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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine ATR Sonde zur Untersuchung eines
Mediums mit Infrarotstrahlung.
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Bei
diesen Sonden wird Strahlung in einem Strahlungsführungskörper an
der Grenzfläche
zu einem Medium durch Totalreflexion reflektiert, wobei die reflektierte
Strahlung ein medienabhängiges
Absorptionsspektrum aufweist.
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Die
Strahlungsführungskörper benötigen geneigte
Oberflächen
bezüglich
der medienberührenden
Oberfläche,
an der die Totalreflexion erfolgen soll, um die Strahlung unter
geeigneten Winkeln einkoppeln zu können.
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Diamant
ist ein idealer Werkstoff für
den Strahlungsführungskörper, wobei
es im Stand der Technik üblich
ist, den Strahlungsführungskörper aus einem
medienberührenden
Diamantkörper
und einem Einkopplungskörper
zu fügen,
wobei das Material des Einkopplungskörpers einen hinreichend ähnlichen
Brechungsindex wie Diamant aufweist. Der Einkopplungskörper weist
die geneigten Flächen
auf, über
die das Licht unter geeigneten Winkeln total reflektiert wird, um
schließlich
derart in den Diamantkörper
zu gelangen, dass an dessen medienberührender Grenzfläche Totalreflexion
erfolgen kann. Derartige ATR-Sonden sind beispielsweise offenbart
in US-Patent Nr. 5,703,366 oder US-Patent Nr. 5,773,825. Dieser
Ansatz ist insofern problematisch, als die Grenzfläche zwischen
dem Diamantkörper und
dem Einkopplungskörper
fertigungstechnische Probleme aufwirft.
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Ein
anderer Ansatz für
ATR-Sonden betrifft die so genannten konischen ATR-Sonden. Diese Sonden
weisen mehrere medienberührende
Flächen auf,
an denen jeweils Totalreflexion erfolgen soll. Da der Strahlungsverlust
entlang des Pfades durch den kleinsten Einfallswinkel bestimmt ist,
folgt, dass alle Winkel gleich groß sein müssen, um die Verluste zu minimieren.
Dies führt
zu sehr engen konstruktiven Randbedingungen und zusätzlich zu
einem begrenzten Einsatzgebiet hinsichtlich der Brechungsindexverhältnisse
von Strahlungsführungskörpern und
Medien. Zudem ist zwingend eine Kollimation des Lichtes erforderlich,
um in den eng gesteckten Grenzen nicht noch weitere Strahlungsintensität in das
Medium zu verlieren. Eine kritische Würdigung dieser Ansätze ist
beispielsweise in US-Patent Nr. 5,991,029 zu finden, welches eine
asymmetrische ATR-Sonde mit mehreren medienberührenden Flächen zeigt, bei denen die Fläche mit
dem kleinsten Einfallswinkel, bei dem Totalreflexion nicht mehr
erfolgen kann, verspiegelt ist. Dieser Ansatz hat einen großen fertigungstechnischen
Aufwand und ist aufgrund des großen Volumens des Strahlungsführungskörpers bei gegebener
Größe der medienberührenden
Oberflächen
für bestimmte
Materialien des Strahlungsführungskörpers, beispielsweise
Diamant, einfach zu teuer.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ATR-Sonde
bereitzustellen, welche die beschriebenen Nachteile überwindet.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die ATR-Sonde gemäß des unabhängigen Patentanspruchs
1. Weitere vorteilhafte Gesichtspunkte der Erfindung ergeben sich
aus den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung und des anhand der Zeichnungen erläuterten
Ausführungsbeispiels.
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Die
ATR-Sonde zur Untersuchung eines Mediums mittels Infrarotstrahlung,
umfasst:
ein Gehäuse
mit einer medienseitigen Öffnung;
einen
für die
Infrarotstrahlung transparenten, Strahlungsführungskörper, welcher die medienseitige Öffnung des
Gehäuses
verschließt,
wobei der Strahlungsführungskörper zwei
planparallele Stirnflächen aufweist,
von denen eine erste Stirnfläche
durch die medienseitige Gehäuseöffnung mit
dem Medium beaufschlagbar ist, eine zweite Stirnfläche dem
Gehäuseinneren zugewandt
ist, und die erste und die zweite Stirnfläche durch eine umlaufende Mantelfläche miteinander
verbunden sind, wobei die Mantelfläche, durch eine umlaufende
Dichtung zwischen der ersten Stirnfläche und dem Gehäuse mediendicht
von der Gehäuseöffnung getrennt
ist;
mindestens einen Einkopplungslichtleiter in dem Gehäuse, welcher
Licht mit einer im wesentlichen senkrecht zur zweiten Stirnfläche verlaufenden
optischen Achse in einem Einkopplungsrandbereich der zweiten Stirnfläche in den
Strahlungsführungskörper einkoppelt;
mindestens
einen Auskopplungslichtleiter in dem Gehäuse, welcher Licht mit einer
im wesentlichen senkrecht zur zweiten Stirnfläche verlaufenden optischen Achse
in einem Auskopplungsrandbereich der zweiten Stirnfläche in den
Strahlungsführungskörper einkoppelt;
wobei
ferner die umlaufende Mantelfläche
eine geneigte Einkopplungsumlenkfläche aufweist, deren senkrechte
Projektion auf die zweite Stirnfläche mit dem Einkopplungsrandbereich überlappt,
und eine geneigte Auskopplungsumlenkfläche, deren senkrechte Projektion
auf die zweite Stirnfläche
mit dem Auskopplungsrandbereich überlappt,
wobei
der Strahlengang des von dem Einkopplungslichtleiter im Einkopplungsrandbereich
der zweiten Stirnfläche
eingekoppelten Lichts nach einer Totalreflexion an der Einkopplungsumlenkfläche direkt
zu einem mit dem Medium beaufschlagbaren Bereich der ersten Stirnfläche führt, von
dort mit einer zweiten Totalreflexion direkt zur Auskopplungsumlenkfläche verläuft, und
von der Auskopplungsumlenkfläche nach
einer dritten Totalreflexion zu dem Auskopplungsrandbereich der
zweiten Oberfläche
gelangt, um in den Auskopplungslichtleiter ausgekoppelt zu werden.
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Die
obige Definition der optischen Achse des Lichts der Ein- bzw. Auskopplungslichtleiter
als im wesentlichen senkrecht zur zweiten Stirnfläche verlaufend
schließt
im Sinne der Erfindung einen Winkelbereich von exakt senkrechter
Ausrichtung der optischen Achse bis zu einem Neigungswinkel von
nicht mehr als ±15°, vorzugsweise
nicht mehr als ±8°, weiter
bevorzugt nicht mehr als ±4° und besoders
bevorzugt nicht mehr als ±2° bezüglich der
exakt senkrechten Ausrichtung ein.
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Der
Strahlungsführungskörper ist
vorzugsweise monolithisch, und er weist insbesondere keine internen
Grenzflächen
zwischen gefügten
Komponenten auf.
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In
einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung weist der Strahlungsführungskörper Diamant
auf. Diamant ist wegen seiner Medienbeständigkeit, seiner mechanischen
Festigkeit und seiner optischen Eigenschaften besonders gut als
Strahlungsführungskörper im
Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung geeignet, dies liegt
nicht zuletzt in dem hohen Brechungsindex von beispielsweise 2,38
bei einer Wellenlänge
von 8 μm
begründet,
was es begünstigt, das
Licht durch Totalreflexion zu führen.
Der Diamant kann entweder natürlicher
Diamant oder synthetisch hergestellter CVD-Diamant sein. CVD-Diamantschichten
lassen sich wirtschaftlich bereits in einer Stärke herstellen und bearbeiten,
die als Ausgangsmaterial Strahlungsführungskörper mit einem Durchmesser
von etwa 1 cm und einer Stärke
von etwa 1,5 mm ermöglichen.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist der Strahlungsführungskörper im
wesentlichen kreisscheibenförmig
oder zylindrisch geformt, wobei die Einkopplungsumlenkfläche und
die Auskopplungsumlenkfläche
als einander gegenüberliegende,
ebene Facetten in der Mantelfläche
der Kreisscheibe bzw. des Zylinders ausgebildet sind.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung kann der Strahlungsführungskörper mehrere
Einkopplungsumlenkflächen
und mehrere Auskopplungsumlenkflächen
entlang der Mantelfläche
aufweisen, die einander jeweils paarweise gegenüberliegen. Dementsprechend
weist die zweite Stirnfläche überlappend
mit den senkrechten Projektionen der Ein- bzw. Auskopplungsumlenkflächen auf
die zweite Stirnfläche
Ein- bzw. Auskopplungsrandbereiche auf.
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In
jedem der Einkopplungsrandbereiche kann jeweils Licht aus einem
oder aus mehreren Einkopplungslichtleitern eingekoppelt und entsprechend mit
einem oder mehreren Auskopplungslichtleitern ausgekoppelt werden.
Sofern jeweils mehrere Ein- bzw. Auskopplungslichtleiter für einen
Ein- bzw. Auskopplungsrandbereich vorgesehen sind, können die Leiter
beispielsweise gebündelt
oder geordnet nebeneinander positioniert werden.
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Die
Lichtleiter können
beispielsweise Silberhalogenidfasern aus Silberchlorid (AgCl), Silberbromid
(AgBr) und ihre festen Lösungen
(AgClxBr1-x) aufweisen,
welche insbesondere geeignet sind für die Übertragung von Strahlung des
mittleren Infrarots, also für
den Wellenlängenbereich
von etwa 4 μm
bis etwa 16 μm.
Die Fasern weisen einen Kern mit einem hohen Brechungsindex von
beispielsweise etwa 2,1 im fraglichen Wellenlängenbereich. Die Fasern können entweder
reine Kernfasern oder es können
polymerbeschichtete Fasern oder Fasern mit Mantel (Kern/Umhüllung) sein,
wobei die Umhüllung
mehr AgCl für
die totale interne Reflexion enthalten kann.
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Die
Fasern sollten Auskopplungs- bzw. Einkopplungsstirnflächen aufweisen,
die im wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Fasern in einem ein-
bzw. auskoppelnden Endabschnitt verlaufen, um die Auskopplung aus
der Faser zu maximieren.
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Die
Fasern können
in Luft beispielsweise eine numerische Apertur von 0,25 aufweisen,
was in Luft einem halben Öffnungswinkel
des Lichtkegels von etwa 14,5° bezüglich der
optischen Achse der Faser entspricht. Aufgrund der optischen Dichte
des Materials des Strahlungsführungskörpers, wird
der halbe Öffnungswinkel
des Lichtkegels bei Eintritt in den Strahlungskörper wieder erheblich reduziert,
beispielsweise im Falle von Diamant auf, etwa 6°.
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Zur
Minimierung der optischen Verluste an Grenzflächen kann die Zahl der optischen
Elemente in der erfindungsgemäßen ATR-Sonde
auf ein Minimum beschränkt
werden. Beispielsweise wird auf Linsen zur Kollimation des aus den
Fasern bzw. Lichtleitern austretenden Lichtes verzichtet. Daraus folgt,
nach Gesichtspunkten der geometrischen Optik dass es vorteilhaft
ist, den Abstand zwischen dem Strahlungsführungskörper möglichst gering zu halten.
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Die
Stirnflächen
der Faserlichtleiter können einerseits
direkt gegen die zweite Stirnfläche
des Strahlungsführungskörpers gepresst
werden, wobei dies fertigungstechnisch einen großen Aufwand bedeutet, denn
Spalte in der Größenordnung
der Wellenlänge
könnten
zu unerwünschten
Interferenzen führen.
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Derzeit
ist es deshalb bevorzugt, dass die Stirnflächen der Fasern in einem Abstand
von der zweiten Stirnfläche
angeordnet sind, der wesentlich größer ist als die maximale Nutzwellenlänge mit
der die ATR-Sonde betrieben werden soll. Der Abstand kann beispielsweise
mindestens das 5-fache, bevorzugt mindestens das 10-fache und besonders
bevorzugt mindestens das 15-fache der maximalen Nutzwellenlänge. Wenn
die maximale Nutzwellenlänge
15 μm beträgt, so kann
der Abstand beispielsweise mindestens 75 μm, bevorzugt mindestens 150 μm und besonders
bevorzugt mindestens 225 μm
betragen.
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Andererseits
sollte der Abstand zwischen der Stirnfläche der Fasern und der zweiten
Stirnfläche
des Strahlungsführungskörpers nicht
zu groß sein,
da die numerische Apertur der Fasern in Luft doch zu einer signifikanten
Aufweitung des Strahlquerschnitts führt. Dieser Effekt ist zwar
einerseits im Sinne einer homogeneren Verteilung der Strahlungsdichte
erwünscht,
andererseits erfordert ein größerer Strahlquerschnitt
größere optische
Komponenten, beispielsweise größere Ein-
bzw. Auskopplungsumlenkflächen,
wenn nicht Strahlungsintensität
verloren gehen soll. Bei vorgegebenen Neigungswinkeln und einem
unveränderten
Verlauf der optischen Achse bedeuten größere Umlenkflächen aber
eine dickere Materialstärke
für den
Strahlungsführungskörper und damit
auch einen größeren Abstand
der zusammenwirkenden Ein- und Auskopplungsumlenkflächen voneinander.
Insofern als die Größe der Strahlungsführungskörper ein
wesentlicher Kostenfaktor ist, insbesondere wenn dieser aus Diamant
gefertigt ist, erscheint es geboten, auf übermäßige Aufweitungen des Strahldurchmessers
zu verzichten. Daher ist es derzeit bevorzugt, dass der Abstand
zwischen den Stirnflächen
der Fasern und der Zweiten Stirnfläche des Strahlungsführungskörpers nicht
mehr als 1,6 mm, weiter bevorzugt nicht mehr als 0,8 mm und besonders
bevorzugt nicht mehr als 0,4 mm beträgt.
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Anstelle
von Lichtleiterfasern können
auch verspiegelte Hohlleiter als Ein- bzw. Auskopplungslichtleiter
verwendet werden, wobei als Material für die Verspiegelung beispielsweise
Gold oder Silberhalogenide, insbesondere Silberjodid in Betracht kommen.
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Die
erfindungsgemäße ATR-Sonde
kann beispielsweise ein im wesentlichen zumindest abschnittsweise
zylindrisches Gehäuse,
beispielsweise ein Stahlgehäuse,
aufweisen, wobei die medienseitige Gehäuseöffnung in einer Stirnfläche des
Gehäuses
angeordnet ist. Die Gehäuseöffnung ist
vorzugsweise von einer axialen Anschlagfläche umgeben, welche einen Dichtungssitz
für einen
um die Gehäuseöffnung verlaufenden
vorzugsweise elastischen Dichtring aufweisen kann. Der Dichtring
kann beispielsweise Kalrez, Viton oder EPDM aufweisen.
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Der
Strahlungsführungskörper ist
beispielsweise in dem Gehäuse
zwischen dem Dichtring und einem Einspannkörper axial eingespannt, wobei
der Einspannkörper
in geeigneter Weise direkt oder indirekt an dem Gehäuse axial
abgestützt
ist, beispielsweise mittels eines Gewinderings, welcher mit einem Gewinde
in der Gehäusewand
in Eingriff ist, wobei zwischen dem Gewindering und dem Einspannkörper ggf.
weitere Stützkörper vorgesehen
sein können.
Gleichermaßen
kann der Einspannkörper
gemäß einer
anderen Ausgestaltung ein Gewinde an seiner Mantelfläche aufweisen,
mit dem er in ein komplementäres
Gewinde in der Gehäusewand
eingreift. Als Material für
den Einspannkörper
sind beispielsweise Keramik, Metall, Kunststoffe, oder Kompositwerkstoffe
geeignet, wenn sie über
eine ausreichende Formsteifigkeit aufweisen, um den Strahlungsführungskörper in
Position zu halten. Derzeit wird PEEK als Material für den Einspannkörper bevorzugt.
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Zur
Positionierung und Ausrichtung der Lichtleiter bezüglich der
Ein- und Auskopplungsrandbereiche der zweiten Stirnfläche des
Strahlungsführungskörper sind,
vorzugsweise geeignete Führungen,
so genannte Ferrulen, für
die Endabschnitte der Lichtleiter vorgesehen.
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Die
Führungen
für die
Lichtleiter sind in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung in dem
Einspannkörper
ausgebildet. Sie können
beispielsweise Präzisionsbohrungen
in axialer Richtung durch den Einspannkörper umfassen oder Hülsen, die
in den Einspannkörper
eingesetzt sind. Sofern Hülsen
eingesetzt werden, kommen als Hülsenmaterial
Keramik, Metall und Kunststoff in Betracht, beispielsweise PEEK,
Titan, Ag oder Au. Die letztgenannten Materialien sind inert gegenüber den
Silberhalogeniden der Lichtleiter.
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Hinsichtlich
der IR-Strahlungsquellen, der Strahlungsdetektoren und elektronischen
Schaltungen der erfindungsgemäßen ATR-Sonde
können
die fachüblichen
Mittel eingesetzt werden, die dem Fachmann geläufig sind, und hier nicht erörtert zu
werden brauchen.
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Die
Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele
erläutert.
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Es
zeigt:
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1:
einen schematischen Längsschnitt durch
den Sondenkopf eines ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen ATR-Sonde;
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2:
eine Seitenansicht und eine Aufsicht einer ersten Ausgestaltung
eines Strahlungsführungskörpers einer
erfindungsgemäßen ATR-Sonde;
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3:
einen Längsschnitt
und eine Aufsicht einer Ferrule einer erfindungsgemäßen ATR-Sonde; und
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4:
eine Seitenansicht und eine Aufsicht einer zweiten Ausgestaltung
eines Strahlungsführungskörpers einer
erfindungsgemäßen ATR-Sonde.
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Der
in 1 dargestellte Sondenkopf einer erfindungsgemäßen ATR-Sonde 1 umfasst
ein zylindrisches Stahlgehäuse 2 mit
einer stirnseitigen Gehäuseöffnung 21,
welche durch einen Strahlungsführungskörper 3,
welcher aus Diamant gefertigt ist, mediendicht verschlossen ist.
Hierzu ist der Strahlungsführungskörper 3 zwischen
einem elastischen Dichtring 4, der beispielsweise Kalrez
oder Viton umfasst und sich auf einer radialen Schulter abstützt, welche die
Gehäuseöffnung 21 begrenzt,
und einem Einspannkörper 5 axial
eingespannt. Der Einspannkörper 5 dient
zugleich als Ferrule, wozu er Schlitze 51 und 52 in
axialer Richtung aufweist, in welchen hier nicht dargestellte Faserlichtleiter
zur ein bzw. Auskopplung der IR-Strahlung in den Strahlungsführungskörper 3 fixiert
sind. Die Faserlichtleiter weisen in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung
Silberhalogenid auf. Die Mantelfläche 53 des Einspannkörpers 5 dient
zur Ausrichtung des Einspannkörpers und
damit des Strahlungsführungskörpers 3 bezüglich des
Gehäuses 2.
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Der
Strahlungsführungskörper 3,
welcher auch in 2 dargestellt ist, hat im wesentlichen
eine kreischeibenförmige
Grundform mit zwei planparallelen Stirnflächen 31, 32.
An der Mantelfläche
sind acht geneigte, planare Facetten 33, 34 ausgebildet,
die sich zwischen einer ersten Stirnflächen 31 und einer zweiten
Stirnfläche 32 erstrecken.
Die kleinere, erste Stirnfläche 31 ist
der Gehäuseöffnung 21 zugewandt und
durch diese mit einem Messmedium beaufschlagbar.
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Im
Messbetrieb wird IR-Strahlung durch Einkopplungslichtleiter in einem
ersten Schlitz 51 des Einspannkörpers 5 mit im wesentlichen
senkrechter optischer Achse in einen Randbereich der zweiten Stirnfläche 32 des
Strahlungsführungskörpers eingestrahlt,
wonach es durch Totalreflexion an einer Facette 33, die
als Einkopplungsumlenkfläche
dient, direkt in einen Zentralbereich der ersten Stirnfläche 21 gestrahlt
wird, von wo es durch erneute Totalreflexion direkt zu einer zweiten
Facette 34 gelangt, die als Auskopplungsumlenkfläche dient,
und an der die Strahlung durch Totalreflexion so umgelenkt wird, dass
sie mit einer im wesentlichen senkrechten optischen Achse durch
einen zweiten Randbereich der zweiten Stirnfläche 32 austritt und
in Auskopplungslichtleiter eintritt, die durch einen zweiten Schlitz 52 des
Einspannkörpers 5 verlaufen.
Die Lichtleiter sind durch Fasern mit einer numerischen Apertur
von 0,25 gegen Luft realisiert. Dies entspricht einem halben Öffnungswinkel
von etwa 14,5° an
Luft, wobei der halbe Öffnungswinkel
in Diamant auf knapp 6° reduziert
wird. Unter der gewählten
Geometrie reicht der Winkelvorrat aus, um den medienberührenden
Bereich der ersten Stirnfläche 21 ohne
Mehrfachreflexionen ausreichend zu beleuchten. Insofern als die Umlenkflächen gegen
Luft angeordnet sind, kann die Totalreflexion hier bereits bei relativ
kleinen Winkeln Alpha2 erzielt werden Insofern bleibt ein größerer Winkel
Alpha1 für
die Totalreflexion an der medienberührenden ersten Stirnfläche, so
dass dort im wesentlichen für
den gesamten Winkelvorrat des eingestrahlten Lichts Totalreflexion
erfolgt. Der Strahlungsführungskörper 3 hat
in einer Ausgestaltung einen Durchmesser von knapp einem cm und
eine Stärke von
knapp 1,5 mm.
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Über vier
Facetten kann eingekoppeltes Licht umgelenkt werden, wobei die Umlenkung
zur Auskopplung jeweils an den gegenüberliegenden Facetten erfolgt.
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3 und 4 zeigen
Details einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung für einen
Strahlungsführungskörper 130 mit
nur zwei Facetten 133, 134 in der Mantelfläche des
kreisscheibenförmigen Stahlungsführungskörpers aus
Diamant. Hinsichtlich der Neigungswinkel der Facetten und Strahlungsführung gelten
die Erläuterungen
zum vorigen Ausführungsbeispiel
entsprechend. Zwischen der ersten Stirnfläche 131 und der zweiten
Stirnfläche 132 erstrecken
sich noch axiale Führungsbohrungen 137, mit
denen der Strahlungsführungskörper bezüglich des
Einspannkörpers 150 und
damit bezüglich
der Lichtleiter 151, 152 ausgerichtet werden kann.
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Der
Einspannkörper
weist einander gegenüberliegende
axiale Schlitze 156, 157 auf, in welchen jeweils
6 Lichtleiterfasern zur Ein- bzw. Auskopplung angeordnet sind. Im
montierten Zustand fluchten die Facetten des Strahlungsführungskörpers 130 mit
den Schlitzen 156, 157 des Einspannkörpers. Um
dies zu gewährleisten
sind axiale Stifte 158 an der Stirnfläche 154 des Einspannkörpers 150 vorgesehen,
welche in die Bohrungen 137 des Strahlungsführungskörpers eingreifen.
Selbstverständlich
liegen die Bohrungen außerhalb
des von einem Dichtring abgeschlossenen Bereich der ersten Stirnfläche.