente (Endflächen der Lichtwellenleiter) gemeinsam angeordnet.

Aus dem auf der optischen Achse (11a) der Linse (11) liegenden Lichtwellenleiter gelangt die Strahlung (10) auf die Stablinse (11). Hier findet an der planen Grenzfläche Luft/Glas (12) speculare Reflexion statt. Die specular reflektierte Strahlung gelangt als Strahlungsstrom I_R auf die Ebene (9) und beaufschlagt dort einen Teil von Lichtwellenleiterendflächen zum Weitertransport auf optoelektronische Empfänger (7). Dieser Strahlungsstrom ist beeinflußt durch die Intensität der Einkoppelstrahlung, deren Wellenlänge, Temperatur, Dämpfung u. a., so daß I_R ein von der Probe unbeeinflußtes Referenzsignal als Maß für die Apparatefunktion ist. Mit Hilfe dieses Strahlungsstromes werden störende Systemeinflüsse erfaßt und korrigiert. I_R kann auch mit einer unmittelbar vor der Ebene (9) angeordneten Glasplatte erzeugt werden.

Die nicht reflektierte Strahlung durchdringt die Stablinse (11) und trifft auf die konvexe Grenzfläche Glas/Probe (13), sofern die Probe flüssig oder gasförmig und mit der konvexen Fläche der Linse kontaktiert ist. An dieser Grenzfläche wird wiederum ein Teil der Strahlung specular reflektiert. Diese Grenzfläche wirkt hier als sammelnder Hohlspiegel. Die specular reflektierte Strahlung gelangt als Strahlungsstrom I_S auf die Ebene (9) und beaufschlagt dort einen Teil der Lichtwellenleiterendflächen zum Weitertransport auf optoelektronische Empfänger. Dieser Strahlungsstrom ist beeinflußt durch die Brechkraft der Probe und kann für die Erfassung von brechzahlbeeinflussenden Substanzen (z. B. Zucker, Salz) verwendet werden.

Der verbleibende Teil der Strahlung dringt in die Probe ein. Die eingekoppelte Strahlung erzeugt elastische und inelastische Streuung. Ein Teil dieser diffusen Streuung gelangt als Strahlungsstrom I_D über die Stablinse (11) auf die Ebene (9) und beaufschlagt dort einen Teil der Lichtwellenleiterendflächen zum Weitertransport auf optoelektronische Empfänger. Dieser Strahlungsstrom ist beeinflußt durch elastisch streuende Partikel, ramanstreuende und fluoreszierende Moleküle (z. B. Schwebstoffe und organische Substanzen).

Die eingekoppelte Strahlung durchdringt weiter die Probe bis zum Spiegel (15) und wird von diesem an seiner Grenzfläche (16) wieder in Richtung Stablinse (11) reflektiert. Der Spiegel kann plan oder ein Hohlspiegel sein. Der, durch die Probe transmittierte Strahlungsstrom I_T gelangt auf die Ebene (9) und beaufschlagt dort einen Teil der Lichtwellenleiterendflächen zum Weitertransport auf optoelektronische Empfänger. Dieser Strahlungsstrom ist beeinflußt durch in der Probe enthaltende absorbierende und streuende Stoffe (z. B. Farbstoffe und Schwebstoffe). Bei undurchsichtigen Proben entfällt Spiegel (15).

Die Vorrichtung kann auch für feste Proben eingesetzt werden. Dabei wird die zu unter suchende Probe über eine geeignete Halterung in den Raum zwischen Linse und Spiegel gebracht und ggf. Änderungen bezüglich unten aufgeführter Stellgrößen vorgenommen.

Auf die Ausführungen zum Verfahren (Abb. 1) bezogen, sind den Räumen A (1), B (3) und C (5) die erläuterten optischen Komponenten der Vorrichtung wie folgt zugeordnet:

Der Raum A besteht aus der Strahlungsquelle (6) und dem dazugehörigem Lichtwellenleiter, dessen Endfläche in der Ebene (9) zentriert angeordnet ist. Der Raum B (3) besteht aus der Stablinse (11), der Probe (14) und dem Spiegel (15). Der Raum C besteht aus den optoelek tronischen Empfängern (7.1 bis 7.4) und den dazugehörigem Lichtwellenleitern, deren End flächen in der Ebene (9) angeordnet sind. Bei dieser Vorrichtung bilden somit die Räume A (1) und C (5) einen gemeinsamen Raum. A und C liegen in einer gemeinsamen Ebene.

In Abhängigkeit von der Anwendung können verschiedene Beaufschlagungsstrukturen mit den Strahlungsströmen I_i auf der Ebene (9) erzeugt werden. Dabei werden die folgenden Stellgrößen optimal aufeinander abgestimmt bzw. eingestellt:

- Art der Linse (11): plankonvex, konvexplan, konkavkonvex, Stablinse, GRIN-Linse u. a.
- Brennweite der Linse (11).
- Abstand zwischen Ebene (9) und planer Fläche (12) der Linse.
- Abstand zwischen konvexer Fläche (13) der Linse und Spiegel (15).
- Brennweite des Spiegels (15).
- Ausrichtung des Spiegels (15) zur optischen Achse (11a) der Linse.
- Lage des abstrahlenden Elementes der Ebene (9) zur optischen Achse (11a) der Linse (zen tral, dezentral).

Für das aufgeführte Vorrichtungsbeispiel auf Abb. 2 kann sich z. B. eine konzentrische Beaufschlagungsstruktur ergeben, wenn die zentralen Flächennormalen von Spiegel (15), Linse (11) und Ebene (9) mit zentriertem Einstrahlungs-Lichtwellenleiter (18) auf einer Geraden liegen. Auf Abb. 3 ist das Lichtwellenleiterbündel (8) im Querschnitt mit seiner Ebene (9) von vorn ersichtlich. Im Zentrum der Ebene (9) ist der mit der Strahlungsquelle (6) verbundene Licht wellenleiter mit seiner abstrahlenden Endfläche (18) lokalisiert. Dieser Ort liegt auf der optischen Achse (11a) der Stablinse (11).

Auf die Kreisringfläche (19) treffen der gesamte Strahlungsstrom I_R und Bruchteile der Strah lungsströme I_S, I_T sowie I_D. Die zu dieser Fläche gehörigen Lichtwellenleiter sind mit einem Empfänger (7.1) verbunden, der die im unteren Gleichungssystem dargestellte Intensi tät E₁ registriert.

Auf die Kreisringfläche (20) treffen Bruchteile der Strahlungsströme I_S, I_T sowie I_D. Die zu dieser Fläche gehörigen Lichtwellenleiter sind mit einem Empfänger (7.2) verbunden, der die im unteren Gleichungssystem dargestellte Intensität E₂ registriert.

Auf die Kreisringfläche (21) treffen Bruchteile der Strahlungsströme I_T sowie I_D. Die zu dieser Fläche gehörigen Lichtwellenleiter sind mit einem Empfänger (7.3) verbunden, der die im unteren Gleichungssystem dargestellte Intensität E₃ registriert.

Auf die Kreisringfläche (22) trifft ein Bruchteil des Strahlungsstrom I_D. Die zu dieser Fläche gehörigen Lichtwellenleiter sind mit einem Empfänger (7.4) verbunden, der die im unteren Gleichungssystem dargestellte Intensität E₄ registriert.

Im vorgestellten Beispiel nimmt der Durchmesser der Strahlungsbeaufschlagung in der Reihenfolge I_R, I_S, I_T, I_D zu. I_D beaufschlagt also die größte Fläche und I_R die kleinste.

Empfänger 1: E₁ = I_R + B₁ . I_S + C₁ . I_T + D₁ . I_D (7)

Empfänger 2: E₂ = B₂ . I_S + C₂ . I_T + D₂ . I_D (8)

Empfänger 3: E₃ = C₃ . I_T + D₃ . I_D (9)

Empfänger 4: E₄ = D₄ . I_D (10)

Wegen der konzentrischen Beaufschlagung der strahlungsempfangenden Flächenelemente und der entsprechenden konzentrischen Vereinzelung der Lichtwellenleiter auf die optoelek tronischen Empfänger ist das Gleichungssystem 7 . . . 10 im Vergleich zum obigen Glei chungssystem 3 . . . 6 von einfacherer Struktur. Die Koeffizienten A₂, A₃, B₃, A₄, B₄ und C₄ sind null. A₁ ist 1.

Gemäß Anspruch 9 werden in einer günstigen Ausführung die Lichtwellenleiter und Empfän ger durch eine CCD-Matrix ersetzt. Auf der lichtempfindlichen CCD-Fläche können definierte Bereiche durch softwaremäßige Zusammenfassung von Pixeln der CCD-Matrix erzeugt werden. So können beispielsweise 4 solcher Bereiche erzeugt werden, die die Empfänger 1 bis 4 im o. g. Gleichungssystem simulieren. Die Abstrahlung von Einkoppelstrahlung kann z. B. im Zentrum der CCD-Matrix oder außerhalb der CCD mittels separater abstrahlender Elemente erfolgen. Die abstrahlenden Elemente können aber auch in der CCD-Matrix (Abstrahlpixel) integriert sein. Auf dieser Grundlage kann der komplette Sensor als mikrosy stemtechnische Vorrichtung ausgelegt werden.

Des weiteren können auch Photodioden oder segmentierte Photodioden die strahlungsemp fangende Ebene (9) bilden.

Bezugszeichen

Abb.

1

Raum A mit abstrahlenden Flächenelementen

2

In Raum B fallende Strahlung (Einkoppelstrahlung)

3

Raum B mit optischen Grenzflächen (optische Elemente und Probe)

4

Strahlungsströme I_i

, die den Raum C beaufschlagen

5

Raum C mit strahlungsempfangenden Flächenelementen

5

a Struktur der Beaufschlagung durch Strahlungsströme I_i

Abb.

2

6

Strahlungsquelle

7.1

Optoelektronischer Empfänger

7.2

Optoelektronischer Empfänger

7.3

Optoelektronischer Empfänger

7.4

Optoelektronischer Empfänger

8

Lichtwellenleiterbündel

9

Ebene mit Lichtwellenleiterendflächen als abstrahlende und strahlungsempfan gende Flächenelemente

10

Auf Stablinse (

11

) fallende Strahlung (Einkoppelstrahlung)

11

Stablinse

11

a Optische Achse der Stablinse

12

Grenzfläche Luft/Glas

13

Grenzfläche Glas/Probe

14

Probe

15

Spiegel

16

Grenzfläche Probe/Spiegelfläche

Abb.

3

17

Lichtwellenleiterbündel von vorn betrachtet

18

Endfläche des mit der Strahlungsquelle (

6

) verbundenen Lichtwellenleiters (abstrahlendes Element)

19

Von I_R

, I_S

, I_T

, I_D

bestrahlte Kreisringfläche (Empfänger

7.1

)

20

Von I_S

, I_T

, I_D

bestrahlte Kreisringfläche (Empfänger

7.2

)

21

Von I_T

, I_D

bestrahlte Kreisringfläche (Empfänger

7.3

)

22

Von I_D

bestrahlte Kreisringfläche (Empfänger

7.4

)

Literatur

[1] BERGMANN und SCHAEFER: Lehrbuch der Experimentalphysik. Optik. Berlin - New York, Walter de Gruyter, 1993.
[2] SCHMIDT, W.: Optische Spektroskopie. Weinheim-New York-Basel-Cambridge-Tokyo, VCH Verlagsgesellschaft, 1994.
[3] KORTÜM, G.: Reflexionsspektroskopie. Berlin-Heidelberg-New York, Springer Verlag, 1969.
[4] COLWELL, R. N.: Manual of remote sensing. Falls Church, The Sheridan Press, 1983.
[5] WO 96/34258
[6] EP 0837313 A2
[7] EP 0772345 A2
[8] EP 0837318 A2
[9] EP 0758083 A2
[10] EP 0818675 A2
[11] Patentanmeldung 199 20 184.6 vom 30.4.99
[12] Zusatzanmeldung 199 34 934.7-52 zu 199 20 184.6

Claims

1. Verfahren für die Erfassung von diffuser und specularer Reflexion von Proben, bei dem Strahlung in den Raum zwischen einer, aus mindestens zwei optoelektronischen Empfängern bestehenden Empfängerebene und einer, aus mindestens einem abbildenden Element beste henden und zur Empfängerebene parallelen Optikebene von der Empfängerebene aus einge koppelt wird, diese Einkoppelstrahlung das abbildende Element beaufschlagt und durchdringt, die Einkoppelstrahlung durch das abbildende Element parallelisiert wird und auf die Probe trifft, die von der Probe specular reflektierte Strahlung I_S und die diffus remittierte Strahlung I_D dasselbe abbildende Element entgegen der Einfallsrichtung der Einkoppelstrahlung durch dringen, die Strahlung I_S durch das abbildende Element auf einen der in der Empfängerebene lokalisierten Empfänger gerichtet wird, die Strahlung I_D auf beide Empfänger trifft, so daß der eine Empfänger ausschließlich mit I_D und der andere Empfänger mit I_D und I_S beaufschlagt ist, sowie I_D und I_S über ein Gleichungssystem bestehend aus zwei Gleichungen separat ermittelt werden, gekennzeichnet dadurch, daß Strahlung (2) von einem Raum A (1) aus, der abstrahlende Flächenelemente enthält, in einen Raum B (3), der die Probe und optische Grenzflächen enthält, eingekoppelt wird, diese Einkoppelstrahlung auf die Probe und die optischen Grenz flächen trifft, dadurch verschiedene Strahlungsströme I_i (4) erzeugt werden, diese Strahlungs ströme einen Raum C (5) gleichzeitig beaufschlagen, der aus verschiedenen strahlungs empfangenden Flächenelementen besteht, jeder einzelne Strahlungsstrom 1, strahlungsempfan gende Flächenelemente im Raum C (5) mit definierten und bekannten Strahlungsstrom anteilen A_i . . . D_i in einem Bereich von Null bis Maximum beaufschlagt, wobei die Beauf schlagung der strahlungsempfangenden Flächenelemente in der Weise erfolgt, daß ein Gleichungssystem mit voneinander linear unabhängigen Gleichungen entsteht, die Strahlungs ströme über dieses Gleichungssystem berechnet und daraus dann verschiedene optische Zu standsgrößen der Probe wie Absorption, Streuung, Fluoreszenz, Brechkraft, Reflexionsgrad, Depolarisation und Drehwinkel der Polarisation sowie ein Referenzsignal zur Charakterisier ung der Apparatefunktion ermittelt werden, wobei Anzahl und Art der zu erfassenden optischen Zustandsgrößen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Probe definiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Strahlungsstrom I_R erzeugt wird, indem die aus dem Raum A kommende und in den Raum B treffende Einkoppelstrahlung auf eine nicht mit der Probe kontaktierte Grenzfläche eines optischen Elementes mit konstanten optischen Eigenschaften fällt und davon ein Bruchteil der Einkoppelstrahlung reflektiert wird und den Raum C als Strahlungsstrom I_R beaufschlagt und I_R als von der Probe unbeeinflußtes Referenzsignal ver wendet wird.

3. Verfahren nach den Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Strahlungsstrom I_T erzeugt wird, indem die aus dem Raum A kommende und in den Raum B treffende Einkoppelstrahlung über ein optisches Element in die Probe gelangt, diese einfach oder mehrfach durchdringt und den Raum C als Strah lungsstrom I_T beaufschlagt und I_T als für die Absorption der Probe charakteristisches Maß verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß zur Bestimmung des Drehwinkels der Polarisation die Ein koppelstrahlung polarisiert ist und ein Teil von I_Tüber einen Depolarisator gelangt und dieser Teil als für die Drehung der Polarisationsebene charakteristisches Maß verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Strahlungsstrom I_D erzeugt wird, indem die aus dem Raum A kommende und in den Raum B treffende Einkoppelstrahlung mit der Probe wechselwirkt, wodurch diffuse elastische und inelastische Streuung entstehen, von der ein Teil den Raum C als Strahlungsstrom I_D beaufschlagt und I_D als für die Streuung der Probe charakteristisches Maß verwendet wird und daß für die Trennung von elastischer und inelastischer Streuung der Strahlungsstrom I_D über optische Filter gelangt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß für die Bestimmung der Depolarisation infolge Streuung die Einkoppelstrahlung polarisiert ist und der Strahlungsstrom I_D über optische Polarisationsfilter gelangt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Strahlungsstrom I_S erzeugt wird, indem die aus dem Raum A kommende und in den Raum B treffende Einkoppelstrahlung auf eine Grenzfläche zur Probe fällt und davon der specular reflektierte Teil den Raum C als Strahlungsstrom I_S beaufschlagt und I_S als für die Brechung oder den Reflexionsgrad der Probe charakteristisches Maß verwendet wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
gekennzeichnet dadurch, daß ein Lichtwellenleiterbündel (8) an seiner einen Endfläche mit einer Strahlungsquelle (6) und mit optoelektronischen Empfängern (7) optisch verbunden ist, an seiner anderen Endfläche die Lichtwellenleiterendflächen als abstrahlende und strahlungs empfangende Flächenelemente eine gemeinsame Ebene (9) bilden,
der Ebene (9) eine plankonvexe Linse (11), die Probe (14) und ein Spiegel (15) nachgeordnet sind, wobei die Linse in einem definierten Abstand von den Lichtwellenleiterendflächen in der Ebene (9) und die Probe zwischen der der Probe zugewandten Fläche (13) der Linse (11) und Spiegel (15) angeordnet sind,
im Falle flüssiger Proben diese mit der einen Seite der Linse und dem Spiegel in Kontakt sind,
eine definierte Beaufschlagung der Ebene (9) mit den Strahlungsströmen I_i über die Stell größen Art der Linse (11), Brennweite der Linse (11), Abstand zwischen Ebene (9) und planer Fläche (12) der Linse, Abstand zwischen konvexer Fläche (13) der Linse und Spiegel (15), Brennweite des Spiegels (15), Ausrichtung des Spiegels (15) zur optischen Achse (11a) der Linse, Lage des abstrahlenden Elementes der Ebene (9) zur optischen Achse (11a) der Linse einstellbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß anstelle der Endflächen von Lichtwellenleitern in der Ebene (9) lichtempfindliche Pixel einer CCD-Matrix, Photodioden oder segmentierte Photodioden angeordnet sind.