DE102004018754A1

DE102004018754A1 - Vorrichtung für die Messung der Streuung und Absorption von Proben

Info

Publication number: DE102004018754A1
Application number: DE200410018754
Authority: DE
Original assignee: Optosens Optische Spektroskopie und Sensortechnik GmbH
Current assignee: SINN, GERT, DR., DE
Priority date: 2004-04-17
Filing date: 2004-04-17
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2024-04-18
Also published as: DE102004018754B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Meßsonde zur synchronen Ermittlung der Streuung und Absorption, wobei die Streuung über speziell angeordnete Empfänger erfaßt wird. Die Erfindung kann auf dem Gebiet der Analytik, Umwelt-, Qualitäts- und Prozeßüberwachung eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messsonde für die synchrone Messung der Streuung und Absorption.
Die Erfindung kann auf dem Gebiet der Analytik, Umwelt-, Qualitäts- und Prozeßüberwachung eingesetzt werden.

In DE 199 20 184 A1 , DE 199 34 934 C1 und DE 100 02 238 A1 werden Verfahren und Vorrichtungen für die synchrone Messung von Absorption, Streuung und Refraktion von transparenten und undurchsichtigen Proben vorgestellt. Dabei fällt Strahlung von einer Strahlungsquelle (z.B. die Endfläche eines Lichtwellenleiters) divergent auf eine Linse, die die Strahlung parallelisiert. Diese Parallelstrahlung beaufschlagt die Probe, die fest oder flüssig sein kann. Bei transparenten Proben durchdringt die Strahlung die Probe und gelangt auf einen Spiegel, der diese durch die Probe wieder zur Linse zurück reflektiert. Die Linse fokussiert die durch die Probe transmittierte Strahlung auf einen Transmissionsempfänger (optoelektronischer Empfänger oder eine Lichtwellenleiterendfläche), der in derselben Ebene wie die Strahlungsquelle lokalisiert ist (Strahlungs- und Empfangsebene). Neben dem Transmissionsempfänger ist mindestens ein weiterer Empfänger zur Messung von Streustrahlung in der Strahlungs- und Empfangsebene lokalisiert. Die von der Probe in Linsenrichtung strömende Streustrahlung fällt durch die Linse auf die Strahlungs- und Empfangsebene, beaufschlagt den Transmissionsempfänger sowie den Streuempfänger. Der Streuempfänger registriert ausschließlich Streustrahlung. Der Transmissionsempfänger registriert beides, die transmittierte Strahlung und die Streustrahlung. Falls erforderlich, wird das Signal vom Transmissionsempfänger mit dem Signal vom Streuempfänger korrigiert.

Da die Strahlungs- und Empfangsebene ungefähr in der Brennebene der Linse lokalisiert ist, weisen die Empfänger einen Abstand zur Linse auf, der von der Brennweite der Linse vorgegeben ist. Insbesondere für die Streuungsmessung ist es dabei nachteilig, dass der Streuempfänger auch mit an optischen Grenzflächen (z.B. Luft/Linse im Innern der Messsonde) specular reflektierter Strahlung beaufschlagt wird. Diese Strahlung erhöht den optischen Offset und verringert dadurch den Dynamikbereich der Streuungsmessung. Außerdem sinkt durch die Wirkung des Entfernungsgesetzes (1/r²) die Intensität der von der Probe gestreuten und auf den Streuempfänger treffenden Strahlung. Ungünstige Signal/Rausch-Verhältnisse sind die Folge.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Entwicklung einer Messsonde zur synchronen Ermittlung der Streuung und Absorption, wobei insbesondere für die Streuungsmessung der Dynamikbereich und das Signal/Rausch-Verhältnis erhöht werden sollen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit der folgenden Vorrichtung.

Zur Erläuterung des Anspruches 1 dienen beispielhaft die 1 und 2. Die 1 zeigt den Strahlungsverlauf und die Anordnung der optischen Komponenten entlang der optischen Achse der Linse (3). Die 2 zeigt die Anordnung von Komponenten in der Ansicht von vorn durch die Linse (3).

Von einer Strahlungsquelle (2) aus gelangt Strahlung (7) auf ein optisches Element (z.B. Linse (3). Die Strahlungsquelle (2) kann ein direkt angeordneter Strahler oder durch eine oder mehrere Endflächen von Lichtwellenleitern gebildet sein. Dabei können verschiedene Wellenlängen zeitlich versetzt erzeugt werden. Die Strahlung (7) wird durch die Linse (3) kollimiert, gelangt als Paralellstrahlung (8) in die Probe (11) und wird von einem Spiegel (4) zur Linse zurück reflektiert. Die transmittierte Strahlung (9) wird durch die Linse (3) auf einen Transmissionsempfänger (5) fokussiert. Dieser Empfänger kann ein optoelektronischer Empfänger oder durch eine oder mehrere Endflächen von Lichtwellenleitern gebildet sein. Strahlungsquelle (2) und Empfänger (5) sind in einer gemeinsamen Strahlungs- und Empfangsebene (1) lokalisiert. Die Streuung (10) der Probe (11) wird von mindestens einem Streuempfänger (6) erfaßt. Auch dieser Empfänger kann ein optoelektronischer Empfänger oder durch eine oder mehrere Endflächen von Lichtwellenleitern gebildet sein. Die Streuung kann elastisch und/oder inelastisch sein. Im Unterschied zu DE 199 20 184 A1 ist der Streuempfänger (6) nicht in der Strahlungs- und Empfangsebene (1) sondern erfindungsgemäß in der Nähe der Linse (3) lokalisiert. Dadurch ist seine Entfernung von der Probe (11) kleiner und infolge der Wirkung des Entfernungsgesetzes (1/r²) damit die auftreffende Streuintensität größer.

Gemäß Anspruch 2 kann der Empfänger (6) bzgl. seines Abstandes zur Linse (3) und zur optischen Achse der Linse (3) optimal justiert werden. Damit wird erreicht, dass Empfänger (6) nicht mit an optischen Grenzflächen (z.B. Luft/Linse (3)) specular reflektierter Strahlung beaufschlagt wird, was den Dynamikbereich der Streuungsmessung erhöht. Des weiteren kann durch eine solche Justagemöglichkeit der vom Empfänger gesehene Winkelbereich der Streuung aus Probe (11) eingestellt werden.

Eine günstige Ausbildung des Empfängers (6) ist im Anspruch 3 dargestellt. Hierbei sind mehrere Empfänger (6), z.B. mehrere Endflächen von Lichtwellenleitern, entlang einer Kreislinie angeordnet (2). Der Durchmesser dieses Kreises ist kleiner als der Durchmesser der Linse (3) (äußerer Kreis auf der 2). Damit durchdringt die Streustrahlung (10) erst die Linse (3) bevor die Lichtwellenleiter mit Streuung beaufschlagt werden.

Nach Anspruch 4 ist ein Schutzfenster einmal vor der Linse (3) und einmal vor dem Spiegel (4) in der Weise angeordnet, dass sich die Probe (11) ausschließlich zwischen diesen beiden Schutzfenstern befindet. Diese Fenster dienen dem Schutz der optischen Einheit. Ein weiteres Fenster kann unmittelbar vor der Strahlungs- und Empfangsebene (1) lokalisiert sein. An diesem Fenster wird ein Teil der Strahlung (7) zurück reflektiert. Dieser reflektierte Strahlungsteil wird auf mindestens einen weiteren, in der Strahlungs- und Empfangsebene befindlichen Empfänger geleitet (siehe 2: Lichtwellenleiterendflächen ober- bzw. unterhalb der Lichtwellenleiter (2, 5) in der Strahlungs- und Empfangsebene (1)). Dieses Fenster dient als Referenzfenster zur Erfassung von Referenzstrahlung, die zur Messwertnormierung verwendet wird. Damit werden z.B. Intensitätsschwankungen der Strahlungsquelle (2) kompensiert. Dieses Fenster kann auch als Filter ausgebildet sein, um die Strahlung spektral beeinflußen zu können.

Für optisch dichte Proben (z.B. undurchsichtige Festkörper, sehr trübe Flüssigkeiten) kann der Spiegel (4) demontiert werden. Der Sensor ist dann ein Remissometer. Außerdem kann die Linse demontiert werden. Das hat u.a. den Vorteil, daß sich weniger Grenzflächen im Strahlengang befinden.

Claims

Vorrichtung für die synchrone Messung der Streuung und Absorption von Proben (11) mit Strahlungsquellen (2) und Empfängern (5), die in einer gemeinsamen Strahlungs- und Empfangsebene (1) angeordnet sind, diese Ebene ungefähr in der Brennebene einer Linse (3) lokalisiert ist, die Linse (3) aus der von der Strahlungs- und Empfangsebene (1) divergent abgestrahlten Strahlung (7) Parallelstrahlung (8) erzeugt, die die Probe (11) bis zu einem Spiegel (4) durchdringt und nach Reflexion am Spiegel (4) durch die Linse (3) auf einen Transmissionsempfänger (5) zur Messung der transmittierten Intensität (9) fokussiert wird, gekennzeichnet dadurch, dass für die Messung der Streuung (10) mindestens ein auf die Probe (11) ausgerichteter Empfänger (6) zwischen der Strahlungs- und Empfangsebene (1) und der Linse (3) in Nähe der Linse (3) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Empfänger (6) bezüglich des Abstandes zur optischen Achse und zur Hauptebene der Linse (3) justierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere Empfänger (6) kreisförmig im Randbereich der Linse (3) angeordnet sind, wobei der Durchmesser des von den Empfängern (6) gebildeten Kreises kleiner als der Durchmesser der Linse (3) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass zwischen Linse (3) und Spiegel (4) Schutzfenster angeordnet sind, so dass sich die Probe (11) zwischen den Schutzfenstern befindet.