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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Vermessung einer Probe in einem Probenraum. Die Vorrichtung verfügt dabei über mindestens eine Strahlenquelle zum Erzeugen von Strahlung, mindestens ein Abbildungselement, mindestens ein Schutzelement, mindestens eine Reflexionsvorrichtung zum Reflektieren von Strahlung und über mindestens einen Strahlungsdetektor zum Empfangen von Strahlung. Dabei weist das Schutzelement eine Sensorseite und eine Probenseite auf. Dabei sind die Strahlenquelle, das Abbildungselement und der Strahlungsdetektor auf der Sensorseite des Schutzelements angeordnet. Die Reflexionsvorrichtung ist auf der Probenseite des Schutzelements angeordnet. Schließlich ist der Probenraum zumindest teilweise zwischen dem Schutzelement und der Reflexionsvorrichtung angeordnet. Zudem ist mindestens ein Strahlungstransferraum zwischen der Reflexionsvorrichtung und dem Strahlungsdetektor vorhanden, wobei der Strahlungstransferraum und der Probenraum derartig ausgestaltet, aufeinander abgestimmt und relativ zueinander angeordnet sind, dass der Strahlungstransferraum und der Probenraum frei von einer Überschneidung sind, und dass die Reflexionsvorrichtung und der Strahlungstransferraum derartig ausgestaltet, aufeinander abgestimmt und relativ zueinander angeordnet sind, dass die Reflexionsvorrichtung Strahlung in den Strahlungstransferraum reflektiert.
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Streuung und/oder Absorption und/oder Refraktion einer Probe offenbart die
EP 2 107 362 B1 . Die Vorrichtung dient dabei der Untersuchung bzw. Analyse der Probe, die sich in dem Probenraum befindet. Bei der Probe handelt es sich beispielsweise um eine für die Strahlung transparente Probe.
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Für die Untersuchung wird von der Strahlenquelle elektromagnetische Strahlung einer vorgebbaren Wellenlänge, insbesondere Licht, über eine Abbildungsvorrichtung in den Probenraum eingebracht. Die Abbildungsvorrichtung ist insbesondere eine Linse. Als Beispiel handelt es sich um eine konvexe Linse, die die Strahlung kollimiert. Die Strahlung durchquert die Probe und wird von einem Strahlungsdetektor als transmittierte Probenstrahlung empfangen.
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Um eine möglichst kompakte Vorrichtung zu ermöglichen, bei der insbesondere die Strahlenquelle und der Strahlungsdetektor auf der gleichen Seite angeordnet sind, ist ein Spiegel als Reflexionsvorrichtung vorgesehen. Der Spiegel reflektiert die durch die Probe hindurch transmittierte Strahlung in die Richtung der Strahlenquelle zurück. Begrenzt wird der Probenraum auf einer Seite durch ein Schutzelement, das eine transparente Trennschicht ist. Das Schutzelement hat eine Sensorseite und eine Probenseite. Auf der Sensorseite befinden sich die hauptsächlichen Sensorkomponenten und auf der Probenseite befindet sich der Spiegel, der es erlaubt, die Sensorkomponenten auf einer Seite und damit auf der Sensorseite anzuordnen.
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Zusätzlich zu der transmittierten Strahlung wird über eine Refraktionsstrahlenquelle und einen Refraktionsstrahlungsdetektor die Strahlung gemessen, die am Übergang zwischen dem Schutzelement und der Probe im Probenraum auftritt. Dies ist die sogenannte specular reflektierte Refraktionsstrahlung. Verläuft durch die Strahlenquelle und das Abbildungselement eine optische Achse, so befinden sich gemäß der
EP 2 107 362 B1 die Refraktionsstrahlenquelle und der Refraktionsstrahlungsdetektor jeweils außerhalb der optischen Achse. Weiterhin befindet sich bei einer Ausgestaltung der
EP 2 107 362 B1 der Refraktionsstrahlungsdetektor weiter von der Probe bzw. dem Schutzelement entfernt als die Strahlenquelle bzw. als der Strahlungsdetektor. Zudem ist die Refraktionsstrahlenquelle zwischen der Strahlenquelle und dem Abbildungselement und damit näher am Probenraum angeordnet.
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Ergänzend wird noch die Streustrahlung der Probe gemessen. Dies ist die von der Probe im Wesentlichen ungerichtet ausgehende gestreute Strahlung. Hierfür sind gemäß der
EP 2 107 362 B1 zwei weitere Streustrahlungsdetektoren vorgesehen. Diese sind der Probe am nächsten angeordnet, da die ungerichtete Streustrahlung mit dem Abstandsquadrat von ihrem Entstehungsort abnimmt.
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung zur optischen Vermessung einer Probe ist ebenfalls aus der
US 2015/0049335 A1 bekannt. Die in diesem Dokument offenbarte Sensoranordnung dient zur Messung der Konzentration einer sterilisierenden Substanz in einer Probe basierend auf der Wechselwirkung der Probe mit einer Strahlung. Dazu ist die Probe in einem Probenraum angeordnet, wobei der Probenraum von der Strahlung mehrfach durchlaufen wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung vorzuschlagen.
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Die oben aufgezeigte Aufgabe ist erfindungsgemäß zunächst und im Wesentlichen bei der in Rede stehenden Vorrichtung dadurch gelöst, dass mindestens ein Strahlungstransferraum zwischen der Reflexionsvorrichtung und dem Strahlungsdetektor vorhanden ist, dass der Strahlungstransferraum und der Probenraum derartig ausgestaltet, aufeinander abgestimmt und relativ zueinander angeordnet sind, dass der Strahlungstransferraum und der Probenraum frei von einer Überschneidung sind, und dass die Reflexionsvorrichtung und der Strahlungstransferraum derartig ausgestaltet, aufeinander abgestimmt und relativ zueinander angeordnet sind, dass die Reflexionsvorrichtung Strahlung in den Strahlungstransferraum reflektiert, wobei die in den Strahlungstransferraum hinein reflektierte Strahlung nicht noch einmal die Probe passiert.
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Erfindungsgemäß verfügt die Vorrichtung nicht nur über einen Probenraum, in dem sich die zu untersuchende Probe befindet und den die Strahlung durchdringt, sondern auch über einen Strahlungstransferraum. Der Strahlungstransferraum und der Probenraum sind disjunkt, d. h. überschneiden sich nicht. Dies bedeutet vor allem, dass der Strahlungstransferraum kein Teil des Probenraums bzw. der Probenraum nicht Teil des Strahlungstransferraums ist. Die Reflexionsvorrichtung reflektiert die Strahlung, die den Probenraum und damit die Probe passiert hat, in den Strahlungstransferraum hinein. Dies bewirkt, dass die reflektierte Strahlung nicht den Probenraum, sondern den Strahlungstransferraum passiert. Dabei wird von der Reflexionsvorrichtung zumindest ein Bruchteil der Strahlung, die den Probenraum passiert hat, in den Strahlungstransferraum reflektiert. Der Strahlungstransferraum ist hierfür insbesondere derartig ausgestaltet, dass die Strahlung ihn passieren kann.
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Indem der Strahlungstransferraum frei von der Probe ist, passiert die in ihn hinein reflektierte Strahlung nicht noch einmal die Probe und wird daher auch nicht weiter abgeschwächt. Daher ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch möglich, Proben mit einem höheren Extinktionskoeffizienten zu vermessen.
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Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Reflexionsvorrichtung und der Strahlungstransferraum derartig ausgestaltet, aufeinander abgestimmt und relativ zueinander angeordnet sind, dass die Reflexionsvorrichtung Strahlung nur in den Strahlungstransferraum reflektiert. In dieser Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass die Reflexionsvorrichtung insbesondere keine Strahlung in den Probenraum hinein reflektiert, so dass also auch keine reflektierte Strahlung erneute den Probenraum bzw. die Probe passiert. Es wird vielmehr von der Reflexionsvorrichtung im Wesentlichen jede von dem Probenraum aus die Reflexionsvorrichtung erreichende Strahlung in den Strahlungstransferraum reflektiert.
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Indem weniger oder gar keine Strahlung in den Probenraum reflektiert wird, können weitere Wechselwirkungen mit der Probe vermieden bzw. reduziert werden.
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Werden insbesondere zusätzlich zur Messung der transmittierten Strahlung noch weitere Messungen - z. B. die Refraktionsmessung - vorgenommen, so wird auch für diese Messungen verhindert bzw. das Risiko reduziert, dass Strahlung, die zweifach den Probenraum passiert hat, falsch detektiert wird. Damit lässt sich also auch die Messgenauigkeit erhöhen.
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Ein großer Vorteil der Erfindung besteht daher darin, dass eine erneute Wechselwirkung zwischen der an der Reflexionsvorrichtung reflektierten Strahlung und der Probe im Probenraum bzw. den zwischen Reflexionsvorrichtung und Strahlungsdetektor angeordneten optisch wirksamen Elementen (hier insbesondere der Übergang zwischen Probenraum und Schutzelement) vermieden bzw. reduziert wird. Eine Reduktion ergibt sich generell dadurch, dass Strahlung in den Strahlungstransferraum reflektiert wird. Eine Vermeidung stellt sich ein, wenn die Reflexionsvorrichtung die Strahlung nur in den Strahlungstransferraum hinein reflektiert.
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Für eine möglichst kompakte Vorrichtung ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass der Strahlungstransferraum an den Probenraum angrenzend angeordnet ist.
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In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Strahlungstransferraum und der Strahlungsdetektor derartig ausgestaltet und relativ zueinander angeordnet sind, dass Strahlung aus dem Strahlungstransferraum den Strahlungsdetektor unter Umgehung des Abbildungselements erreicht. Im Gegensatz zur Lehre der
EP 2 107 362 B1 passiert die Strahlung, die die Probe passiert hat und reflektiert worden ist, also nicht das Abbildungselement, durch das die Strahlung von der Strahlenquelle kommend geführt wird.
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Für eine Verbesserung der Messung ist mindestens eine Linse vorhanden. Die Linse fokussiert dabei Strahlung, die den Strahlungstransferraum passiert und die daher von der Reflexionsvorrichtung in den Strahlungstransferraum reflektiert worden ist, auf den Strahlungsdetektor.
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In einer Ausgestaltung ist für die kompakte Realisierung der Vorrichtung und ist, um Verluste zu reduzieren, die Linse in dem Strahlungstransferraum selbst angeordnet.
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In einer Ausgestaltung ist zudem der Strahlungsdetektor außerhalb einer optischen Achse angeordnet, die durch die Strahlenquelle und das Abbildungselement verläuft. In einer damit einhergehenden Ausgestaltung ist der Strahlungsdetektor näher am Schutzelement angeordnet als das Abbildungselement.
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In einer Ausgestaltung bildet das Schutzelement eine Seite des Probenraums und begrenzt ihn damit auch. Hierbei wird insbesondere deutlich, dass das Schutzelement als optisches Fenster zur Probe betrachtet werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Reflexionsvorrichtung ausgeführt, die im Stand der Technik ein - ggf. hinter einem weiteren Schutzelement angebrachter - Spiegel ist.
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In der Ausgestaltung ist die Reflexionsvorrichtung als Retroreflektor ausgeführt. In einer damit einhergehenden Weiterführung ist die Reflexionsvorrichtung sogar als Winkel- oder Würfeleckenreflektor ausgestaltet.
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Ein Retroreflektor ist im Allgemeinen dadurch gekennzeichnet, dass er einfallende Strahlung weitgehend unabhängig von der Ausrichtung des Reflektors zu einem großen Anteil in die Richtung zurück zur Strahlungsquelle reflektiert. Die Lichtstrahlen werden also unabhängig vom Einfallswinkel parallel zur Quelle zurückreflektiert.
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Neben planoptischen Winkelreflektoren - z. B. Tripelspiegeln und -prismen - und Rückstrahlern sind im Stand der Technik auch rotationssymmetrische Linsenreflektoren - z. B. Katzenaugen oder Lüneburg-Linsen - bekannt. In einer Ausgestaltung handelt es sich bei der Reflexionsvorrichtung um ein Dachkantenprisma.
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Da ein Retroreflektor sich dadurch auszeichnet, dass er Strahlung weitgehend unabhängig von der eigenen Ausrichtung zurück zur Quelle der Strahlung reflektiert, wird durch die Verwendung eines Retroreflektors als Reflexionsvorrichtung eine deutliche Vereinfachung der Fertigung der Vorrichtung erzielt. Eine genaue Ausrichtung wie beim Spiegel im Stand der Technik ist mithin nicht mehr erforderlich.
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In einer Ausgestaltung wird zusätzlich - wie im Stand der Technik, z. B. die
EP 2 107 362 B1 beschrieben - die Strahlung gemessen, die am Übergang zwischen dem Schutzelement und der Probe im Probenraum auftritt. Hierfür sind mindestens eine Refraktionsstrahlenquelle und ein Refraktionsstrahlungsdetektor auf der Sensorseite des Schutzelements vorhanden.
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In einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung wird die von der Probe gestreute Strahlung gemessen, indem mindestens ein Streustrahlungsdetektor auf der Sensorseite des Schutzelements vorhanden ist. In einer Ausgestaltung sind mindestens zwei Streustrahlungsdetektoren vorhanden.
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Die Streustrahlung kann dabei elastischer (d. h. ohne Änderung der Wellenlänge) oder inelastischer (d. h. mit Änderung der Wellenlänge, z. B. durch Fluoreszenz oder Ramaneffekt) Natur sein. Daher sind vorzugsweise die verwendeten Detektoren entsprechend ausgestaltet, um zwischen elastischer und inelastischer Streustrahlung zu differenzieren.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Vorrichtung derartig ausgestaltet, dass die Länge des Probenraumes - als Abstand zwischen dem Schutzelement und der Reflexionsvorrichtung - an die Eigenschaften des Mediums und insbesondere an die Transmissionseigenschaften des Mediums angepasst, d. h. verlängert oder verkürzt werden kann.
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Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Vorrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In der 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 dargestellt. Die nicht dargestellte und zu untersuchende Probe ist insbesondere zumindest teilweise transparent für die Strahlung, die für die Messung verwendet wird, und befindet sich für die Messung in einem Probenraum 2.
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Von der Strahlenquelle 3 wird Strahlung in einem vorgebbaren Wellenlängenbereich - insbesondere handelt es sich um Licht - erzeugt und abgestrahlt.
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Ein Abbildungselement 4, das hier als konvexe Linse ausgestaltet ist, kollimiert die Strahlung, d. h. die Strahlung wird als paralleles Strahlenbündel geführt. Dies ist schematisch dargestellt durch die zwei parallelen Pfeile, die sich durch den Probenraum 2 erstrecken.
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Die Sensorkomponenten der Vorrichtung 1 sind von der Probe bzw. dem Probenraum 2 durch ein Fenster in Form eines Schutzelements 5 geschützt. Das Fenster 5 ist dabei insbesondere durchlässig für die verwendete Strahlung. Der Aufbau führt insbesondere auch dazu, dass das Schutzelement 5 eine Seite des Probenraums 2 bzw. wenigstens ein Teil dieser Seite ist.
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Passiert die kollimierte Strahlung die Probe bzw. den Probenraum 2, so trifft sie auf die Reflexionsvorrichtung 6. Im Stand der Technik wäre dies einfach ein Spiegel, der dafür sorgt, dass die transmittierte Strahlung zurückreflektiert wird, so dass die wesentlichen Sensorkomponenten auf einer Seite des Probenraums angeordnet sein können. Der gleiche Effekt wird hier durch einen Winkelreflektor erzielt.
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Ein Winkelreflektor als eine Bauform eines Retroreflektors zeichnet sich dadurch aus, dass die einfallende Strahlung im Allgemeinen in Richtung der Strahlenquelle zurückreflektiert wird und dies unabhängig von der Ausrichtung des Reflektors. Letzteres hat den Vorteil, dass die Fertigung vereinfacht wird.
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Die reflektierte Strahlung trifft auf den Strahlungsdetektor 7 und wird dort gemessen. Zu erkennen ist, dass durch die Verwendung der Reflexionsvorrichtung 6 die Strahlenquelle 3 als Sender und der Strahlungsquelle 7 als Empfänger auf der gleichen Seite relativ zum Probenraum 2 befindlich sind. Dadurch ist eine kompakte Ausgestaltung der Vorrichtung 1 möglich. Daher lässt sich auch unterscheiden zwischen der Sensorseite 8 und der Probenseite 9 des Schutzelements 5.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 verfügt über einen Strahlungstransferraum 10, in den hinein die Reflexionsvorrichtung 6 die Strahlung reflektiert, die den Probenraum 2 passiert hat. Der Strahlungstransferraum 10 grenzt hier an den Probenraum 2 an und ist insbesondere frei von der - hier nicht dargestellten - zu untersuchenden Probe.
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Bedingt durch die Führung durch den Strahlungstransferraum 10 hindurch durchdringt die transmittierte Strahlung nicht erneut den Probenraum 2 oder die Probe. Dies verhindert, dass die Strahlung ggf. erneut mit der Probe bzw. mit den auf dem Pfad befindlichen Komponenten - hier Schutzelement 5 und Abbildungselement 4 - wechselwirkt.
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Der Strahlungstransferraum 10 bildet hier zusätzlich noch eine Beschränkung des Probenraums 2.
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In der dargestellten Ausführung ist die Reflexionsvorrichtung 6 derartig ausgestaltet und angeordnet, dass sie im Wesentlichen die ganze einfallende Strahlung in den Strahlungstransferraum 10 hinein reflektiert. Dies ist hier angedeutet mit den gepunkteten Pfeilen, über die die parallel einfallenden Strahlen in den Strahlungstransferraum 10 hinein geführt werden und dort wieder parallel zueinander verlaufen.
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Die reflektierte Strahlung passiert nach dem Verlassen des Strahlungstransferraums 10 erneut das Schutzelement 5 und trifft auf den Strahlungsdetektor 7. Zusätzlich ist im Strahlungstransferraum 10 noch eine Linse 11 als Abbildungselement vorgesehen, das die reflektierte Strahlung auf den Strahlungsdetektor 7 fokussiert.
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In der gezeigten Ausgestaltung ist der Strahlungsdetektor 7 nah am Schutzelement 5 angebracht und ist dabei auch näher am Probenraum 2 als das Abbildungselement 4.
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Zudem befindet sich der Strahlungsdetektor 7 nicht auf der optischen Achse 12, die durch die Strahlenquelle 3 und das Abbildungselement 4 und dadurch auch durch den Probenraum 2 verläuft. Dies ist auch der Tatsache geschuldet, dass der Strahlungstransferraum 10 neben dem Probenraum 2 und damit auch neben der optischen Achse 12 angeordnet ist.
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Beim Übergang der Strahlung vom Schutzelement 5 zum Probenraum 2 - bzw. zum bei der Messung im Probenraum 2 befindlichen Probe - wird die specular reflektierte Refraktionsstrahlung erzeugt, die hier durch die Verwendung der Refraktionsstrahlenquelle 13 und des Refraktionsstrahlungsdetektors 14 ermittelt wird. Die Refraktionsstrahlenquelle 13 und der Refraktionsstrahlungsdetektor 14 befinden sich dabei außerhalb der optischen Achse 12. Weiterhin befindet sich die Refraktionsstrahlenquelle 13 näher an dem Probenraum 2 als die Strahlenquelle 3. Der Refraktionsstrahlungsdetektor 14 ist weiter vom Probenraum 2 entfernt als die Strahlenquelle 3.
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Über die Pfeile ist eingezeichnet, wie die Strahlung von der Refraktionsstrahlenquelle 13 ausgeht, durch das Abbildungselement 4 abgelenkt wird und auf der dem Probenraum 2 zugewandten Seite des Schutzelements 5 zurück auf die Sensorseite 8 reflektiert wird. Von dort wird die Strahlung durch das Abbildungselement 4 geführt und trifft dann auf den Refraktionsstrahlungsdetektor 14.
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Die Strahlung der Strahlenquelle 3 kann an der Probe gestreut werden, was zu einer ungerichteten Streustrahlung aus der Probe heraus führt. Dies ist in der Abbildung durch die drei sich in Richtung Sensorseite 8 bewegenden Pfeile angedeutet. Um auch die Streustrahlung zu vermessen, sind hier zwei Streustrahlungsdetektoren 15 vorgesehen. Die Streustrahlungsdetektoren 15 befinden sich im Wesentlichen im gleichen Abstand zur optischen Achse 12 und vom Probenraum 2 aus gesehen nah hinter dem Abbildungselement 4.
