DE10032739A1 - Reflektanz-Meßsonde für die gleichzeitige Erfassung von diffusen und specularen Reflexioonen sowie der Transmission in vorzugweise transparenten Flüssigkeiten - Google Patents
Reflektanz-Meßsonde für die gleichzeitige Erfassung von diffusen und specularen Reflexioonen sowie der Transmission in vorzugweise transparenten FlüssigkeitenInfo
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- DE10032739A1 DE10032739A1 DE2000132739 DE10032739A DE10032739A1 DE 10032739 A1 DE10032739 A1 DE 10032739A1 DE 2000132739 DE2000132739 DE 2000132739 DE 10032739 A DE10032739 A DE 10032739A DE 10032739 A1 DE10032739 A1 DE 10032739A1
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- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
- G01N21/4738—Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials
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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.
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.
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 RG 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):
RG = ((n-1)/(n+1))2 (2)
mit n = nReal + nImaginär. 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.
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 IT1 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 IT2 auf die Empfangsebene (2). In der Empfangsebene sind für IT1 und IT2
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 IS bezeichnet, der mindestens einen Empfänger
beaufschlagt.
Von der Probe (7) rückwärtig diffus gestreute Strahlung ID 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 IT1 (vom Spiegel (4)).
Transmittierte Strahlung IT2 (vom Spiegel (5)).
Specular reflektierte Strahlung IS (von der Grenzfläche zwischen Fenster (8) und Probe (7)).
Diffus gestreute Strahlung ID (von der Probe (7)).
Transmittierte Strahlung IT1 (vom Spiegel (4)).
Transmittierte Strahlung IT2 (vom Spiegel (5)).
Specular reflektierte Strahlung IS (von der Grenzfläche zwischen Fenster (8) und Probe (7)).
Diffus gestreute Strahlung ID (von der Probe (7)).
Die Strahlungströme IS, ID, IT2, IT1 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:
IT2 trifft vollständig auf den Empfänger (12).
IT1 trifft vollständig auf den Empfänger (9).
IS trifft vollständig auf den Empfänger (10).
ID trifft auf die Empfänger (9, 10, 11, 12).
IT2 trifft vollständig auf den Empfänger (12).
IT1 trifft vollständig auf den Empfänger (9).
IS trifft vollständig auf den Empfänger (10).
ID trifft auf die Empfänger (9, 10, 11, 12).
Dabei richtet die abbildende Linse (3) mit dem Spiegel (5) die Strahlung IT2 auf den Empfänger
(12) unterhalb der optischen Achse (6). Der Spiegel (4) lenkt IT1 auf den Empfänger (9) oberhalb
des Lichtaustritts (1). Die an der Grenzfläche Fenster (8) und Probe (7) specular reflektierte
Strahlung IS wird auf den Empfänger (10) in unmittelbarer Nähe des Lichtaustrittes (1) gebracht.
Die diffuse Strahlung ID 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 IT2, IT1 und IS, 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 IT2
IT1 erreicht. Andererseits kann aus den beiden Intensitäten IT2 und IT1, 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 IS (speculare Reflexion und Streuung des Belages) und ID
(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 ID 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 IT2 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 IT1 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 IS, ID, IT2, IT1) erfolgen über Lichtwellenleiter bzw.
Lichtwellenleiterbündel. Die Endflächen der Lichtwellenleiter bilden eine gemeinsame Ebene.
Claims (5)
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 IT1 für den kurzen Abstand und IT2 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 IS die Empfangsebene (2) beaufschlagt,
daß von der Probe (7) diffus gestreute Strahlung ID die Empfangsebene (2) beaufschlagt, daß die Strahlungen IS, ID, IT2 und IT1 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 IS, ID, IT2 und IT1 über ein Gleichungssystem bestehend aus vier Gleichungen ermittelt werden.
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 IT1 für den kurzen Abstand und IT2 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 IS die Empfangsebene (2) beaufschlagt,
daß von der Probe (7) diffus gestreute Strahlung ID die Empfangsebene (2) beaufschlagt, daß die Strahlungen IS, ID, IT2 und IT1 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 IS, ID, IT2 und IT1 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000132739 DE10032739A1 (de) | 2000-07-05 | 2000-07-05 | Reflektanz-Meßsonde für die gleichzeitige Erfassung von diffusen und specularen Reflexioonen sowie der Transmission in vorzugweise transparenten Flüssigkeiten |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2000132739 DE10032739A1 (de) | 2000-07-05 | 2000-07-05 | Reflektanz-Meßsonde für die gleichzeitige Erfassung von diffusen und specularen Reflexioonen sowie der Transmission in vorzugweise transparenten Flüssigkeiten |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10032739A1 true DE10032739A1 (de) | 2002-01-17 |
Family
ID=7647924
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2000132739 Withdrawn DE10032739A1 (de) | 2000-07-05 | 2000-07-05 | Reflektanz-Meßsonde für die gleichzeitige Erfassung von diffusen und specularen Reflexioonen sowie der Transmission in vorzugweise transparenten Flüssigkeiten |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10032739A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014162014A3 (de) * | 2013-04-06 | 2014-12-04 | Optosphere Spectroscopy Gbr | Vorrichtung zur messung der streuung einer probe |
-
2000
- 2000-07-05 DE DE2000132739 patent/DE10032739A1/de not_active Withdrawn
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014162014A3 (de) * | 2013-04-06 | 2014-12-04 | Optosphere Spectroscopy Gbr | Vorrichtung zur messung der streuung einer probe |
CN105393106A (zh) * | 2013-04-06 | 2016-03-09 | 罗姆有限责任公司 | 用于测量样品的散射的设备 |
US9952150B2 (en) | 2013-04-06 | 2018-04-24 | L.U.M. Gmbh | Device for measuring the scattering of a sample |
CN105393106B (zh) * | 2013-04-06 | 2020-02-21 | 罗姆有限责任公司 | 用于测量样品的散射的设备 |
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