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Die
Erfindung betrifft eine Gasmessanordnung mit einer sich im Freifeld
befindenden offenen optischen Messstrecke. Ein Gassensor mit einem
Laser als Lichtquelle ist beispielsweise aus der
US 5 339 155 A bekannt, worin
eine Gasmessanordnung mit einer offener Messstrecke ("Open-Path-Sensor") beschrieben ist,
bei der Laserlicht über
einen halbdurchlässigen
Spiegel und einen schrägstehenden Spiegel
auf einen Hohlspiegel und von dort als paralleles Lichtbündel auf
einen entfernt stehenden Reflektor gerichtet wird. Von dem Reflektor
wird das Laserlicht reflektiert und die Messstrecke erneut durchlaufen,
woraufhin das reflektierte Laserlicht wieder auf den Hohlspiegel
fällt,
der das reflektierte Licht auf den schräg stehenden Spiegel fokussiert.
Von dem schrägstehenden
Spiegel läuft
das reflektierte Laserlicht dem ursprünglich eingekoppelten Laserlicht
nun entgegen.
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Ein
Teil des reflektierten Laserlichts wird dann von dem halbdurchlässigen Spiegel
auf einen Detektor geworfen, während
ein anderer Teil verlorengeht.
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Diese
Anordnung aus Hohlspiegel, schräg stehendem
Auskopplungsspiegel im Brennpunkt des Hohlspiegels und Detektor
entspricht im Prinzip dem Aufbau eines Newton-Teleskopes, wobei
zusätzlich ein
halbdurchlässiger
Spiegel im Strahlengang zur Einkopplung von Laserlicht bzw. zur
Auskopplung von reflektiertem Licht auf den Detektor vorgesehen ist.
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Die
Analyse gasförmiger
Gemische hat sowohl in der Umweltanalytik als auch in der Prozessleit-
und Überwachungstechnik
eine zunehmende Bedeutung erlangt. Die Anforderungen an die Messsysteme
hinsichtlich der Messempfindlichkeit, Selektivität, Langzeitstabilität, Wartungsintervallabständen und
Lebensdauer steigen mit dem zunehmenden Automatisierungsgrad in
der Industrie und Umweltüberwachung.
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Um
beispielsweise in der Umweltanalytik oder in der Überwachungstechnik
austretendes Gas möglichst
schnell erkennen zu können,
ist es wünschenswert,
die zu überwachenden
Bereiche möglichst
engmaschig und großflächig abzudecken. Dazu
kann eine große
Anzahl lokal eng begrenzt messender Sensoren dienen, die über Datenverbindungen
miteinander verbunden sein können.
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Weitaus
vorteilhafter und effektiver sind jedoch optisch abbildende Gassensoren,
bei denen das abgestrahlte Licht über große Messstrecken ausgerichtet
wird und wobei die Absorption des reflektierten Lichts den gasartspezifischen
Messeffekt darstellt. Solche Systeme erlauben Angaben über die mittlere
Gaskonzentration in der Messstrecke.
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Die
Länge der
Messtrecke ist dabei einerseits durch die Lichtverluste auf der
Messstrecke selbst beschränkt,
weitere wesentliche Einschränkungen
ergeben sich aus den Verlusten, die durch die optischen Komponenten,
wie etwa den Hohlspiegel, den Reflektor und die Linsensysteme auftreten. Zur
Verringerung der Streuverluste muss der ausgesendete Lichtstrahl über die
gesamte Länge
der Messstrecke als parallel verlaufendes Lichtbündel zum Reflektor gelangen.
Laser und auch Laserdioden sind als Lichtquellen für derartige
Messsysteme gut geeignet, da sie gegenüber den thermischen Lichtquellen
eine Reihe von Vorteilen aufweisen, die sie für die Gasmessung empfehlenswert
machen: Hohe spektrale Intensität,
hohe Strahlqualität, schmalbandige
spektrale Emissionsbreite, gute Modulationseigenschaften, guter
opto-elektrischer Wirkungsgrad.
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Wie
oben erwähnt,
sind Gassensorsysteme mit offener Messstrecke mit abbildender Spiegelanordnung
auf Basis eines Newton-Teleskopaufbaus bekannt. Nachteilig an den
bekannten Systemen ist, dass sich die Strahlung abschwächende optische Elemente
wie Spiegel und Strahlteiler im Hauptstrahlengang befinden und somit
unvermeidbar zu einem Verlust an Lichtintensität führen.
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Wird
zur Strahlteilung ein Polarisationsstrahlteiler verwendet, so ist
es erforderlich, dass die Polarisation des abgestrahlten Lichts
durch die Messstrecke selbst und den Reflexionsspiegel nicht verändert wird,
da sonst die Voraussetzung zu einer verlustarmen Auskopplung des
reflektierten Lichts auf den Detektor nicht gegeben sind.
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Da
weder die Messstrecke noch der Reflexionsspiegel die Polarisation
unbeeinflusst lassen, hat das zur Folge, dass ein Verlust an Lichtintensität im Polarisationsstrahlteiler
entsteht, der die Lichtintensität
des ausgekoppelten reflektierten Lichts herabsetzt. Dies wiederum
beeinflusst die vom Detektor auswertbare Messung der Gaskonzentration
hinsichtlich der Auflösung,
da das Ausgangssignal des Detektors von der Lichtintensität des auftreffenden Lichts
einerseits bestimmt wird Die insgesamt auf Basis des Ausgangssignals
erreichbare Messauflösung des
Messsystems wird zusätzlich
noch durch den Signal/Rauschabstand des Detektors bestimmt. Das Gleiche
gilt für
Linsensysteme zur Strahlauskopplung, so dass grundsätzlich eine
Abschwächung
oder Verminderung der dem Detektor zur Messung zugeführten Lichtmenge
und damit des verfügbaren
Ausgangssignals eintritt.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasmessanordnung
für eine
offene Messtrecke mit geringem Intensitätsverlust bei der Auskopplung
des reflektierten Lichts anzugeben.
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Die
Aufgabe wird gelöst
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
besteht aus einer Lichtquelle, aus einer ersten Linse, einer zweiten
Linse, einem schräg
stehenden Spiegel mit einem zentrischen kreisförmigen Loch, einer dritten Linse,
einer Phasenmaske und einem Reflexionsspiegel, sowie einer vierten
Linse und einem Detektor. Zwischen der Phasenmaske und dem Reflexionsspiegel
ist die offene Messstrecke angeordnet. Der Reflexionsspiegel am
Ende der Messstrecke wird von einem Lichtbündel im Wesentlichen ganzflächig ausgeleuchtet.
Das Laserstrahlbündel
durchläuft
eine Anordnung aus erster und zweiter Linse und tritt anschließend durch
eine mittig in dem Spiegel vorgesehene kreisrunde Öffnung hindurch,
wird durch die dritte Linse zu einem schwach divergenten, im Wesentlichen
parallelen Lichtbündel
geformt und durch die Phasenmaske hindurch auf den entfernt angeordneten
Reflexionsspiegel als leicht divergentes Lichtbündel gerichtet.
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Der
Spiegel mit seinem Mittelpunkt und der Öffnung befindet sich für das abgestrahlte
Lichtbündel
im Brennpunkt der zweiten Linse, für das reflektierte Lichtbündel befindet
sich der Mittelpunkt des Spiegels im Brennpunkt der dritten Linse.
Der Reflexionsspiegel reflektiert das Lichtbündel als ein konvergentes Lichtbündel zurück, die
Phasenmaske bewirkt im Brennpunkt der dritten Linse eine Aufweitung des
reflektierten punktförmigen
Lichtbündels,
des sogenannten Spots, zu einem kreisförmigen Ring, dem sogenannten
Doughnut, in dessen Zentrum sich eine dunkle Zone geringster Lichtintensität befindet.
Im idealen Fall wirkt die Phasenmaske so, dass im Zentrum des Ringes
keine Lichtenergie vorhanden ist und die Ausdehnung der Zone geringster
Lichtintensität
im Brennpunkt der dritten Linse groß gegenüber der kreisrunden Öffnung des
schräg
stehenden Spiegels ist. Phasenmasken und Spiralphasenmasken solcher
Art sind z. B. aus „Mode-matched
Phase diffractive optical element for detecting laser modes with
spiral phases",
M. Golub, L. Shimski, N. Davidson, A. Friesem, Applied Optics/Vol.
46 Nr. 32, 2007 Seiten 7823–7828
bekannt. Ist der kreisförmige
Lichtring mit seinem inneren Durchmesser größer als die Öffnung im
Spiegel, die beispielsweise mit einem Durchmesser von 5–10 μm ausgeführt ist,
so wird der Lichtring aus dem reflektierten Lichtbündel durch
den Spiegel ausgekoppelt.
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Damit
kann das reflektierte Licht nicht durch den schräg stehenden Spiegel zurück zur Lichtquelle gelangen,
das reflektierte Licht wird daher durch den schräg stehenden Spiegel nahezu
verlustfrei und vollständig
aus der Messstrecke ausgekoppelt und über die vierte Linse dem Detektor
zugeführt.
Eine Auswerteeinheit ermittelt aus den Signalen des Detektors eine
korrespondierende Gasmenge der offenen Messstrecke.
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Diese
Anordnung bewirkt mehrere Vorteile:
Zum ersten, da kein reflektiertes
Licht zur Lichtquelle zurückgefangen
kann, kann der Betrieb und die Steuerung des Lasers nicht beeinflusst
oder gestört
werden.
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Zum
zweiten ist die Verwendung eines Strahlteilers mit Lichtverlust,
etwa in Form einer optischen Diode oder eines Polarisationsstrahlteilers
im Strahlengang zur Aufteilung von abgestrahltem und reflektiertem
Licht nicht erforderlich. Dadurch tritt auch keine Verminderung
der Lichtintensität
durch die Elemente der Strahlteilung auf. Die Lichtquelle der Messanordnung
ist in bevorzugter Weise in Form eines Festkörperlasers, Halbleiterlasers,
einer Laserdiode oder einer Gasentladungslampe ausgeführt.
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In
bevorzugter Weise ist der schräg
stehende Spiegel in einem Winkel von 45° zur optischen Abstrahlrichtung
angeordnet. In einer alternativen Variante ist aber auch ein Winkelbereich
von 10° bis
60° zur
optischen Abstrahlrichtung ausführbar.
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In
einer alternativen Ausgestaltung ist der Reflexionsspiegel nicht
an einer entfernt liegenden Wand angebracht, sondern an einem mit
dem Messgerät
verbundenen Gehäuseteil,
wobei die optische Messstrecke über
eine an dem Gehäuseteil
angebrachte Abdeckung vor einer Messsignalbeeinflussung durch Regen
oder Schnee geschützt
wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
kann die Phasenmaske mit der dritten Linse als ein gemeinsames Bauteil
ausgeführt
sein.
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In
einer besonderen Ausgestaltungsvariante ist die Phasenmaske als
Spiralphasenmaske ausgebildet.
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Die
Formel 1 beschreibt in komplexer Schreibweise in Exponentialform
die Ausbildung des Doughnuts durch eine Phasenänderung P des Lichts durch
die Spiralphasenmaske in der besonderen Ausgestaltungsvariante. P(r, ϕ) = r·ej·n·ϕ mit
n: 1, 2, ... Formel 1,
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Die
Variable n ist ein Element aus dem Zahlenbereich der natürlichen
Zahlen und beschreibt die Steigung der Spirale je Kreisumdrehung
von 2π.
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Die
Variablen r und ϕ sind Polarkoordinaten, j stellt die imaginäre Einheit
der komplexen Zahlen dar.
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In
einer alternativen Ausführung
kann der Reflexionsspiegel als eine Anordnung einer Vielzahl von
Retroreflektoren ausgeführt
sein.
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In
einer weiter bevorzugten Ausführungsform
kann der Spiegel als beschichtete Glasplatte oder Siliziumplatte
ausgeführt
sein, bei der zentrisch eine unbeschichtete Zone als Durchlassöffnung im Bereich
von 5–10 μm für den Durchtritt
des abgestrahlten Lichtbündels
frei gehalten wird. Die Beschichtung kann dabei durch Beschichtungsverfahren
der Mikrosystemtechnik, wie beispielsweise physikalische Gasphasenabscheidung
(PVD, Sputtering), oder durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
in Kombination mit nachfolgender galvanischer Beschichtung erfolgen.
Die Strukturierung der unbeschichteten Zonen kann dabei durch Fotolack-Maskierung
mittels fotolithografischer Verfahren erfolgen.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden durch ein Ausführungsbeispiel
anhand der 1 bis 4 näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 Eine
Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung
zur Gasmessung mit einer Phasenmaske und einer offenen Messstrecke
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1a Den
Weg des abgestrahlten Lichts der erfindungsgemäßen Anordnung nach 1
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1b Den
Weg des reflektierten Lichts der erfindungsgemäßen Anordnung nach 1
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2 Eine Darstellung des reflektierten Lichtbündels am
Ort des Spiegels
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3 Eine
Darstellung einer Ausführung des
schräg
stehenden Spiegels in Form einer beschichteten Glasplatte
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4 Eine
alternative Messanordnung gemäß 1.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Messanordnung 1 zur
Gasmessung mit einer offenen Messstrecke 7 dargestellt.
Die erfindungsgemäße Messanordnung 1 besteht
aus einem Messgerät 5,
der offenen Messstrecke 7 und einem an einer Wand 4 angebrachten
Reflexionsspiegel 3 außerhalb
des Messgerätes 5.
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In
der offenen Messstrecke 7 befindet sich eine Gasmenge 2,
welche durch die erfindungsgemäße Messanordnung 1 detektiert
werden kann.
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Das
Messgerät 5 besteht
aus einem Gehäuse 6 mit
einer Lichtaustrittsöffnung 23,
den Komponenten zur Lichtabstrahlung: einer Lichtquelle 15,
einer Anordnung einer ersten, zweiten und dritten Linse 10, 12, 19,
einem schräg
stehenden Spiegel 16 mit einer zentrischen Öffnung 17 und
einer zur offenen Messstrecke 7 hin weisenden Spiegelfläche 29, sowie
einer Phasenmaske 22, die auf einer ersten optischen Achse 8 ausgerichtet
sind.
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Weitere
Komponenten des Messgerätes 5 zur
Erfassung des reflektierten ausgekoppelten Lichts sind eine vierte
Linse 24 und ein Detektor 26,
die auf einer
zweiten optischen Achse 9 ausgerichtet sind,
sowie
eine Auswerteeinheit 28, die über eine Daten- und Versorgungsleitung 27 mit
dem Detektor 26 verbunden ist.
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Der
Weg des von der Lichtquelle 15 abgestrahlten Lichts durch
die Messanordnung 1 nach 1 wird anhand
der 1a dargestellt und im Folgenden näher beschrieben.
Die Bezifferungen der Abstände
der Linsen und deren Brennweiten entsprechen dabei den Bezifferungen
in 1.
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Eine
Lichtquelle 15 ist im Brennpunkt einer plankonvexen ersten
Linse 10 der ersten Brennweite {F1} 11 angeordnet,
die Lichtquelle 15 erzeugt ein erstes Lichtbündel 30,
welches über
die erste Linse 10 zu einem parallelen zweiten Lichtbündel 31 kollimiert
wird.
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In
einem ersten Abstand 14 ist eine plankonvexe zweite Linse 12 mit
einer zweiten Brennweite {F2} 13 angeordnet. Im Brennpunkt
der zweiten Linse 12 ist ein im Winkel 18 von
45° zur
Abstrahlrichtung schräg
stehender Spiegel 16 mit einer Spiegelfläche 29 und
einer Öffnung 17 angeordnet.
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Die
zweite Linse 12 fokussiert das zweite Lichtbündel 31 zu
einem dritten Lichtbündel 32,
welches im Brennpunkt der zweiten Linse 12 mit dem Abstand
der zweiten Brennweite {F2} 13 durch die Öffnung 17 des
Spiegels 16 als ein viertes Lichtbündel 33 aus dem Spiegel 16 austritt.
Durch die Dimensionierung der zweiten Brennweite {F2} 13 der
zweiten Linse 12 kann die Größe des dritten Lichtbündels am
Ort der Öffnung 17 des
Spiegels 16 variiert werden.
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Eine
plankonvexe dritte Linse 19 ist vom Spiegel 16 mit
dem Abstand einer dritten Brennweite {F3} 20 der dritten
Linse 19 angeordnet.
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Das
vierte Lichtbündel 33 wird
durch die dritte Linse 19 mit der dritten Brennweite {F3} 20 nochmals
zu einem fünften
Lichtbündel 34 kollimiert
und gelangt durch eine im zweiten Abstand 21 angeordnete
Phasenmaske 22, durch diese Phasenmaske 22 in
der Phase erstmalig verändert,
als ein sechstes Lichtbündel 35 über die
offene Messstrecke 7 zu einem Reflexionsspiegel 3.
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Der
Weg des reflektierten Lichts vom Reflexionsspiegel 3 zum
Detektor 26 wird anhand der 1b dargestellt
und im Folgenden näher
beschrieben.
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Die
Bezifferungen der Abstände
der Linsen und deren Brennweiten entsprechen dabei den Bezifferungen
in 1.
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Der
Reflexionsspiegel 3 reflektiert das Licht als ein siebtes
Lichtbündel 36 zurück. Durch
die Phasenmaske 22 wird das siebte Lichtbündel 36 in
seiner Phase zum zweiten Mal verändert
und als achtes Lichtbündel 37 der
dritten Linse 19 zugeführt.
Die Formänderung,
welche das siebte Lichtbündel 36 durch
die Phasenmaske 22 im Brennpunkt der dritten Linse 19 erfährt, ist
durch die in 2 dargestellte erste
zweidimensionale Ansicht 43 des achten Lichtbündels 37 in
Form eines Lichtintensitätsringes 41 mit
zentrischem Dunkelpunkt 42 dargestellt. Die ebenfalls in 2 dargestellte zweite zweidimensionale
Abbildung 44 eines Lichtintensitätspunktes 45 entspricht
einer unveränderten
Phasenlage des siebten Lichtbündels 36 im
Brennpunkt der dritten Linse 19, d. h. einer Messanordnung 1 ohne
eine Phasenmaske 22.
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Durch
die Phasenmaske 22 und die dritte Linse 19 gelangt
das Licht als ein neuntes Lichtbündel 38 zum
Spiegel 16. Der Spiegel 16 ist mit seinem Mittelpunkt
im Brennpunkt der dritten Brennweite {F3} 20 der dritten
Linse 19 angeordnet.
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Da
der Lichtintensitätsring 41 in
seiner Abmessung größer ist
als die Öffnung 17 des
Spiegels 16, wird er durch die Spiegelfläche 29 des
Spiegels 16 als zehntes Lichtbündel 39 seitlich ausgekoppelt und
gelangt somit nicht durch die Öffnung 17 des Spiegels 16 zurück zur Lichtquelle 15.
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Eine
bi-konvexe vierte Linse 24 fokussiert das zehnte Lichtbündel 39 als
ein elftes Lichtbündel 40 auf
dem Detektor 26.
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Der
Detektor 26 erfasst die Intensität des elften Lichtbündels 40 und
gibt das Erfassungssignal über
die Daten- und Versorgungsleitung 27 an die Auswerteeinheit 28.
Die sich entlang der offenen Messstrecke 7 befindende Gasmenge 2 beeinflusst in
Abhängigkeit
von den in der Gasmenge 2 enthaltenen Gasen und deren Konzentrationen
die spektralen Intensitäten
des erfassten Lichts und damit das Ausgangssignal des Detektors 26.
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Die
Auswerteeinheit 28 bestimmt daraus die korrespondierende
Gasmenge 2.
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In 2 ist die Formänderung eines Lichtbündels durch
die Phasenmaske 22 als erste zweidimensionale Ansicht 43 in
Form eines Lichtintensitätsringes 41 mit
zentrischem Dunkelpunkt 42 dargestellt. Die erste zweidimensionale
Ansicht 43 entspricht dabei einer Darstellung, wie sie
auch in „Mode-matched
Phase diffractive optical element for detecting laser modes with
spiral phases",
M. Golub, L. Shimski, N. Davidson, A. Friesem, Applied Optics/Vol.
46 Nr. 32, 2007 Seite 7826, zu finden ist. Die zweite zweidimensionale
Abbildung 44 in 2 zeigt einen
Lichtintensitätspunkt 45 bei
ohne Beeinflussung durch eine Phasenmaske 22.
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In 3 ist
eine Glasplatte 52 abgebildet, deren Oberfläche mit
einer Beschichtung 50 versehen ist, die so strukturiert
ist, dass eine unbeschichtete Zone 51 ausgebildet ist,
die als Öffnung 17 für den Lichtdurchtritt
durch den Spiegel 16 wirkt.
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In 4 ist
eine alternative Messanordnung 53 gemäß 1 abgebildet.
Gleiche Komponenten sind dabei mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
Der Reflexionsspiegel 3 ist über eine Halterung 55 an
einem mit dem Messgerät 5 verbundenen
Gehäuseteil 54 angeordnet,
wobei eine innere Messstrecke 57 unmittelbar am Messgerät 5 angeordnet ist über eine
Abdeckung 56 oberseitig vor Witterungseinflüssen bewahrt
wird.
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Die
Abdeckung (56) ist dabei mit dem Gehäuseteil (54) und dem
eigentlichen Messgerät 5 verbunden.
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- 1
- Messanordnung
- 2
- Gasmenge
- 3
- Reflexionsspiegel
- 4
- Wand
- 5
- Messgerät
- 6
- Gehäuse
- 7
- offene
Messstrecke
- 8
- erste
optische Achse
- 9
- zweite
optische Achse
- 10
- erste
Linse
- 11
- erste
Brennweite {F1}
- 12
- zweite
Linse
- 13
- zweite
Brennweite {F2}
- 14
- erster
Abstand
- 15
- Lichtquelle
- 16
- Spiegel
- 17
- Öffnung
- 18
- Winkel
- 19
- dritte
Linse
- 20
- dritte
Brennweite {F3}
- 21
- zweiter
Abstand
- 22
- Phasenmaske
- 23
- Lichtaustrittsöffnung
- 24
- vierte
Linse
- 26
- Detektor
- 27
- Daten-
und Versorgungsleitung
- 28
- Auswerteeinheit
- 29
- Spiegelfläche
- 30
- erstes
Lichtbündel
- 31
- zweites
Lichtbündel
- 32
- drittes
Lichtbündel
- 33
- viertes
Lichtbündel
- 34
- fünftes Lichtbündel
- 35
- sechstes
Lichtbündel
- 36
- siebtes
Lichtbündel
- 37
- achtes
Lichtbündel
- 38
- neuntes
Lichtbündel
- 39
- zehntes
Lichtbündel
- 40
- elftes
Lichtbündel
- 41
- Lichtintensitätsring
- 42
- zentrischer
Dunkelpunkt
- 43
- erste
zweidimensionale Ansicht
- 44
- zweite
zweidimensionale Ansicht
- 45
- Lichtintensitätspunkt
- 50
- Beschichtung
- 52
- Glasplatte
- 53
- alternative
Messanordnung
- 54
- Gehäuseteil
- 55
- Halterung
- 56
- Abdeckung
- 57
- innere
Messstrecke