DE102023000154B3

DE102023000154B3 - Device for recycling diffuse electromagnetic radiation

Info

Publication number: DE102023000154B3
Application number: DE102023000154.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Correns; Edgar Reetz; Nico Correns
Original assignee: Plicore GmbH
Current assignee: Plicore GmbH
Priority date: 2023-01-17
Filing date: 2023-01-17
Publication date: 2024-07-11
Anticipated expiration: 2043-01-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung bestehend aus einer Detektionssensorik 9, welche einen Akzeptanzwinkel für elektromagnetische Strahlung hat, sowie einer materiellen Begrenzung 1 eines Detektionsstrahlengangs 8 elektromagnetischer Strahlung, welche mit einer Probe 12 interagiert hat, Informationen zu analytischen Eigenschaften der Probe 12 enthält und diffus aus einer Messöffnung 4 aus der Probe 12 austritt. Die materielle Begrenzung 1 weist einen Körper 2 mit einer Aushöhlung 3 auf, die für den Detektionsstrahlengang 8 zwei Öffnungen an gegenüberliegenden Seiten des Körpers 2 besitzt, die größere Öffnung ist die Messöffnung 4, die kleinere Öffnung ist eine Strahlungsaustrittsöffnung 5. Die Mantelfläche 7 der Aushöhlung 3 ist hochreflektierend für die elektromagnetische Strahlung und so ausgebildet, diffus aus der Probe 12 heraustretende, Informationen zu analytischen Eigenschaften der Probe 12 enthaltene Strahlung zur erneuten Interaktion in die Probe 12 zurück zu reflektieren. Die vorzugsweise in einer Stufe 6 mit einem Tritt 6a und einer Steigung 6b ausgebildete Mantelfläche 7 ist in beiden Flächen 6a, 6b hochreflektierend und kann Strahlungsrückreflektionen in die Probe 12 nach Einfachreflektion, beispielsweise 22, oder Mehrfachreflektionen, beispielsweise 23, ermöglichen. Die materielle Begrenzung 1 wirkt in einem Messkopf 10 zumindest mit einer Quelle 13 elektromagnetischer Strahlung, einem Beleuchtungsstrahlengang 14 und der Detektionssensorik 9 zusammen.The invention relates to a device consisting of a detection sensor 9, which has an acceptance angle for electromagnetic radiation, and a material boundary 1 of a detection beam path 8 of electromagnetic radiation, which has interacted with a sample 12, contains information on analytical properties of the sample 12 and diffusely exits the sample 12 from a measuring opening 4. The material boundary 1 has a body 2 with a cavity 3, which has two openings on opposite sides of the body 2 for the detection beam path 8, the larger opening is the measuring opening 4, the smaller opening is a radiation exit opening 5. The lateral surface 7 of the cavity 3 is highly reflective for the electromagnetic radiation and is designed to reflect radiation diffusely exiting the sample 12 and containing information on analytical properties of the sample 12 back into the sample 12 for renewed interaction. The lateral surface 7, which is preferably formed in a step 6 with a step 6a and a slope 6b, is highly reflective in both surfaces 6a, 6b and can enable radiation to be reflected back into the sample 12 after single reflection, for example 22, or multiple reflections, for example 23. The material boundary 1 interacts in a measuring head 10 with at least one source 13 of electromagnetic radiation, an illumination beam path 14 and the detection sensor system 9.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Detektionssensorik sowie einer materiellen Begrenzung eines Detektionsstrahlengangs elektromagnetischer Strahlung, welche diffus aus einer Messöffnung einer Probe heraustritt, durch vorhergehende Interaktion mit der Probe Informationen zu analytischen Eigenschaften der Probe enthält und vermittels des Detektionsstrahlengangs der Detektionssensorik zugeführt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Messkopf, welcher neben dem Detektionsstrahlengang einschließlich dessen materieller Begrenzung zumindest eine Quelle elektromagnetischer Strahlung, eine Beleuchtungsstelle, an der die elektromagnetische Strahlung in die Probe eintritt, und eine Detektionssensorik aufweist. Die Detektionssensorik erfasst die analytischen Eigenschaften der Probe und kann beispielsweise ein Spektrometer enthalten.The invention relates to a device with a detection sensor and a material limitation of a detection beam path of electromagnetic radiation, which diffusely emerges from a measuring opening of a sample, contains information on analytical properties of the sample through previous interaction with the sample and is fed to the detection sensor by means of the detection beam path. The invention further relates to a measuring head which, in addition to the detection beam path including its material limitation, has at least one source of electromagnetic radiation, an illumination point at which the electromagnetic radiation enters the sample, and a detection sensor. The detection sensor records the analytical properties of the sample and can, for example, contain a spectrometer.

Der Stand der Technik enthält unterschiedliche Anordnungen zur Interaktion elektromagnetischer Strahlung mit der Probe, beispielsweise Durchstrahl-Anordnungen insbesondere für gasförmige und/oder flüssige Proben. ist eine derartige Anordnung, zum Beispiel bei nicht durchstrahlbaren Volumenströmen oder Festkörpern, physikalisch nicht möglich, sind Reflexions-Anordnungen bekannt, bei welchen neben der möglichst tief in die Probe eintretenden elektromagnetischen Strahlung eine Wechselwirkung der elektromagnetischen Strahlung mit der Probenoberfläche an der Beleuchtungsstelle in Form von reflektierter Strahlung auftritt, die keine analytischen Eigenschaften der Probe enthält und eine Störung für die Detektionssensorik zur Ermittlung der analytischen Eigenschaften der Probe darstellt. Die Oberflächenwechselwirkung elektromagnetischer Strahlung ist durch das bekannte Reflexionsgesetz beschreibbar, wobei wegen zumeist vorhandener Oberflächenrauheit neben einer gerichteten Reflexion, auch als Glanz bezeichnet, eine gestreute Reflexion in Form sogenannter Streukeulen auftreten kann. Insbesondere die Intensität des Glanzes ist in der Regel um mehrere Größenordnungen größer als die diffuse elektromagnetische Strahlung aus der Probe. Der Messkopf ist generell so eingerichtet, dass die aus der Oberflächenreflexion stammende elektromagnetische Strahlung die Detektionssensorik nicht oder zumindest nur mit stark abgeschwächter Intensität erreicht. Hierbei ist ein kleiner Akzeptanzwinkel der der Detektionssensorik zugeführten elektromagnetischen Strahlung vorteilhaft.The state of the art contains different arrangements for the interaction of electromagnetic radiation with the sample, for example transmission arrangements, particularly for gaseous and/or liquid samples. If such an arrangement is not physically possible, for example with non-transmissible volume flows or solids, reflection arrangements are known in which, in addition to the electromagnetic radiation penetrating as deeply as possible into the sample, an interaction of the electromagnetic radiation with the sample surface at the illumination point occurs in the form of reflected radiation, which does not contain any analytical properties of the sample and represents a disturbance for the detection sensors for determining the analytical properties of the sample. The surface interaction of electromagnetic radiation can be described by the well-known law of reflection, whereby, due to the mostly existing surface roughness, in addition to a directed reflection, also known as gloss, a scattered reflection in the form of so-called scattering lobes can occur. In particular, the intensity of the gloss is usually several orders of magnitude greater than the diffuse electromagnetic radiation from the sample. The measuring head is generally set up in such a way that the electromagnetic radiation originating from the surface reflection does not reach the detection sensors or at least only with greatly reduced intensity. In this case, a small acceptance angle of the electromagnetic radiation fed to the detection sensors is advantageous.

Es ist weiterhin bekannt, dass bei der Reflexions-Anordnung die Interaktion der elektromagnetischen Strahlung mit der Probe wesentlich geringer ist, als in Durchstrahl-Anordnung.It is also known that in the reflection arrangement the interaction of the electromagnetic radiation with the sample is significantly lower than in the transmission arrangement.

Im Stand der Technik sind Messköpfe offenbart, die die Informationen zu den analytischen Eigenschaften der Probe durch gezielte Unterdrückung der keine Information enthaltenen Störstrahlung der Reflexions-Anordnung verbessern.The prior art discloses measuring heads that improve the information on the analytical properties of the sample by deliberately suppressing the interference radiation of the reflection arrangement that does not contain any information.

US 6 181 418 B1 beschreibt eine im Detektionsstrahlengang eines konzentrischen Spektrometers vorhandene spezielle, als abgeschrägte Fläche ausgebildete sogenannte Lichtfalle. Die Lichtfalle hat nichtspiegelnde, absorbierende beziehungsweise streuende Eigenschaften und soll bewirken, dass Störstrahlung nicht oder zumindest in stark abgeschwächter Intensität auf die Detektionssensorik auftrifft. US 6 181 418 B1 describes a special so-called light trap, designed as a beveled surface, in the detection beam path of a concentric spectrometer. The light trap has non-reflective, absorbing or scattering properties and is intended to ensure that interference radiation does not hit the detection sensors or at least hits them with a greatly reduced intensity.

Kommerzielle Spektrometer-Module und -Systeme werden von verschiedenen Firmen entwickelt und hergestellt. Viele dieser Produkte sind eingerichtet für Messungen in Reflexions-Anordnung und weisen einen beispielsweise durch eine fasergekoppelte Spektrometereinheit als Bestandteil der Detektionssensorik vorgegebenen Akzeptanzwinkel für die diffuse, aus der Probe austretenden elektromagnetische Strahlung vorzugsweise im VIS- und/oder NIR-Bereich auf. Störstrahlung aus der Oberflächenwechselwirkung, aber auch signifikante Anteile der diffus aus der Probe austretende Strahlung, welche außerhalb des Akzeptanzwinkels liegen, werden durch Zusatzeinrichtungen absorbiert, beispielsweise durch nichtreflektierende Schichten an der Innenseite des Gehäuses der Module und Systeme.Commercial spectrometer modules and systems are developed and manufactured by various companies. Many of these products are set up for measurements in a reflection arrangement and have an acceptance angle for the diffuse electromagnetic radiation emerging from the sample, preferably in the VIS and/or NIR range, which is specified, for example, by a fiber-coupled spectrometer unit as part of the detection sensor system. Interference radiation from the surface interaction, but also significant portions of the diffuse radiation emerging from the sample, which lie outside the acceptance angle, are absorbed by additional devices, for example by non-reflective layers on the inside of the housing of the modules and systems.

Nachteil der Reflexions-Anordnungen ist, dass die mit der Probe interagierte, diffus aus der Probe austretende und Informationen zu analytischen Eigenschaften enthaltene elektromagnetische Strahlung nur innerhalb des geringen Akzeptanzwinkels der Detektionssensorik erfasst wird und die nicht erfassten diffusen Anteile der aus der Probe austretenden elektromagnetischen Strahlung für die Erfassung analytischer Eigenschaften der Probe verloren sind.The disadvantage of the reflection arrangements is that the electromagnetic radiation that interacts with the sample, diffusely exits the sample and contains information on analytical properties is only detected within the small acceptance angle of the detection sensors and the undetected diffuse parts of the electromagnetic radiation exiting the sample are lost for the detection of analytical properties of the sample.

Ein Ansatz zur Überwindung genannten Nachteils besteht durch Mehrfachanordnungen von Baugruppen, insbesondere mehrerer Detektionssensoriken und zugehöriger Beleuchtungspunkte und/oder Detektionsstrahlengängen in dem Messkopf.One approach to overcoming this disadvantage is to use multiple arrangements of components, in particular multiple detection sensors and associated illumination points and/or detection beam paths in the measuring head.

WO 2013/ 049 677 A1 beschreibt ein Gerät und ein System zur Abbildung des Gefäßsystems, vorzugsweise eines Menschen, welche eine Mehrzahl voneinander beabstandeter Strahlquellen, jeweils zugehörigen Beleuchtungspunkten auf der menschlichen Haut und mehrere voreinander beabstandeter Detektionsstrahlengängen, die allesamt in einem einzigen Messkopf angeordnet sein können, aufweisen. Die den Detektionsstrahlengängen zugeordnete Detektionssensorik kann ein Spektrometer beinhalten. WO 2013/ 049 677 A1 describes a device and a system for imaging the vascular system, preferably of a human, which have a plurality of spaced-apart beam sources, respective associated illumination points on the human skin and a plurality of spaced-apart detection beam paths, all of which can be arranged in a single measuring head. The detection sensors associated with the detection beam paths can include a spectrometer.

DE 10 2017 108 552 A1 offenbart einen spektrometrischen Messkopf mit einer Lichtquelle und einem Beleuchtungspunkt, ausgebildet als Beleuchtungsfenster zu einem Volumenstrom, und mindestens zwei, vorzugsweise drei voneinander beabstandeten Austrittsregionen der Messöffnung, jeweils ausgebildet als sogenannte Transmissionslicht-Eintrittsfenster vom Volumenstrom, mit separaten Detektionsstrahlengängen und Spektralsensoren als Detektionssensoriken. Dadurch kann die diffuse elektromagnetische Strahlung aus der Probe unter mehreren, sich nicht überlappenden Akzeptanzwinkeln der jeweiligen Spektralsensoren erfasst und ausgewertet werden. EN 10 2017 108 552 A1 discloses a spectrometric measuring head with a light source and an illumination point, designed as an illumination window for a volume flow, and at least two, preferably three spaced-apart exit regions of the measuring opening, each designed as a so-called transmission light entry window from the volume flow, with separate detection beam paths and spectral sensors as detection sensors. This allows the diffuse electromagnetic radiation from the sample to be detected and evaluated at several non-overlapping acceptance angles of the respective spectral sensors.

WO 00 / 064 242 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Zweck der Inhaltsstoffanalyse auf Basis optischer Spektroskopie, primär für Produkte rund um milchgebende Nutztiere. Es gibt eine vorzugsweise rotationssymmetrische Anordnung von Beleuchtungsstrahlengang und Detektionsstrahlengang, die eine Einheit in Form eines Messkopfs bildet. Wobei die Wellenlängenselektivität auf Seite der Beleuchtung, statt der Detektion realisiert wird. Das Licht wird in der Probe gestreut, sodass die Detektion sowohl reflektiertes als auch transmittiertes Licht empfangen könnte. Es werden beispielhaft verschiedene Geometrien mit unterschiedlichen Positionen von jeweils Beleuchtungs- und Detektionsstrahlengang in Relation zur Probe dargestellt. WO 00 / 064 242 A1 describes a device for the purpose of ingredient analysis based on optical spectroscopy, primarily for products related to dairy animals. There is a preferably rotationally symmetrical arrangement of the illumination beam path and detection beam path, which forms a unit in the form of a measuring head. The wavelength selectivity is realized on the illumination side rather than the detection side. The light is scattered in the sample so that the detection can receive both reflected and transmitted light. Various geometries with different positions of the illumination and detection beam paths in relation to the sample are shown as examples.

Bei US 10 520 438 B2 geht es speziell um Anwendungen für Raman-Spektroskopie in Zusammenhang mit Analysen von Proben die eine Trübung aufweisen, beispielsweise der menschlichen Haut. Bei Raman-Spektroskopie stört einerseits die auftretende Fluoreszenz anderseits ist das gesuchte Raman-Signal sehr schwach. Die offenbarte Erfindung beschreibt ein Sammel-Optik-System das selektiv das Raman-Signal des von einer Probe gestreuten Lichtes sammelt. Dabei werden die ungewollten Anteile mittels optischer Filter unterdrückt. Des Weiteren werden mit einem optischen Konzentrator, beispielsweise einem CPC, die Anteile des Lichtes, die das Raman-Signal enthalten, gesammelt.At US 10 520 438 B2 It is specifically about applications for Raman spectroscopy in connection with analyses of samples that are cloudy, for example human skin. In Raman spectroscopy, the fluorescence that occurs is disruptive on the one hand, and the Raman signal sought is very weak on the other. The disclosed invention describes a collecting optics system that selectively collects the Raman signal of the light scattered by a sample. The unwanted parts are suppressed using optical filters. Furthermore, the parts of the light that contain the Raman signal are collected using an optical concentrator, for example a CPC.

In US 2009 / 0 306 521 A1 wird eine Methode und Vorrichtung beschrieben, um die Konzentration von Karotinoiden in biologischem Gewebe, beispielsweise der menschlichen Haut, zu messen. Dabei wird eine Anordnung verwendet, bei der eine optische Linse direkten Kontakt zur Haut. Diese Linse übt Druck aus, um die Durchblutung des Gewebes zu reduzieren. Es wird vorzugsweise mit breitbandigem Licht beleuchtet und das an der Probe gestreute Licht im Detektionsstrahlengang mittels Spektrograph erfasst. Aus separat aufgezeichneten Dunkel- und Weiß-Signalen kann ein Reflektivitäts-Spektrum des Gewebes berechnet werten.In US 2009 / 0 306 521 A1 A method and device is described for measuring the concentration of carotenoids in biological tissue, for example human skin. An arrangement is used in which an optical lens is in direct contact with the skin. This lens exerts pressure to reduce blood flow to the tissue. It is preferably illuminated with broadband light and the light scattered by the sample is recorded in the detection beam path using a spectrograph. A reflectivity spectrum of the tissue can be calculated from separately recorded dark and white signals.

EP 2 567 222 B1 betrifft eine Erfindung auf dem Gebiet der Photometrie. Es basiert auf Erwärmungsprozessen von Oberflächen und Wärmeausbreitungsprozessen in Proben. Ausgelöst wird die Erwärmung durch die Beleuchtung mittels Strahlung einer Anregungsquelle. Die Detektion erfolgt mittels Erfassung der resultierenden emittierten Wärmestrahlung. Kern der Erfindung ist eine Vorrichtung bei der vorzugsweise rotationssymmetrisch um die Detektionsachse verschiedene optisch wirksame Elemente angeordnet sind. Das umfasst Filter zur Unterdrückung ungewollter Strahlungsanteile bei der Anregung, Reflektoren oder Linsen zur Leitung der Anregungsstrahlung von der Anregungsquelle zum Prüfbereich und Linsen zur Abbildung des Prüfbereichs auf die Detektionseinrichtung. EP 2 567 222 B1 relates to an invention in the field of photometry. It is based on heating processes of surfaces and heat propagation processes in samples. The heating is triggered by illumination using radiation from an excitation source. Detection is carried out by recording the resulting emitted thermal radiation. The core of the invention is a device in which various optically effective elements are arranged preferably rotationally symmetrically around the detection axis. This includes filters for suppressing unwanted radiation components during excitation, reflectors or lenses for guiding the excitation radiation from the excitation source to the test area and lenses for imaging the test area onto the detection device.

Ausgehend vom Stand der Technik kann als Aufgabe der vorliegenden Erfindung gesehen werden, einen Messkopf mit einem Minimum an Bauteilen bereit zu stellen, dessen Detektionsstrahlengang eingerichtet ist, eine höhere Intensität der einer Detektionssensorik zugeführten und mit der Probe zuvor interagierenden elektromagnetische Strahlung, zu erzeugen.Based on the prior art, the object of the present invention can be seen as providing a measuring head with a minimum of components, the detection beam path of which is designed to generate a higher intensity of the electromagnetic radiation fed to a detection sensor and previously interacting with the sample.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die elektromagnetische Strahlung, welche von der Probe remittiert wird, aber nicht direkt durch die Detektionssensorik erfasst werden kann, weder umgeleitet noch unterdrückt wird, sondern auf die Probe zurück geworfen wird. Die Lösung besteht aus einer materiellen Begrenzung eines Detektionsstrahlengangs gemäß Anspruch 1 und einer Integration der materiellen Begrenzung des Detektionsstrahlengangs in einen Messkopf gemäß Anspruch 10.This problem is solved in that the electromagnetic radiation which is remitted by the sample but cannot be directly detected by the detection sensor is neither redirected nor suppressed, but is reflected back onto the sample. The solution consists of a material limitation of a detection beam path according to claim 1 and an integration of the material limitation of the detection beam path into a measuring head according to claim 10.

Anders ausgedrückt ist die Lösung folgende: Jede Art optischer Detektionssensorik hat nur einen begrenzten Akzeptanzwinkel. Diffuse emittierte, reflektierte oder gestreute elektromagnetische Strahlung einer Probe füllt in der Regel einen deutlich größeren Raumwinkel aus, als den korrespondierenden Akzeptanzwinkel zur Detektion. Um die elektromagnetische Strahlung außerhalb des Akzeptanzwinkels zu nutzen, wird eine Hülse um den Akzeptanzwinkel des Detektionsstrahlengangs platziert. Die zuvor ungenutzte Strahlung trifft die innere Mantelfläche der Hülse. Die Mantelfläche ist so beschaffen, dass die Strahlung auf die Probe zurück reflektiert wird, statt die Strahlung umzuleiten oder zu absorbieren. Die anderenfalls ungenutzte elektromagnetische Strahlung wird auf diese Weise recycelt.In other words, the solution is as follows: Every type of optical detection sensor has only a limited acceptance angle. Diffuse emitted, reflected or scattered electromagnetic radiation from a sample usually fills a much larger solid angle than the corresponding acceptance angle for detection. In order to use the electromagnetic radiation outside the acceptance angle, a sleeve is placed around the acceptance angle of the detection beam path. The previously unused radiation hits the inner surface of the sleeve. The surface is designed in such a way that the radiation is reflected back to the sample instead of redirecting or absorbing the radiation. The otherwise unused electromagnetic radiation is recycled in this way.

Die erfindungsgemäße materielle Begrenzung des Detektionsstrahlengangs ist ein wesentlicher funktionsbestimmender Bestandteil eines Messkopfes zur Ermittlung analytischer Eigenschaften einer Probe. Die Eigenschaften der Probe werden durch eine Veränderung einer in die Probe eingestrahlten elektromagnetische Strahlung, deren Charakter je nach Anwendung beispielsweise kontinuierlich oder gepulst, monochromatisch oder breitbandig und in einem ausgewählten Spektralbereich liegend sein kann, messtechnisch bestimmt. Die Veränderung wird generiert durch eine Interaktion der elektromagnetischen Strahlung mit Bestandteilen der Probe. Beispiele für die Veränderung sind Absorption und/oder Fotolumineszenz, ausgebildet beispielsweise als Fluoreszenz und/oder als Phosphorenszenz. Die nach der Interaktion emittierte elektromagnetische Strahlung ist generell diffus, die bekanntermaßen im Idealfall als Lambertscher Flächenstrahler aus der Probe austritt und über den Detektionsstrahlengang einer Detektionssensorik zugeführt werden kann.The material limitation of the detection beam path according to the invention is an essential functional component of a measuring head for determining analytical properties of a sample. The properties of the sample are determined by a change in a The electromagnetic radiation emitted, the nature of which can be continuous or pulsed, monochromatic or broadband and in a selected spectral range depending on the application, is determined by measurement. The change is generated by an interaction of the electromagnetic radiation with components of the sample. Examples of the change are absorption and/or photoluminescence, for example in the form of fluorescence and/or phosphorescence. The electromagnetic radiation emitted after the interaction is generally diffuse, which, as is known, ideally emerges from the sample as a Lambertian surface radiator and can be fed to a detection sensor via the detection beam path.

Neben der emittierten, Informationen zu analytischen Eigenschaften der Probe enthaltenden diffusen Strahlung kommt es insbesondere an Oberflächen der Probe als Ganzes oder ihrer Bestandteile zu gerichteten und/oder gestreuten Reflexionen der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung, die wenig Informationen zu analytischen Eigenschaften der Probe enthält und in der Regel als Störstrahlung für die Detektionssensorik wirkt. Die als remittierte Strahlung bezeichnete Summe aus reflektierter und emittierter Strahlung aus einer Probe ist zumeist außerhalb der Probe technisch nicht mehr in ihre Bestandteile zerlegbar, womit über den Detektionsstrahlengang der Detektionssensorik ein Signal mit einem begrenzten Nutzsignal-Störsignal-Abstand zugeführt wird.In addition to the emitted diffuse radiation containing information on the analytical properties of the sample, there are directed and/or scattered reflections of the incident electromagnetic radiation, particularly on the surfaces of the sample as a whole or its components, which contain little information on the analytical properties of the sample and usually act as interference radiation for the detection sensors. The sum of reflected and emitted radiation from a sample, known as remitted radiation, can usually no longer be technically broken down into its components outside the sample, meaning that a signal with a limited useful signal-interference signal ratio is fed to the detection sensors via the detection beam path.

Bei einer für prozessmesstechnische Anwendungen bevorzugten Reflexions-Anordnung für in der Regel nichttransparente Volumenströme wie Gülle oder unregelmäßig geformte landwirtschaftliche Erzeugnisse, beispielsweise Getreide, kann der Anteil reflektierter Strahlung um Größenordnungen größer sein als der Anteil emittierter elektromagnetischer Strahlung. Das Verhältnis von Nutzsignal zu Störsignal ist entsprechend ungünstig.In a reflection arrangement preferred for process measurement applications for generally non-transparent volume flows such as liquid manure or irregularly shaped agricultural products, such as grain, the proportion of reflected radiation can be orders of magnitude greater than the proportion of emitted electromagnetic radiation. The ratio of useful signal to interference signal is accordingly unfavorable.

Eine Verbesserung der Ermittlung der analytischen Eigenschaften aus der aus der Probe heraustretenden, im allgemeinen remittierten elektromagnetischen Strahlung kann auf verschiedenen Wegen erfolgen: durch eine Erhöhung des emittierten Strahlungsanteils oder durch eine Reduzierung des reflektierten Strahlungsanteils. Ziel ist in jedem Fall, das Verhältnis zu Gunsten des Nutzsignals zu verbessern. In der vorliegenden Offenbarung werden beide Wege gemeinsam umgesetzt, so dass Strahlung, unabhängig davon ob sie Nutzsignal oder Störsignal enthält, die nicht von der Detektionssensorik erfasst werden kann, recycelt wird, um anschließend mehr Nutzsignal zu erzeugen.An improvement in the determination of the analytical properties from the generally remitted electromagnetic radiation emerging from the sample can be achieved in various ways: by increasing the proportion of emitted radiation or by reducing the proportion of reflected radiation. In each case, the aim is to improve the ratio in favor of the useful signal. In the present disclosure, both ways are implemented together so that radiation, regardless of whether it contains useful signal or interference signal that cannot be detected by the detection sensor, is recycled in order to subsequently generate more useful signal.

Die materielle Begrenzung des Detektionsstrahlengangs besteht aus einem nichttransparenten Körper, der eine Aushöhlung aufweist, die vorzugsweise eine elliptisch oder eine eckige, polyedrische Stumpfform oder eine Kombination davon aufweist, deren Grundfläche eine Messöffnung für die aus der Probe heraustretende remittierte elektromagnetische Strahlung bildet. Die Deckfläche des Stumpfes stellt eine Strahlaustrittsöffnung des in der Aushöhlung befindlichen Detektionsstrahlengangs dar, durch welche die auszuwertende elektromagnetische Strahlung der Detektionssensorik zugeführt wird. Die Detektionssensorik weist als inhärente Eigenschaft einen Akzeptanzwinkel auf, an welchem sich der Öffnungswinkel der Aushöhlung orientiert.The material limitation of the detection beam path consists of a non-transparent body that has a cavity that preferably has an elliptical or angular, polyhedral truncated shape or a combination thereof, the base of which forms a measuring opening for the remitted electromagnetic radiation emerging from the sample. The cover surface of the stump represents a beam exit opening of the detection beam path located in the cavity, through which the electromagnetic radiation to be evaluated is fed to the detection sensor. The detection sensor has an acceptance angle as an inherent property, which the opening angle of the cavity is based on.

Die Aushöhlung und der Körper weisen als Übergang eine Mantelfläche auf, die strukturiert und hochreflektierend ausgebildet ist. Die Strukturierung ist vorzugsweise in Stufen mit Steigungsflächen und Trittflächen gestaltet, wobei vorzugsweise alle Teilflächen der Strukturierung der Mantelfläche mit einer hochreflektierenden Beschichtung versehen sind. Dadurch trifft die außerhalb des Akzeptanzwinkels der Detektionssensorik, respektive Öffnungswinkel der Aushöhlung, liegende remittierte Strahlung auf die Mantelfläche und kann nach Einfach- oder Mehrfachreflektion wieder über die Messöffnung in die Probe eintreten, mit Bestandteilen der Probe interagieren und zumindest teilweise erneut im Messfenster aus der Probe austreten und in den Detektionsstrahlengang eintreten. Eine erneute Interaktion in der Probe des emittierten Anteils der diffusen Strahlung kann zur direkten Erhöhung des emittierten Strahlungsanteils führen, beispielhaft zur Verstärkung der Absorption, deren sogenannte charakteristische Banden „geschärft“ werden. Die erneute Interaktion in der Probe des reflektierten Anteils der aus der Probe heraustretenden Strahlung kann ebenfalls zur Erhöhung des emittierten Strahlungsanteils führen bei gleichzeitiger Verringerung des reflektierten Strahlungsanteils im Detektionsstrahlengang.The cavity and the body have a lateral surface as a transition, which is structured and highly reflective. The structuring is preferably designed in steps with rising surfaces and treads, whereby preferably all partial surfaces of the structuring of the lateral surface are provided with a highly reflective coating. As a result, the remitted radiation lying outside the acceptance angle of the detection sensor, or the opening angle of the cavity, hits the lateral surface and, after single or multiple reflection, can re-enter the sample via the measuring opening, interact with components of the sample and at least partially exit the sample again in the measuring window and enter the detection beam path. A renewed interaction in the sample of the emitted portion of the diffuse radiation can lead to a direct increase in the emitted radiation portion, for example to an increase in the absorption, whose so-called characteristic bands are "sharpened". The renewed interaction in the sample of the reflected portion of the radiation emerging from the sample can also lead to an increase in the emitted radiation portion while simultaneously reducing the reflected radiation portion in the detection beam path.

Die Aushöhlung des Körpers der materiellen Begrenzung des Detektionsstrahlenganges ist vorzugsweise gerade und symmetrisch ausgebildet, kann aber auch geometrisch schief und/oder asymmetrisch gestaltet sein.The hollow of the body of the material limitation of the detection beam path is preferably straight and symmetrical, but can also be geometrically oblique and/or asymmetrical.

Die gewünschte signifikante Unterdrückung des reflektierten Strahlungsanteils im Detektionsstrahlengang wird unterstützt durch eine Anordnung wesentlicher Bauteile des Messkopfes. Der Körper der materiellen Begrenzung des Detektionsstrahlengangs ist intransparent für außerhalb der Probe generierte und/oder reflektierte elektromagnetische Strahlung. Des Weiteren sind in Ausführungsvarianten Detektionsstrahlengang und ein Beleuchtungsstrahlengang für die in die Probe eingestrahlte elektromagnetischen Strahlung einer Quelle voneinander beabstandet.The desired significant suppression of the reflected radiation component in the detection beam path is supported by an arrangement of essential components of the measuring head. The body of the material limitation of the detection beam path is non-transparent for electromagnetic radiation generated and/or reflected outside the sample. Furthermore, in design variants, a detection beam path and an illumination beam path for the electromagnetic radiation radiated into the sample are provided. magnetic radiation from a source.

Durch die mit der Anordnung der materiellen Begrenzung des Detektionsstrahlengangs und des Messkopfes erreichte Verbesserung der der Detektionssensorik zugeführten elektromagnetischen Strahlung zur Ermittlung analytischer Eigenschaften aus dem remittierten Signal der Probe ergibt sich ein Minimum an wesentlichen, funktionsbestimmenden Bauteilen für den Messkopf ohne Notwendigkeit einer Mehrfachanordnung einzelner Bauteile.The improvement of the electromagnetic radiation supplied to the detection sensor system for determining analytical properties from the remitted signal of the sample, achieved by arranging the material limitation of the detection beam path and the measuring head, results in a minimum of essential, function-determining components for the measuring head without the need for a multiple arrangement of individual components.

Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung ist, dass die materielle Abgrenzung die Bedingungen für im Strahlenverlauf des Detektionsstrahlengangs nachfolgende Elemente verbessert werden. Gewöhnlich muss das optische System, welches der Detektionssensorik zugehörig ist gegen Strahlung geschützt werden, die außerhalb des Akzeptanzwinkels eintritt. Die vorliegende Erfindung verhindert für einen Großteil der Strahlung außerhalb des Akzeptanzwinkels ein Eintreten in die Optik der Detektionssensorik. Sie verbessert somit nicht nur das Nutzsignal der Probe, sie reduziert auch Störquellen für die nachgelagerte Detektionssensorik.An additional advantage of the invention is that the material delimitation improves the conditions for elements following the beam path of the detection beam. Usually, the optical system associated with the detection sensor must be protected against radiation that enters outside the acceptance angle. The present invention prevents a large part of the radiation outside the acceptance angle from entering the optics of the detection sensor. It therefore not only improves the useful signal of the sample, it also reduces sources of interference for the downstream detection sensor.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus einem nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschriebenen und erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung. In der Zeichnung zeigen:

• 1 eine schematische Darstellung einer materiellen Begrenzung eines Detektionsstrahlengangs elektromagnetischer Strahlung neben weiteren wesentlichen Bestandteilen eines Messkopfes,
• 2a eine schematische Darstellung einer geraden materiellen Begrenzung eines Detektionsstrahlengangs und
• 2b eine schematische Darstellung einer schiefen materiellen Begrenzung eines Detektionsstrahlengangs,
• 3a eine schematische Darstellung einer materiellen Begrenzung eines Detektionsstrahlengangs mit Beleuchtungsstrahlengang durch eine Ausnehmung in der Begrenzung,
• 3b eine schematische Darstellung einer materiellen Begrenzung eines Detektionsstrahlengangs mit Beleuchtungsstrahlengang zwischen der Begrenzung und der Probe.

Further advantageous details of the invention emerge from an embodiment of the invention described and explained below with reference to the accompanying drawings. In the drawing:

• 1 a schematic representation of a material limitation of a detection beam path of electromagnetic radiation along with other essential components of a measuring head,
• 2a a schematic representation of a straight material boundary of a detection beam path and
• 2 B a schematic representation of an oblique material boundary of a detection beam path,
• 3a a schematic representation of a material limitation of a detection beam path with illumination beam path through a recess in the limitation,
• 3b a schematic representation of a material boundary of a detection beam path with illumination beam path between the boundary and the sample.

1 beinhaltet beispielhaft eine materielle Begrenzung 1 eines Detektionsstrahlengangs 8 elektromagnetischer Strahlung als Bestandteil eines Messkopfes 10. Die materielle Begrenzung 1 besteht aus einem vorzugsweise nichttransparenten Körper 2, welcher zwei gegenüberliegende Öffnungen aufweist. Die größere Öffnung ist als eine Messöffnung 4 ausgebildet und verbindet den Detektionsstrahlengang 8 mit einer Probe 12. Von der Messöffnung 4 tritt elektromagnetische Strahlung, welche diffus aus der Probe 12 austritt in die Aushöhlung 3 ein. Diese elektromagnetische Strahlung enthält durch vorhergehende Interaktion mit der Probe 12 Informationen zu analytischen Eigenschaften der Probe und wird über den Detektionsstrahlengang 8 einer Detektionssensorik 9 zugeführt. Die Zuführung der elektromagnetischen Strahlung zur Detektionssensorik 9, welche einen Akzeptanzwinkel zur Aufnahme und Auswertbarkeit elektromagnetischer Strahlung aufweist, geschieht durch eine Strahlungsaustrittsöffnung 5, die von der zweiten, kleineren Öffnung der Aushöhlung 3 gebildet wird. Wobei die Detektionssensorik 9 auch über eine optische Faser an die Strahlungsaustrittsöffnung 5 gekoppelt sein kann, um sie physisch an eine entfernte Stelle zu platzieren. In diesem Fall ist der Akzeptanzwinkel 24 der Faseroptik relevant. 1 includes, for example, a material boundary 1 of a detection beam path 8 of electromagnetic radiation as a component of a measuring head 10. The material boundary 1 consists of a preferably non-transparent body 2 which has two opposite openings. The larger opening is designed as a measuring opening 4 and connects the detection beam path 8 to a sample 12. Electromagnetic radiation, which diffusely emerges from the sample 12, enters the cavity 3 from the measuring opening 4. This electromagnetic radiation contains information on analytical properties of the sample due to previous interaction with the sample 12 and is fed to a detection sensor 9 via the detection beam path 8. The electromagnetic radiation is fed to the detection sensor 9, which has an acceptance angle for receiving and evaluating electromagnetic radiation, through a radiation exit opening 5 which is formed by the second, smaller opening in the cavity 3. The detection sensor 9 can also be coupled to the radiation exit opening 5 via an optical fiber in order to physically place it at a remote location. In this case, the acceptance angle 24 of the fiber optics is relevant.

Aus der Strahlungsaustrittsöffnung 5 und der Messöffnung 4 ergibt sich ein Öffnungswinkel der Aushöhlung 3, der mit dem Akzeptanzwinkel der Detektionssensorik 9 derart korrespondiert, dass der Öffnungswinkel etwa gleich dem oder größer als der Akzeptanzwinkel der Detektionssensorik 9 ausgebildet ist. Wenn beispielsweise der Akzeptanzwinkel der Detektionssensorik in Meridional- und Sagittalebene gleich groß und rotationssymmetrisch ist, wäre der Öffnungswinkel der Aushöhlung vorzugsweise kegelförmig. Andere räumliche Geometrien für die Aushöhlung sind entsprechend zu bevorzugen, wenn der Akzeptanzwinkel andersartig ist.The radiation exit opening 5 and the measuring opening 4 result in an opening angle of the cavity 3, which corresponds to the acceptance angle of the detection sensor 9 in such a way that the opening angle is approximately equal to or greater than the acceptance angle of the detection sensor 9. If, for example, the acceptance angle of the detection sensor in the meridional and sagittal planes is the same size and rotationally symmetrical, the opening angle of the cavity would preferably be conical. Other spatial geometries for the cavity are accordingly preferable if the acceptance angle is different.

Die Messöffnung 4 als Öffnung der Aushöhlung 3 ist in ihrer Umrandung polygonal, vorzugsweise rechteckförmig mit dem Sonderfall quadratisch, oder elliptisch mit dem Sonderfall kreisförmig oder in beliebiger Kombination davon ausgebildet. Vorzugsweise ändert sich die Umrandungsform der Messöffnung 4 bis zur Strahlungsaustrittsöffnung 5 nicht, womit die Aushöhlung 3 vorzugsweise als Pyramidenstumpf oder als Kegelstumpf ausgebildet ist.The measurement opening 4 as the opening of the cavity 3 is polygonal in its border, preferably rectangular with the special case square, or elliptical with the special case circular or in any combination thereof. Preferably, the border shape of the measurement opening 4 does not change up to the radiation exit opening 5, whereby the cavity 3 is preferably designed as a truncated pyramid or a truncated cone.

Die Aushöhlung 3 bildet eine Mantelfläche 7 zum Körper 2 der materiellen Begrenzung 1 aus. Die Mantelfläche 7 weist eine hochreflektierende Beschichtung vorzugsweise eine metallische Beschichtung auf. Dadurch werden Anteile der diffusen elektromagnetischen Strahlung, die vom Detektionsstrahlengang 8 innerhalb der Aushöhlung 3 nicht direkt von der Messöffnung 4 zur Strahlungsaustrittsöffnung 5 führen, also außerhalb des Akzeptanzwinkels der Detektionssensorik 9 liegen, an der Mantelfläche 7 reflektiert und können durch die Messöffnung 4 hindurch zurück in die Probe 12 zur erneuten Interaktion geführt werden wie beispielsweise 2, zumindest teilweise wieder aus der Probe 12 heraustreten und in der Messöffnung 4 diffus in den Detektionsstrahlengang 8 eintreten. Die Rückführung der elektromagnetischen Strahlung in die Probe 12 kann auch nach einer Mehrfachreflexion an der Mantelfläche 7 erfolgen wie beispielsweise 23.The cavity 3 forms a lateral surface 7 to the body 2 of the material boundary 1. The lateral surface 7 has a highly reflective coating, preferably a metallic coating. As a result, portions of the diffuse electromagnetic radiation that do not lead from the detection beam path 8 within the cavity 3 directly from the measuring opening 4 to the radiation exit opening 5, i.e. that lie outside the acceptance angle of the detection sensor 9, are reflected on the lateral surface 7 and can be guided through the measuring opening 4 back into the sample 12 for renewed interaction, such as example 2, at least partially emerge from the sample 12 and diffusely enter the detection beam path 8 in the measuring opening 4. The return of the electromagnetic radiation into the sample 12 can also take place after multiple reflection on the lateral surface 7, such as 23.

Die Mantelfläche 7 ist in Richtung der Strahlungsaustrittsöffnung 5 vorzugsweise in Stufen 6 ausgebildet, welche aus einem Tritt 6a und einer Steigung 6b bestehen. Tritt 6a und Steigung 6b weisen gleichermaßen eine hochreflektierende Beschichtung auf, wobei die letzte Steigung nahe der Strahlungsaustrittsöffnung 5 nicht hochreflektierend ausgeführt wird. Der Winkel zwischen Steigung 6b und Tritt 6a ist vorzugsweise ein rechter Winkel.The lateral surface 7 is preferably formed in steps 6 in the direction of the radiation exit opening 5, which consist of a step 6a and a slope 6b. The step 6a and the slope 6b both have a highly reflective coating, whereby the last slope near the radiation exit opening 5 is not designed to be highly reflective. The angle between the slope 6b and the step 6a is preferably a right angle.

Darüber hinaus sind in 1 neben der materiellen Begrenzung 1 des Detektionsstrahlengangs 8 weitere funktionsbestimmende Bestandteile des Messkopfes 10 schematisch dargestellt. Beispielsweise eine, vorzugsweise genau eine Quelle elektromagnetischer Strahlung 13, ausgebildet zur Erzeugung vorzugsweise kontinuierlicher, breitbandiger elektromagnetischer Strahlung in einem für eine Anwendung relevanten Spektralbereich wie beispielsweise UV und/oder VIS und/oder NIR und ein Beleuchtungsstrahlengang 14, ausgebildet zur Beaufschlagung der Probe 12 mit der elektromagnetischen Strahlung der Quelle 13.In addition, 1 In addition to the material limitation 1 of the detection beam path 8, further function-determining components of the measuring head 10 are shown schematically. For example, one, preferably exactly one source of electromagnetic radiation 13, designed to generate preferably continuous, broadband electromagnetic radiation in a spectral range relevant to an application, such as UV and/or VIS and/or NIR, and an illumination beam path 14, designed to expose the sample 12 to the electromagnetic radiation of the source 13.

Die elektromagnetische Strahlung dringt zumindest teilweise in die Probe 12 ein und interagiert im Probeninnern, vorzugsweise in unterschiedlichen Tiefen, an Interaktionspunkten 20, die z.B. durch Streuung ihrerseits Quellen diffuser elektromagnetischer Strahlung, welche Informationen zu analytischen Eigenschaften der Probe enthält, sind. Die an mehreren Interaktionspunkten 20 generierte diffuse elektromagnetische Strahlung tritt zumindest teilweise in Richtung der vorzugsweise genau einen Messöffnung 4 aus der Probe 12 heraus und in den vorzugsweise genau einen Detektionsstrahlengang 8 ein.The electromagnetic radiation penetrates at least partially into the sample 12 and interacts inside the sample, preferably at different depths, at interaction points 20, which are themselves sources of diffuse electromagnetic radiation, e.g. through scattering, which contains information on analytical properties of the sample. The diffuse electromagnetic radiation generated at several interaction points 20 emerges at least partially from the sample 12 in the direction of the preferably exactly one measuring opening 4 and into the preferably exactly one detection beam path 8.

Die Probe 12 ist vorzugsweise ein Volumenstrom, der vom Messkopf 10 durch ein Trennelement 11 getrennt wird. Zur Beaufschlagung der Probe 12 mit elektromagnetischer Strahlung der Quelle 13 und zum Austritt der diffusen, Informationen über analytische Eigenschaften der Probe 12 enthaltenden und in den Detektionsstrahlengang 8 eintretenden elektromagnetischen Strahlung ist das Trennelement 11 zumindest im Bereich des Detektionsstrahlengangs 14 und in Richtung der Messöffnung 4 transparent.The sample 12 is preferably a volume flow that is separated from the measuring head 10 by a separating element 11. In order to expose the sample 12 to electromagnetic radiation from the source 13 and to allow the diffuse electromagnetic radiation containing information about analytical properties of the sample 12 and entering the detection beam path 8 to exit, the separating element 11 is transparent at least in the region of the detection beam path 14 and in the direction of the measuring opening 4.

2a beinhaltet beispielhaft eine materielle Begrenzung 1 des Detektionsstrahlengangs, die gerade und symmetrisch bezüglich einer Linie 16 der Aushöhlung 3 ausgebildet ist. Die Linie 16 ist steht senkrecht auf dem Trennelement 11 und stellt beispielhaft die Achse eines rotationssymmetrischen Akzeptanzwinkels 24 einer Detektionssensorik 9 dar. Die Unterseite des Körpers 2 liegt auf dem Trennelement 11 auf, oder ist nur geringfügig beabstandet. Die Stufen 6 sind symmetrisch zur Linie 16 angeordnet, die Teilflächen 6b, 6a sind vorzugsweise parallel beziehungsweise senkrecht zur Linie 16 ausgebildet. 2a includes, for example, a material limitation 1 of the detection beam path, which is straight and symmetrical with respect to a line 16 of the cavity 3. The line 16 is perpendicular to the separating element 11 and represents, for example, the axis of a rotationally symmetrical acceptance angle 24 of a detection sensor 9. The underside of the body 2 rests on the separating element 11, or is only slightly spaced apart. The steps 6 are arranged symmetrically to the line 16, the partial surfaces 6b, 6a are preferably parallel or perpendicular to the line 16.

2b zeigt beispielhaft eine schiefe materielle Begrenzung eines Detektionsstrahlengangs gekennzeichnet dadurch, dass die Linie 16 nicht senkrecht auf dem Trennelement 11 steht. Es ist beispielhaft dargestellt, dass die innere Geometrie der Mantelfläche 7 nicht speziell für Rückreflexion der elektromagnetischen Strahlung ausgeführt ist, statt dessen weißt die Mantelfläche 7 eine Beschichtung mit retroreflektiven Eigenschaften auf, beispielsweise ähnlich der Farbe für Fahrbahnmarkierungen. 2 B shows an example of an oblique material limitation of a detection beam path, characterized in that the line 16 is not perpendicular to the separating element 11. It is shown as an example that the inner geometry of the lateral surface 7 is not specifically designed for back reflection of the electromagnetic radiation, instead the lateral surface 7 has a coating with retroreflective properties, for example similar to the paint for road markings.

3a zeigt beispielhaft eine Ausführungsvariante bei der die Beleuchtung der Probe durch das Innere der materiellen Begrenzung erfolgt. Der Körper 2 hat für diesen Zweck eine zusätzliche Ausnehmung 25. Durch diese verläuft zumindest ein Teil des Beleuchtungsstrahlengangs 14 zur Probe. Vorzugsweise ist die Geometrie so ausgelegt, dass Glanzreflexe des Trennelements 11 und der Probe nicht in den Akzeptanzwinkel 24 fallen, sondern die Mantelfläche 7 treffen. Vorzugsweise ist die Ausnehmung 25 im Verhältnis zur Mantelfläche 7 relativ klein. 3a shows an example of a variant in which the illumination of the sample takes place through the interior of the material boundary. The body 2 has an additional recess 25 for this purpose. At least part of the illumination beam path 14 to the sample runs through this. The geometry is preferably designed such that gloss reflections of the separating element 11 and the sample do not fall into the acceptance angle 24, but hit the lateral surface 7. The recess 25 is preferably relatively small in relation to the lateral surface 7.

3b zeigt beispielhaft eine Ausführungsvariante bei der die Messöffnung 4 von dem Trennelement 11 beabstandet ist. Durch die Lücke führt zumindest ein Teil des Beleuchtungsstrahlengangs 14 zur Probe. Die Lücke ist vorzugsweise klein, um die Funktion der Rückreflexion der Mantelfläche 7 möglichst wenig zu beeinträchtigen. 3b shows an example of a design variant in which the measuring opening 4 is spaced apart from the separating element 11. At least part of the illumination beam path 14 leads to the sample through the gap. The gap is preferably small in order to impair the function of the back reflection of the lateral surface 7 as little as possible.

Die Erfindung betrifft eine materielle Begrenzung 1 eines Detektionsstrahlengangs 8 elektromagnetischer Strahlung, welche mit einer Probe 12 interagiert hat, Informationen zu analytischen Eigenschaften der Probe 12 enthält und diffus aus einer Messöffnung 4 aus der Probe 12 austritt. Die materielle Begrenzung 1 weist einen Körper 2 mit einer Aushöhlung 3 auf, die für den Detektionsstrahlengang 8 zwei Öffnungen an gegenüberliegenden Seiten des Körpers 2 besitzt, die größere Öffnung ist die Messöffnung 4, die kleinere Öffnung ist eine Strahlungsaustrittsöffnung 5. Die Mantelfläche 7 der Aushöhlung 3 ist hochreflektierend für die elektromagnetische Strahlung und somit ausgebildet, diffus aus der Probe 12 heraustretende, Informationen zu analytischen Eigenschaften der Probe 12 enthaltene Strahlung zur erneuten Interaktion in die Probe 12 zurück zu reflektieren. Die vorzugsweise in einer Stufe 6 mit einem Tritt 6a und einer Steigung 6b ausgebildete Mantelfläche 7 ist in beiden Flächen 6a, 6b hochreflektierend und kann Strahlungsrückreflektionen in die Probe 12 nach Einfachreflektion, beispielsweise 22, oder Mehrfachreflektionen, beispielsweise 23, ermöglichen. Zusätzlich zur Mantelfläche 7 ist es vorteilhaft weitere, der Probe 12 zugewandten Flächen hochreflektierend auszubilden, beispielsweise die Unterseite des Körper 2. Statt hochreflektierend kann es ebenso sinnvoll sein, die Oberfläche mit spektral angepasstem Refelxionsverhalten auszustatten. Die materielle Begrenzung 1 wirkt in einem Messkopf 10 zumindest mit einer Quelle 13 elektromagnetischer Strahlung, einem Beleuchtungsstrahlengang 14 und einer Detektionssensorik 9 zusammen.The invention relates to a material boundary 1 of a detection beam path 8 of electromagnetic radiation which has interacted with a sample 12, contains information on analytical properties of the sample 12 and diffusely emerges from the sample 12 through a measuring opening 4. The material boundary 1 has a body 2 with a cavity 3 which has two openings on opposite sides of the body 2 for the detection beam path 8, the larger opening is the measuring opening 4, the smaller opening is a radiation exit opening 5. The lateral surface 7 of the cavity 3 is highly reflective for the electromagnetic radiation and is thus designed to reflect radiation which diffusely emerges from the sample 12 and contains information on analytical properties of the sample 12 back into the sample 12 for renewed interaction. The preferably in a The lateral surface 7 formed by the step 6 with a step 6a and a slope 6b is highly reflective in both surfaces 6a, 6b and can enable radiation to be reflected back into the sample 12 after single reflection, for example 22, or multiple reflections, for example 23. In addition to the lateral surface 7, it is advantageous to make other surfaces facing the sample 12 highly reflective, for example the underside of the body 2. Instead of highly reflective, it can also be useful to equip the surface with spectrally adapted reflection behavior. The material boundary 1 interacts in a measuring head 10 with at least one source 13 of electromagnetic radiation, an illumination beam path 14 and a detection sensor 9.

Mit dem Begriff „Akzeptanzwinkel“ ist der Winkel gemeint, unter dem einfallende elektromagnetische Strahlung durch die Detektionssensorik erfasst werden kann. In Analogie zu einem Foto-Objektiv ist der Bildwinkel gemeint.The term “acceptance angle” refers to the angle at which incoming electromagnetic radiation can be detected by the detection sensor. Analogous to a photo lens, this refers to the angle of view.

Mit dem Begriff „hochreflektierend“ ist gemeint, dass die Oberfläche, oder die Beschichtung der Oberfläche über das gesamte Spektrum, welches für die Analyseaufgabe von Interesse ist, einen hohen spektralen Reflexionsgrad aufweist, vorzugsweise über 80%.The term “highly reflective” means that the surface, or the coating of the surface, has a high spectral reflectance, preferably over 80%, over the entire spectrum of interest for the analysis task.

Mit dem Begriff „angepasstes Reflexionsverhalten“ ist gemeint, dass es für die Messaufgabe vorteilhaft sein kann, dass der spektrale Reflexionsgrad nicht über das gesamte Spektrum, welches für die Analyseaufgabe von Interesse ist, gleichmäßig hoch ist. Eine Anpassung könnte beispielsweise sein, in Spektralbereichen hoher Empfindlichkeit der Detektionsensorik den Refelxionsgrad zu verringern und in Spektralbereichen niedriger Empfindlichkeit den Refelxionsgrad zu erhöhen. Damit könnte der Dynamikumfang der Detektionsensorik besser ausgenutzt werden.The term "adapted reflection behavior" means that it can be advantageous for the measurement task if the spectral reflectance is not uniformly high across the entire spectrum that is of interest for the analysis task. One adaptation could be, for example, to reduce the reflectance in spectral ranges of high sensitivity of the detection sensor and to increase the reflectance in spectral ranges of low sensitivity. This would allow the dynamic range of the detection sensor to be better utilized.

Bezugszeichenliste:List of reference symbols:

11: Materielle BegrenzungMaterial limitation
22: KörperBody
33: AushöhlungHollowing out
44: MessöffnungMeasuring opening
55: StrahlungsaustrittsöffnungRadiation exit opening
66: Stufe, bestehend aus:Level consisting of:
6a6a: TrittStep
6b6b: Steigungpitch
77: MantelflächeShell surface
88th: DetektionsstrahlengangDetection beam path
99: DetektionssensorikDetection sensors
1010: MesskopfMeasuring head
1111: TrennelementSeparating element
1212: Probesample
1313: Quelle elektromagnetischer StrahlungSource of electromagnetic radiation
1414: BeleuchtungsstrahlengangIllumination beam path
1616: Linie beispielhaft für die Achse des AkzeptanzwinkelsLine exemplary for the axis of the acceptance angle
2020: InteraktionspunktInteraction point
2121: elektromagnetische Welle innerhalb des Akzeptanzwinkelselectromagnetic wave within the acceptance angle
2222: einfach zurückreflektierte elektromagnetische Wellesimply reflected electromagnetic wave
2323: mehrfach zurückreflektierte elektromagnetische Welleelectromagnetic wave reflected multiple times
2424: Öffnungswinkel / AkzeptanzwinkelOpening angle / acceptance angle
2525: Ausnehmung für BeleuchtungRecess for lighting

Claims

Device consisting of a detection sensor 9, which has an acceptance angle for electromagnetic radiation, as well as a material boundary 1 of a detection beam path 8 of electromagnetic radiation that has interacted with a sample 12, contains information about analytical properties of the sample 12 and diffusely exits the sample 12 in the direction of a measuring opening 4, having a body 2 that has a cavity 3 with two openings of different sizes lying opposite one another, where • the larger opening forms the measuring opening 4 for the sample 12, and • the smaller opening represents a radiation exit opening 5 to the detection sensor 9, and where the cavity 3 is designed such that • its opening angle, which results from the radiation exit opening 5 and the measuring opening 4, is approximately equal to the acceptance angle 24 of the detection sensor 9 and • its lateral surface 7 is designed in such a way in terms of geometry and surface quality, that incident electromagnetic radiation is preferably reflected back in the direction of the measuring opening 4 in order to interact again with the sample 12 and at least partially emerge from the sample 12 again.

Device according to Claim 1 , wherein the lateral surface 7 is designed such that the back reflection of the electromagnetic radiation into the sample can also occur by multiple reflection at the lateral surface 7.

Device according to one of the preceding claims, wherein the lateral surface 7 is designed in the direction of the radiation exit opening 5 in the form of steps 6 which consist of a step 6a and a slope 6b, wherein the slope 6b has an approximately right angle to the step 6a.

Device according to one of the preceding claims, wherein the device further comprises a separating element 11, and the material boundary 1 is spaced from the separating element 11 such that the sample 12 is illuminated through the resulting gap.

Device according to one of the preceding claims, wherein the lateral surface 7 is geometrically designed such that electromagnetic radiation incident thereon is reflected in the direction from which it came.

Device according to one of the preceding claims, wherein the lateral surface 7 has a highly reflective coating, preferably a metallic coating.

Device according to one of the preceding claims, wherein the lateral surface 7 is designed such that it has retroreflective properties and the electromagnetic radiation incident thereon is reflected in the direction from which it came.

Device according to one of the preceding claims, wherein the material boundary has additional recesses 25 through which the sample is illuminated.

Device according to one of the Claims 1 until 5 , 7 or 8th , wherein a coating of the lateral surface 7 has a spectrally adapted reflection behavior.

Measuring head 10, comprising at least • one, preferably exactly one source of electromagnetic radiation 13 • one, preferably exactly one illumination beam path 14, which is set up to expose a sample 12 to the electromagnetic radiation of the source 13, wherein the sample 12 is a solid body or a volume flow, and the electromagnetic radiation at least partially penetrates the sample 12 and interacts with it, • one, preferably exactly one detection beam path 8 with a material boundary 1 according to one of the preceding claims, • one, preferably exactly one detection sensor system 9, set up to detect the analytical properties of the sample 12, arranged such that the electromagnetic radiation passing through the radiation exit opening 5 of the material boundary 1 of the detection beam path 8 is detected and can be evaluated.