DE10032739A1

DE10032739A1 - Reflektanz-Meßsonde für die gleichzeitige Erfassung von diffusen und specularen Reflexioonen sowie der Transmission in vorzugweise transparenten Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE10032739A1
Application number: DE2000132739
Authority: DE
Original assignee: Optosens Optische Spektroskopie und Sensortechnik GmbH
Current assignee: Optosens Optische Spektroskopie und Sensortechnik GmbH
Priority date: 2000-07-05
Filing date: 2000-07-05
Publication date: 2002-01-17

Description

Die Erfindung betrifft eine Reflektanz-Meßsonde für die gleichzeitige Erfassung von diffusen und specularen Reflexionen sowie der Transmission in vorzugsweise transparenten Flüssigkeiten.

Die Erfindung kann auf dem Gebiet der Analytik, Umwelt-, Qualitäts- und Prozeßüberwachung, Spektroskopie, Remissions- und Reflexionsmessung eingesetzt werden.

(a) Remission

Die Remission R ist die diffuse Reflexion von Strahlung an Materie (Probe). Die Remission wird durch die Streufähigkeit (Streukoeffizient S) und Absorptionsfähigkeit (Absorptionskoeffizient K) der Probe bestimmt. Zur mathematischen 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).

Remissionsmessungen werden beispielsweise eingesetzt zur Qualitätsüberwachung von trüben Flüssigkeiten, Fernerkundung von Seen und Flüssen.

(b) Reflexion

Bei der specularen Reflexionsspektroskopie wird die von einer Oberfläche oder Grenzfläche direkt reflektierte Strahlung analysiert (Reflexionsgesetz), die Auskunft über das spektrale Reflexions vermögen 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 goniometrisch oder interferometrisch ermittelt.

Reflexionsmessungen werden beispielsweise eingesetzt zur Ermittlung des Zuckergehaltes in Flüssigkeiten, Kontrolle von Mischungsverhältnissen binärer Systeme.

(c) Transmission

Die Transmission kennzeichnet die optische Durchlässigkeit einer Probe und ist ein inverses Maß für das Absorptionsvermögen. Den Zusammenhang zwischen Transmission T und Absorption A beschreibt das Gesetz von Bouguert-Lambert:

T = e^-A (3)

Transmissionsmessungen werden beispielsweise eingesetzt zur Überwachung von organischen Substanzen in der Abwasserbehandlung, Verfolgung von chemischen Reaktionen.

In DE 199 20 184 C1 wird ein Verfahren für die synchrone Messung von diffus und specular reflektierten Anteilen undurchsichtiger Proben vorgeschlagen. In DE 199 34 934.7-52 wird die synchrone Ermittlung diffus und specular reflektierter Anteile sowie der Transmission von vorzugsweise transparenten Proben vorgeschlagen. Dabei ist die Separierung der specular reflektierten Strahlung und der Transmission mit Justageaufwand verbunden. Außerdem wird die diffuse Streuung mit einer vergleichsweise geringen Empfindlichkeit gemessen. Des weiteren werden keine Ausführungen zur optischen Korrektur störender Verschmutzung von optischen Flächen (z. B. durch Biofouling) gemacht.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Entwicklung einer einfachen Reflektanz-Meßsonde zur synchronen Ermittlung der diffus und specular reflektierten Anteile und der Transmission von vorzugsweise transparenten Proben mit geringem Justageaufwand, hoher Empfindlichkeit bei der Streuungsmessung und mit optischer Korrektur von Verschmutzungsprozessen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 3. Gemäß Anspruch 1 gelangt über eine Strahlungsquelle (1) Einkoppelstrahlung über ein optisch transparentes Fenster (8) direkt in die zu untersuchende flüssige Probe (7) (siehe Abb. 1). Die Probe ist mit dem Fenster (8) kontaktiert. Die Einkoppelstrahlung kann beispielsweise divergent eingestrahlt werden. Ein Teil der Einkoppelstrahlung trifft auf einen Spiegel (4), der diesen Teil wieder zum Fenster (8) zurück reflektiert und mit I_T1 bezeichnet wird. Der verbleibende Teil der Einkoppelstrahlung durchdringt die Probe (7) weiter und trifft auf eine Linse (3). Die Linse (3) nimmt die divergente Einkoppelstrahlung auf und richtet diese auf einen Spiegel (5). Der Spiegel (5) reflektiert die Strahlung in Richtung Linse (3) zurück, die die Strahlung wieder in die Probe (7) richtet. Die Strahlung durchdringt die Probe und gelangt durch das Fenster (8) als Strahlungsstrom I_T2 auf die Empfangsebene (2). In der Empfangsebene sind für I_T1 und I_T2 mindestens zwei optoelektronische Empfänger lokalisiert, die mit Strahlung beaufschlagt werden. Der Abstand des Spiegels (4) zum Fenster (8) ist kürzer als der des Spiegels (5) zum Fenster.

Ein weiterer Vorgang passiert an der Grenzfläche des Fensters (8) zur Probe. Von dieser Grenzfläche wird ein kleiner Teil der Einkoppelstrahlung in Richtung Empfangsebene zurück reflektiert. Dieser specular reflektierte Teil wird mit I_S bezeichnet, der mindestens einen Empfänger beaufschlagt.

Von der Probe (7) rückwärtig diffus gestreute Strahlung I_D gelangt ebenfalls auf die Empfangsebene (2) und beaufschlagt dort mindestens einen Empfänger.

Somit ergeben sich insgesamt vier verschiedene Strahlungsströme, die die Empfangsebene (2) beaufschlagen:
Transmittierte Strahlung I_T1 (vom Spiegel (4)).
Transmittierte Strahlung I_T2 (vom Spiegel (5)).
Specular reflektierte Strahlung I_S (von der Grenzfläche zwischen Fenster (8) und Probe (7)).
Diffus gestreute Strahlung I_D (von der Probe (7)).

Die Strahlungströme I_S, I_D, I_T2, I_T1 beaufschlagen an verschiedenen Orten der Empfangsebene (2) lokalisierte Empfänger (9, 10, 11, 12). Abb. 3 zeigt die Empfangsebene von vorn. Die unterschiedliche Beaufschlagung wird durch zur optischen Achse (6) der Linse (3) justierbare Spiegel (4), (5) und Empfangsebene (2) mit Lichtaustritt (1) eingestellt. Ein einfaches Beaufschlagungsbeispiel:
I_T2 trifft vollständig auf den Empfänger (12).
I_T1 trifft vollständig auf den Empfänger (9).
I_S trifft vollständig auf den Empfänger (10).
I_D trifft auf die Empfänger (9, 10, 11, 12).

Dabei richtet die abbildende Linse (3) mit dem Spiegel (5) die Strahlung I_T2 auf den Empfänger (12) unterhalb der optischen Achse (6). Der Spiegel (4) lenkt I_T1 auf den Empfänger (9) oberhalb des Lichtaustritts (1). Die an der Grenzfläche Fenster (8) und Probe (7) specular reflektierte Strahlung I_S wird auf den Empfänger (10) in unmittelbarer Nähe des Lichtaustrittes (1) gebracht. Die diffuse Strahlung I_D beaufschlagt alle Empfänger (9, 10, 11, 12). Eventuelle Fluoreszenzsignale können durch einen weiteren Empfänger zuzüglich Fluoreszenzfilter erfaßt werden.

Auch bei anderen Varianten der Beaufschlagung (mit teilweiser Strahlungsüberlappung) entsteht immer ein Gleichungssystem bestehend aus vier Gleichungen, mit denen die Strahlungsströme errechnet werden können.

Dieses Verfahren führt zu einer leichten Separierung insbesondere von I_T2, I_T1 und I_S, was den Justageaufwand wesentlich erleichtert. Durch die unmittelbare Nähe der Empfangsebene zur Probe ist die Meßempfindlichkeit bezüglich der diffusen Streuung (elastische und inelastische) groß. Die optische Korrektur von Verschmutzungsbelag wird durch den Quotienten aus den Intensitäten I_T2 I_T1 erreicht. Andererseits kann aus den beiden Intensitäten I_T2 und I_T1, die ein Gleichungssystem mit zwei Gleichungen für die Transmission der Probe und für die Transmission des Verschmutzungsbelages, der Beitrag des Verschmutzungsbelages separat ermittelt werden. Das ist z. B. in industriellen Prozessen, bei denen die Verschmutzung überwacht werden soll, von Interesse. Des weiteren ergeben dabei auch aus I_S (speculare Reflexion und Streuung des Belages) und I_D (Streuung von Probe und Belag!) zusätzlich Informationen zum Verschmutzungsbelag, was eine sichere Überwachung der Verschmutzung überhaupt erst möglich macht.

Bei Anwendungen, die nicht durch Verschmutzungsprozesse beeinflußt sind, wird der Spiegel (4) nicht benutzt.

Anspruch 2 (Abb. 2) ist eine günstige Ausbildung für den Fall, daß die von der Probe diffus gestreute Strahlung I_D stört. Die vom Abstrahlort (1) kommende Einkoppelstrahlung gelangt mittels Linse (3) in die Probe (7). Linse und Abstrahlort weisen dabei einen Abstand auf. Durch die Wirkung des Abstandsgesetzes treffen so weniger Streuphotonen auf die Empfangsebene. Ist der Abstand z. B. gleich der Brennweite der Linse (3), dann ist die Einkoppelstrahlung in der Probe parallelisiert. Diese trifll auf die Spiegel (4) und (5), die jeweils Teile der Einkoppelstrahlung wieder zur Linse (3) zurück reflektieren. Dabei ist der Spiegel (5) vertikal ausgerichtet, so daß die Strahlung I_T2 auf einen Empfänger unterhalb der optischen Achse (6) gelangt. Die zweifache Wirkung der Linse (3) auf die Einkoppelstrahlung führt zu einer umgekehrten Abbildung des Abstrahlortes (1) auf der Empfangsebene (2). Der Spiegel (4) ist leicht geneigt, so daß die Strahlung I_T1 auf einen Empfänger gerichtet wird, der oberhalb der optischen Achse (6) angeordnet ist.

Der Anspruch 3 beschreibt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1. Der Ort der Abstrahlung (1) und die Empfänger in der Empfangsebene (2) bilden eine gemeinsame Ebene. Dem Ort der Abstrahlung (1) und der Empfangsebene (2) ist ein optisch durchlässiges Fenster (8) unmittelbar nachgeordnet. Das Fenster (8) ist mit der Probe (7) kontaktiert. Beide bilden eine Grenzfläche. In der Nähe des Fensters (8) ist ein Spiegel (4) lokalisiert, der sich in der Probe befindet. In einem größeren Abstand vom Fenster (8) ist eine Linse (3) mit ihrer optischen Achse (6) angeordnet. Der Linse (3) ist ein Spiegel (5) nachgeordnet. Die dem Spiegel (5) abgewandte Seite der Linse (3) ist mit der Probe kontaktiert. Die Linse kann als konvex oder plankonvex ausgebildet sein. Im Falle plankonvex kann entweder die Planseite oder die Konvexseite mit der Probe (7) kontaktiert sein. Die Kombination aus Linse (3) und Spiegel (5) kann auch durch einen Hohlspiegel ersetzt werden.

Der Anspruch 4 beschreibt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2. Dem Ort der Abstrahlung (1) und der Empfangsebene (2) ist eine Linse (3) nachgeordnet. Die Linse (3) ist mit der Probe kontaktiert. Beide bilden eine Grenzfläche. Die Linse kann als konvex oder plankonvex ausgebildet sein. Im Falle plankonvex kann entweder die Planseite oder die Konvexseite mit der Probe (7) kontaktiert sein. In einem kleineren Abstand von der Linse (3) sind der Spiegel (4) und in einem größeren Abstand von der Linse (3) der Spiegel (5) angeordnet.

Der Anspruch 5 beschreibt eine günstige Ausbildung der Ansprüche 3 und 4. Die in der Empfangsebene (2) angeordneten Empfänger und Strahlungsquellen können auch die Endflächen von Lichtwellenleitern sein. Das bedeutet, die Strahlungszuführung (Einkoppelstrahlung) und die Strahlungsabführung (Strahlungströme I_S, I_D, I_T2, I_T1) erfolgen über Lichtwellenleiter bzw. Lichtwellenleiterbündel. Die Endflächen der Lichtwellenleiter bilden eine gemeinsame Ebene.

Claims

1. Verfahren für die gleichzeitige Erfassung von diffusen und specularen Reflexionen in vorzugsweise transparenten Flüssigkeiten,
gekennzeichnet dadurch,
daß die vom Abstrahlort (1) kommende und über ein Fenster (8) auf die Probe (7) gerichtete Einkoppelstrahlung die Probe (7) bis zu einem Spiegel (4), der einen Teil der Einkoppelstrahlung wieder zum Fenster (8) zurück reflektiert, der verbleibende Teil der Einkoppelstrahlung die Probe (7) bis zu einer Linse (3) durchdringt, die Linse (3) diese Strahlung auf den Spiegel (5) richtet, der diese wieder über Linse (3) in die Probe (7) zum Fenster (8) zurück reflektiert, der Spiegel (4) einen kürzeren Abstand und der Spiegel (5) einen längeren Abstand vom Fenster (8) aufweisen, die beiden von der Probe transmittierten Einkoppelstrahlungen I_T1 für den kurzen Abstand und I_T2 für den langen Abstand das Fenster (8) durchdringen die Empfangsebene (2) beaufschlagen,
daß die an der Grenzfläche Fenster (8) und Probe (7) specular reflektierte Strahlung I_S die Empfangsebene (2) beaufschlagt,
daß von der Probe (7) diffus gestreute Strahlung I_D die Empfangsebene (2) beaufschlagt, daß die Strahlungen I_S, I_D, I_T2 und I_T1 vier Empfänger an verschiedenen Orten der Empfangsebene (2) unterschiedlich beaufschlagen, die unterschiedliche Beaufschlagung durch zur optischen Achse (6) der Linse (3) justierbare Spiegel (4), (5) und Empfangsebene (2) mit Lichtaustritt (1) eingestellt wird, und I_S, I_D, I_T2 und I_T1 über ein Gleichungssystem bestehend aus vier Gleichungen ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die vom Abstrahlort (1) kommende Einkoppelstrahlung mittels Linse (3) in die Probe (7) eindringt, auf die Spiegel (4) und (5) gerichtet wird, die Spiegel jeweils Teile der Strahlung wieder zur Linse (3) zurück reflektieren und über Linse (3) die Empfangsebene (2) beaufschlagt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dem Ort der Abstrahlung (1) und der Empfangsebene (2) ein optisch durchlässiges Fenster (8) unmittelbar nachgeordnet ist, das Fenster (8) mit der Probe kontaktiert ist, in einem kleineren Abstand vom Fenster (8) ein Spiegel (4) und in einem größeren Abstand vom Fenster (8) eine Linse (3) angeordnet sind, der Linse (3) ein Spiegel (5) nachgeordnet ist.

4. Vorichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß dem Ort der Abstrahlung (1) und der Empfangsebene (2) eine Linse (3) nachgeordnet ist, die Linse (3) mit der Probe kontaktiert ist, in einem kleineren Abstand von der Linse (3) ein Spiegel (4) und in einem größeren Abstand von der Linse (3) ein Spiegel (5) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß die, in der Empfangsebene (2) angeordneten Empfänger und Strahlungsquellen durch die Endflächen von Lichtwellenleitern ersetzt sind.