DE10314848A1

DE10314848A1 - Messeinrichtung zur Detektion von laserinduzierter Fluoreszenzstrahlung

Info

Publication number: DE10314848A1
Application number: DE2003114848
Authority: DE
Inventors: Jürgen Bauer; Otto JÜNEMANN
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-01-15

Abstract

Bei einer Messeinrichtung zur Detektion von laserinduzierter Fluoreszenzstrahlung besteht die Aufgabe der Bereitstellung einer universell einsetzbaren, miniaturisierten Anordnung, bei der in einfacher Weise das Problem der mechanischen Justierung und Halterung der optischen Fasern und Abbildungselemente gelöst ist, wobei Unempfindlichkeit gegenüber äußeren thermischen und mechanischen Einflüssen und hohe Fluoreszenzstrahlungsausbeuten erreicht werden sollen. DOLLAR A Faserausgänge von faseroptischen Strahlführungen, denen messobjektseitig Kollimationsoptiken und eine gemeinsame Fokussieroptik benachbart sind, weisen parallel zueinander und parallel zu einem optischen Träger ausgerichtete Oberflächen auf, und die Kollimationsoptiken sind zur Erzeugung eines gemeinsamen Fokusbereiches für die Faserausgänge infolge der Abbildung mit der Fokussieroptik auf dem optischen Träger lateral ausgerichtet fixiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung zur Detektion von laserinduzierter Fluoreszenzstrahlung mit mindestens einer Laserstrahlungsquelle zur Erzeugung einer Anregungsstrahlung und mindestens einem Fluoreszenzdetektor zum Empfangen der Fluoreszenzstrahlung, getrennt voneinander angeordneten faseroptischen Strahlführungen, zu deren Faserausgängen messobjektseitig Kollimationsoptiken und eine gemeinsame Fokussieroptik für die Übertragung der Anregungsstrahlung in mindestens einem Sendekanal und der Fluoreszenzstrahlung in mindestens einem Empfangskanal benachbart sind und mit spektral selektierenden Elementen zur Auswahl von Fluoreszenzlinien aus der Fluoreszenzstrahlung sowie zur Abtrennung von Störstrahlung.
Eine derartige Fluorometeranordnung ist einsetzbar in der Industrie, Landwirtschaft, Umwelttechnik, Chemie und Medizin.
Mit Fluorometern kann aus der spektralen Verteilung der von einem zu untersuchenden Objekt ausgestrahlten Fluoreszenzstrahlung auf die Anwesenheit bestimmter Moleküle oder Molekülgruppen geschlossen werden, wobei mit einer zeitabhängigen Messung auch der Verlauf von chemischen und biologischen Reaktionen untersucht werden kann. Weitere Informationen erhält man aus der Intensität und der Abklingzeit der Fluoreszenzstrahlung.
Da die Intensität der Fluoreszenzstrahlung häufig sehr klein ist im Vergleich zur Anregungsstrahlung, ist es besonders vorteilhaft, die Anregung der Fluoreszenz mit Hilfe energiereicher Laserstrahlung durchzuführen, die heute in einem weiten Wellenlängenbereich zur Verfügung steht. Im Gegensatz zu thermischen Lichtquellen hat Laserstrahlung den Vorteil einer großen räumlichen und spektralen Energiedichte, so dass die Anregung mit hoher Energie auf kleinen Flächen erfolgen kann.
Die von dem zu untersuchenden Objekt rückgestreute Strahlung enthält neben der meistens aus mehreren Linien unterschiedlicher Wellenlänge bestehenden Fluoreszenzstrahlung auch störende Anteile der Anregungsstrahlung (Fresnelreflexionen von der Objektoberfläche) und Anteile aus dem Umgebungslicht. Zur Lösung des allgemeinen Problems der Separation der unterschiedlichen Fluoreszenzlinien von den störenden Strahlungsanteilen sind verschiedene Lösungen bekannt geworden.

So wird in der EP 0 434 644 B1 ein transportables Gerät für die Bestimmung der photosynthetischen Aktivität von Pflanzen durch die Untersuchung der Fluoreszenz von Chlorophyll beschrieben. Eine optische Einzelfaser ist zur gleichzeitigen Übertragung von Laserstrahlung für die Erregung der Photosynthese und der Fluoreszenz sowie der Rücklaufenergie vorgesehen. Während ein Selektionssystem in Form eines dichroitischen Spiegels die Rücklaufsignale von der Erregungsstrahlung trennt, spaltet ein weiteres System die Rücklaufsignale in mindestens zwei Teilstrahlen auf, für die eine gleiche Anzahl von Fluoreszenzdetektoren vorgesehen ist.

Von Nachteil ist der notwendige direkte Kontakt zwischen dem Messsystem und der Oberfläche des Messobjektes sowie der relativ hohe materielle Aufwand, bei dem in einem einzigen Empfangskanal mehrere Strahlteiler und optische Filter angeordnet werden müssen.

Aus der WO 87/06698 ist ein Gerät zur Messung der Effizienz der Photosynthese auf der Basis von Fluoreszenzmessungen bekannt, beim dem zur Übertragung des zur Photosynthese und Fluoreszenz notwendigen Erregungslichtes zu einer Pflanze und des Fluoreszenzlichtes zu einem Detektor jeweils eine optische Faser verwendet wird. Funktionsbeeinträchtigend bei der beschriebenen Anordnung ist vor allem, dass das eine Faserende, an dem das Anregungslicht austritt, zur wirksamen Anregung unmittelbar an die Blattoberfläche der Pflanze herangeführt werden muss. Diese Forderung steht jedoch im Widerspruch dazu, dass dennoch ein ausreichender Abstand zu gewährleisten ist, damit das abgestrahlte Fluoreszenzlicht wiederum das Faserende der anderen Faser erreicht. Bei der beschriebenen Anordnung gelangt nur ein sehr geringer Anteil der Fluoreszenzstrahlung in die zum Detektor führende Übertragungsfaser, so dass dieses Gerät für Anwendungen in freier Natur ungeeignet ist.

Eine Kombination einer am Faserausgang angeordneten Gradientenindexlinse, kombiniert mit einer für alle Fasern gemeinsamen sammelnden Optik zur weiteren Fokussierung, wird in der DE 297 10 396 U1 für Streuwinkelmessungen nahe 180° bei Realisierung unterschiedlicher Arbeitsabstände vorgeschlagen. Von Nachteil ist es, dass der kleine Durchmesser der verwendeten Gradientenindexlinse das von der Faser empfangene Streulicht begrenzt, so dass bei schwachen Fluoreszenzausbeuten als Detektor ein Photonenzähler eingesetzt werden muss.

Keine Aussage wird dazu getroffen, wie das Problem der mechanischen Justierung und Halterung der beiden geneigt zueinander angeordneten Fasern und der Gradientenindexlinsen an den Faserenden zu lösen ist, um ein vorteilhaftes Überlagerungsgebiet der Beleuchtung und des Streulichtes zu erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist deshalb die Bereitstellung einer universell einsetzbaren, miniaturisierten Anordnung, bei der in einfacher Weise das Problem der mechanischen Justierung und Halterung der optischen Fasern und der optischen Abbildungselemente gelöst ist, wobei Unempfindlichkeit gegenüber äußeren thermischen und mechanischen Einflüssen und hohe Fluoreszenzstrahlungsausbeuten erreicht werden sollen.

Diese Aufgabe wird bei einer Messeinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Faserausgänge parallel zueinander und parallel zu einem optischen Träger ausgerichtete Oberflächen aufweisen, und dass die Kollimationsoptiken zur Erzeugung eines gemeinsamen Fokusbereiches für die Faserausgänge infolge der Abbildung mit der Fokussieroptik auf dem optischen Träger lateral ausgerichtet fixiert sind.

Dadurch tritt eine wesentliche Vereinfachung und Aufwandreduzierung bei der Justierung ein, indem sich diese auf eine einfache laterale x-y-Justierung der Sende- und Empfangsoptiken auf dem gemeinsamen optischen Träger beschränkt.

Es ist nicht mehr erforderlich, unter einem Winkel zueinander geneigte optische Fasern mechanisch aufwendig in den Raumkoordinaten zu justieren.

Der miniaturisierte, kompakte Aufbau des Messkopfes gewährleistet eine hohe Stabilität des einmal hergestellten Justierzustandes, auch wenn die Laserstrahlungsquelle oder Sende- und Empfangsfasern über faseroptische Steckverbindungen ausgetauscht werden. Diese Eigenschaft ermöglicht Vor-Ort-Analysen, auch unter schwierigen Umweltbedingungen, wo sonst Untersuchungen typischerweise nur in einem Labor durchgeführt werden können.

Da zur Detektion der Fluoreszenz nur der Schnittbereich von Anregungs- und Empfangskanal vorgesehen ist, lässt sich die Anregungswellenlänge effektiv separieren.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung liegen die Oberflächen der Faserausgänge in einer gemeinsamen Ebene, zu der mit vorgegebenem Abstand der optische Träger für die Kollimationsoptiken benachbart ist.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Oberflächen der Faserausgänge in verschiedenen, parallel zueinander ausgerichteten Ebenen liegen, wobei die Kollimationsoptik im Empfangskanal einen größeren Durchmesser und eine größere Brennweite als die Kollimationsoptik im Sendekanal aufweist.

Vorteilhaft wirken sich die in den Unteransprüchen näher beschriebenen konzentrischen Anordnungen der faseroptischen Strahlführungen aus.

Aufgrund des durch die Kollimationsoptiken geschaffenen parallelen Strahlenganges bietet sich eine Anordnung von spektral selektierenden Elementen innerhalb des Messkopfes zwischen Kollimations- und Fokussieroptik im Empfangskanal an.

Vorteilhaft ist auch eine spektrale und räumliche Separation der Fluoreszenzlinien, bei der die gesamte rückgestreute Strahlung auf optische Fasern verteilt übertragen wird und die spektrale Separation der unterschiedlichen Fluoreszenzlinien mittels schmalbandiger, einfach austauschbarer optischer Filter erst unmittelbar vor jedem Detektor erfolgt. Das führt zu einem vereinfachten stabilen optischen Aufbau des Fluorometers. Der Aufbau wird kompakter und unanfälliger gegen äußere Einflüsse und es können große optische Übertragungsstrecken realisiert werden. Aufgrund der begrenzten numerischen Apertur der optischen Fasern wirken diese als Raumfilter, so dass Umgebungslicht oder Streulicht aus dem Messkopf nicht auf die Detektoren gelangt.

Wird die Strahlung von mehreren Laserstrahlungsquellen mit Hilfe mehrerer faseroptischer Strahlführungen und den dazugehörigen Kollimationsoptiken auf einen Messpunkt des Messobjektes fokussiert, so kann die Anregungsleistung erhöht werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine faseroptische Strahlführung zur Übertragung der Fluoreszenzstrahlung in einen Faserkoppler zur Aufspaltung in Teilstrahlen geführt sein, von denen jeder über ein eigenes spektral selektierendes Filterelement jeweils einem Fluoreszenzdetektor zur parallelen Detektion unterschiedlicher Fluoreszenzlinien zugeführt wird.

Über eine Fläche können auch mehrere Messstellen verteilt sein, wobei von den faseroptischen Strahlführungen mehrerer Messköpfe diejenigen Strahlführungen, die zum Nachweis von gleichen Fluoreszenzlinien vorgesehen sind, über ein gemeinsames spektral selektierendes Filterelement zu einem Fluoreszenzdetektor geführt sind. Ist die Anregungsstrahlung in Form von Impulsen ausgebildet und gelangen diese mit zeitlichen Verschiebungen zu den Messköpfen, kann im Multiplexbetrieb in jedem Fluoreszenzdetektor eine Zuweisung der zeitlich verschobenen Messsignale zu unterschiedlichen Messköpfen erfolgen. Die zeitlichen Verschiebungen können z. B. durch unterschiedliche optische Faserlängen erzeugt werden oder es sind für die Messköpfe eine gleiche Anzahl von Laserstrahlungsquellen vorgesehen, durch die eine Bereitstellung der zeitlich verschobenen Impulse erfolgt.

In einer anderen Ausgestaltung können die faseroptischen Strahlführungen zur Übertragung der Fluoreszenzstrahlung von mehreren Messköpfen in einen Strahlteiler mit kollimierender Eingangsoptik geführt sein, der für jedes durch Strahlteilung entstandene Teilbündel ein spektral selektierendes Element und eine Fokussieroptik enthält. Vorteilhaft enthält der Strahlteiler einen dichroiden Spiegel als teilendes Element.

Zur Kalibrierung der Messeinrichtung kann von jeder Laserstrahlungsquelle ein Referenzstrahl auf einen Referenzdetektor geführt werden. Vorteilhaft ist dabei eine Laser-Faser-Kopplung so zu gestalten, dass sich in einer Einkoppelferrule an der Laserstrahlungsquelle eine faseroptische Strahlführung für die Anregungsstrahlung und mindestens eine weitere optische Faser zur Übertragung des Referenzstrahls befinden. Bei der Faserjustierung relativ zur Laserstrahlungsquelle wird das Maximum der Laserstrahlung in die faseroptische Strahlführung für die Anregungsstrahlung gekoppelt. Dabei koppelt auch ein geringer Anteil der Laserstrahlung in die benachbarten Fasern für den Referenzstrahl, die zum Referenzdetektor geführt sind.

Bei impulsförmiger Anregungsstrahlung ist es von Vorteil, wenn die faseroptischen Strahlführungen eine solche optische Faserlänge aufweisen, dass die Laufzeit der Impulse in den faseroptischen Strahlführungen größer ist als die Dauer einer Impulsstörung, die von einer Laserstrahlungsquelle bei der Impulserzeugung auf benachbart angeordneten Fluoreszenzdetektoren hervorgerufen wird.

Ferner kann auch die Impulslaufzeit in den faseroptischen Strahlführungen einstellbar sein, wodurch der zeitliche Abstand der Impulse der Fluoreszenzstrahlung zu den Impulsen der Anregungsstrahlung veränderbar ist, so dass die Impulse der Fluoreszenzstrahlung in vorgegebenen Zeitfenstern auswertbar sind, wobei die Erzeugung der Zeitfenster mit den Impulsen der Anregungsstrahlung synchronisiert ist.

Der Tiefenschärfenbereich ist in Abhängigkeit von der Laufzeit der Impulse der Anregungs- und Fluoreszenzstrahlung lokalisierbar und die Fluoreszenzstrahlung aus dem Tiefenschärfenbereich auswertbar.

Vorteilhaft ist es, wenn der zeitliche Abstand zwischen den Impulsen der Anregungsstrahlung größer ist als die Summe aller Impulslaufzeiten zwischen der Anregungsstrahlung und Fluoreszenzstrahlung und wenn die Impulsbreite der Anregungsstrahlung entsprechend der zu erwartenden Toleranz der Laufzeiten und der Tiefenschärfe eingestellt ist.

Sollen serielle Messungen durchgeführt werden, kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung zur Übertragung der Fluoreszenzstrahlung eine einzige faseroptische Strahlführung vorgesehen und zu einer Filterbank geführt sein. Die Separierung von Fluoreszenzlinien erfolgt durch Vorschalten unterschiedlicher Filter nacheinander.

Anstelle der Filterbank kann auch ein Faserschalter eingesetzt werden, der die ankommende Fluoreszenzstrahlung seriell in N Fasern umschalten kann. Diese führen dann zu N Detektoren mit geeigneten spektral selektierenden Filterelementen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine mit einer Anregungswellenlänge arbeitende erfindungsgemäße Messeinrichtung zum Nachweis zweier Fluoreszenzlinien
2 eine erste Ausführung eines Messkopfes, in dem die faseroptischen Strahlführungen parallel zueinander gerichtet gehaltert sind
3 eine zweite Ausführung eines Messkopfes der erfindungsgemäßen Messeinrichtung mit plankonvexer Fokussierlinse
4 einen Messkopf mit vergrößerter Empfangsoptik und vergrößerter Brennweite
5 einen Messkopf mit integrierten optischen Filterelementen
6 den Strahlenverlauf durch ein spektral selektierendes Filterelement zwischen Empfangsfaser und Fluoreszenzempfänger
7-10 Anordnungsvarianten für Sende- und Empfangsoptiken auf dem optischen Träger sowie der faseroptischen Strahlführungen
11 eine zweite Ausführung einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung
12 eine erfindungsgemäße Messeinrichtung mit serieller Auswertung
13 eine Messanordnung zur Messung an mehreren Messstellen
14 eine Anordnung zur Messung zweier unterschiedlicher Fluoreszenzlinien mit mehreren Messstellen Die in 1 dargestellte Messeinrichtung enthält eine, von einer elektrischen Steuereinheit 1 angesteuerte Laserstrahlungsquelle 2 zur Erzeugung einer Anregungsstrahlung der Anregungswellenlänge λ₀. Die Anregungsstrahlung wird in einem Anregungskanal A durch eine faseroptische Strahlführung in Form einer, mit der Laserstrahlungsquelle 2 verbundenen optischen Sendefaser 3 zu einem Messkopf 4 übertragen und von dort nach dem Austritt am Faserausgang mit einer, hier schematisch dargestellten fokussierenden Optik auf ein Messobjekt 6 fokussiert.
Fokussierende Optiken sind auch für die von der Oberfläche des Messobjektes 6 zurückgestreute Strahlung vorgesehen, die sich aus einem durch Fresnelreflexion entstandenen Streustrahlungsanteil der Anregungswellenlänge λ₀ sowie einer durch die Anregung entstandenen Fluoreszenzstrahlung zusammensetzt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Fluoreszenzstrahlung aus Fluoreszenzlinien mit den Wellenlängen λ_F1 und λ_F2, die zusammen mit dem Streustrahlungsanteil zwei Empfangskanälen a, b zugeführt werden.
Die Empfangskanäle a und b enthalten, wie der Anregungskanal A, faseroptische Strahlführungen, die in Form von optischen Empfangsfasern 7a und 7b zu spektral selektierenden Filterelementen 9a und 9b geführt sind, von denen jedes eines der Fluoreszenzwellenlängen λ_F1 und λ_F2 ausfiltert, so dass nachgeordnete Fluoreszenzdetektoren 10a und l0b die Linienintensität und deren zeitlichen Verlauf detektieren können. Die Auswertung erfolgt in einer nachgeschalteten Auswerteeinheit 11.
Der in 2 genauer dargestellte Messkopf 4 enthält in Bohrungen eingebrachte, parallel zueinander angeordnete Ferrulen 12, 13a und 13b und dementsprechend durch ihre Führung in den Ferrulen 12, 13a und 13b ausgerichtete optische Fasern 3, 7a und 7b. Die optischen Fasern 3, 7a und 7b weisen Faserausgänge mit polierten Oberflächen auf, die in dem Messkopf 4 in einer gemeinsamen Ebene E-E liegen, zu der mit vorgegebenem Abstand eine optische Grundplatte GP benachbart ist, auf der Kollimationsoptiken in Form einer Sendeoptik 5 und Empfangsoptiken 8a und 8b justiert aufsitzen und somit den optischen Fasern 3, 7a und 7b messobjektseitig benachbart sind. Vorteilhafterweise werden als Kollimationsoptiken Plankonvexlinsen verwendet. Eine für alle optischen Fasern 3, 7a und 7b gemeinsame Fokussierlinse 14 dient zur Abbildung der Faserausgänge in einen gemeinsamen Fokusbereich.
Damit das erreicht werden kann, bietet sich ein besonders vorteilhaftes Justierverfahren für die Kollimationsoptiken auf der Grundplatte GP an, mit der eine kostengünstige Herstellung des Messkopfes 4 verbunden ist. Zunächst wird die Sendeoptik 5 des Anregungskanals A auf der Grundplatte GP so justiert, dass ein Fokus auf dem Messobjekt 6 erzeugt wird. Anschließend wird die Sendeoptik 5 z. B. mit uv-härtendem Kitt fixiert. Danach wird an die als Empfangsfaser dienende optische Faser 7a des Empfangskanals a ein optischer Sender angesteckt und die Empfangsoptik 8a, lateral, d. h. parallel zur Ebene E-E so justiert, dass sich der Fokus mit dem des Anregungskanals A vollständig überdeckt und anschließend fixiert. Die Justierung kann mit einer Kamera überwacht werden oder es wird auf maximales Streu- bzw. Fluoreszenzlicht am Ausgang der Empfangsfaser 7a eingestellt. Schließlich wird für die Empfangsoptik 8b im Empfangskanal b in analoger Weise verfahren, so dass die Kollimationsoptiken im Ergebnis auf der zur Ebene E-E parallel ausgerichteten optischen Grundplatte GP mittels einer Kittschicht befestigt sind. In 7 sind z. B. Paare der Sendeoptiken 5a und 5b sowie Empfangsoptiken 8a und 8b mit einer Kittschicht 31 auf der optischen Grundplatte GP befestigt.
Aufgrund des parallelen Strahlenganges im Messkopf 4 kann zur Justierung der Kollimationsoptiken eine spezielle Justierlinse als Fokussierlinse verwendet werden. Nachdem die Justierung erfolgt ist, wird dann erst die gemeinsame Fokussierlinse 14 eingesetzt, wobei mit unterschiedlichen Fokussierlinsen eine Einstellung der Abbildung auf unterschiedliche Abstände zum Messobjekt vorgenommen sowie die Schnittwinkel und damit die Tiefenschärfe, mit der die Messeinrichtung arbeitet, in einfacher Weise verändert werden können. Die Tiefenschärfe kann insbesondere derart angepasst werden, dass ein variabler Abstand des Messkopfes 4 zum Messobjekt 6 während der Messung verkraftet wird. Das ist z. B. dann von Bedeutung, wenn die Messeinrichtung an einem Fahrzeug angebracht und pflanzliches Material während der Fahrt untersucht werden soll.
Bei der Ausführung gemäß 3 ist die Fokussierlinse 14 als plankonvexe Linse ausgebildet, bei der anstelle der optischen Grundplatte GP die Planseite als Träger für die Kollimationsoptiken dient, indem auf der Planseite die Sendeoptik 5 und die Empfangsoptiken 8a und 8b justiert und befestigt sind. Durch die Bauelementereduzierung wird der optische Aufbau noch kompakter. Erforderlichenfalls kann zur Verbesserung der Effizienz der Fasereinkopplung die Verwendung korrigierter Optiken von Vorteil sein.
Der in 4 dargestellte Messkopf ist zur Erhöhung der Fluoreszenzausbeute mit einer großen Empfangsoptik 8 ausgestattet, die einen größeren Durchmesser und eine größere Brennweite als die Sendeoptik 5 aufweist, wodurch sich eine Anordnung der Oberflächen der Faserausgänge in unterschiedlichen, parallelen Ebenen (Y-Y, Z-Z) erforderlich macht.
Vorteilhaft ist die Verwendung von Multimodefasern mit großer numerischer Apertur als Empfangsfasern, um einen maximalen Streukegel einkoppeln zu können. Mit Empfangsfasern von größerem Kerndurchmesser kann eine Verbesserung der Effektivität erzielt werden.
Für eine optische Abbildung mit geringen sphärischen Abbildungsfehlern ist der Einsatz von Asphären für die Kollimationsoptiken und/oder die Fokussierlinse 14 vorteilhaft.
Ein Aufbau mit zwei getrennten Empfangskanälen a und b, wie in 1 oder mit mehreren Empfangskanälen hat den Vorteil, eine optische Filterung direkt im Messkopf 4 vorsehen zu können. Folglich sind in der Ausführung gemäß 5 Filterelemente 9e und 9f in den parallelen Strahlengang eingesetzt.
Die spektral selektierenden Filterelemente können den optischen Fasern der Empfangskanäle in einem kollimierten Strahlengang empfängerseitig auch nachgeordnet sein. Das wird anhand von 4 verdeutlicht, wo zwischen dem Faserausgang der Faser 7 und dem Fluoreszenzdetektor 10 durch ein System von optischen Linsen 15a und 15b der kollimierte Strahlengang für das Filterelement 9 erzeugt wird. Von besonderer Bedeutung ist eine solche Anordnung, wenn die Schmalbandigkeit des Filterelementes 9a ausgenutzt werden soll, um eine Fluoreszenzlinie λ_F1 von der Wellenlänge der Anregungsstrahlung und den anderen Fluoreszenzlinien λ_Fn zu separieren. Liegen die nachzuweisenden Fluoreszenzlinien λ_F1 ... λ_Fn im Spektrum dicht nebeneinander oder weist die Anregungswellenlänge λ₀ nur einen sehr geringen spektralen Abstand zu der nachzuweisenden Fluoreszenzlinie λ_Fn auf, ist die Anordnung des Filterelementes 9a im kollimierten Strahlengang unumgänglich.
Von möglichen Anordnungen der faseroptischen Strahlführungen in dem Messkopf 4 erweisen sich konzentrische gemäß den 7 bis 10 als vorteilhaft, da die faseroptischen Strahlführungen sowohl mit der Laserstrahlungsquelle als auch mit einem Fluoreszenzdetektor verbunden werden können.
In der Ausführung gemäß 8 sind faseroptische Strahlführungen mit davor gesetzten optischen Abbildungselementen 8a, 8b, 8c und 8d für vier Empfangskanäle kreisförmig um das Zentrum des Messkopfes 4 verteilt, in dem eine faseroptische Strahlführung für die Anregungsstrahlung mit der Anregungswellenlänge λ₀ und das dazugehörige optische Abbildungselement 5 angeordnet ist.
Eine weitere Ausführung (9) sieht die zentrische Anordnung von drei faseroptischen Strahlführungen zur Übertragung von Anregungsstrahlungen und dazugehörigen optischen Abbildungselementen 5a, 5b und 5c vor, um die herum die faseroptischen Strahlführungen und die optischen Abbildungselemente 8a, 8b, 8c für drei Empfangskanäle konzentrisch verteilt sind.
Schließlich sind in 10 alle faseroptischen Strahlführungen (jeweils drei) und die dazugehörigen optischen Abbildungselemente 5a, 5b, 5c sowie 8a, 8b, 8c auf einer Kreisbahn, konzentrisch zur Mitte des Messkopfes 4 angeordnet.
Bei der in 11 dargestellten Ausführungsform werden vier Empfangskanäle a, b, c und d mittels eines 1 × 4 Faserkopplers 16 erzeugt, in den eine vom Messkopf 4 kommende optische Faser 7, welche die von dem Messobjekt 6 rückgestreute Strahlung überträgt, geführt ist. An den Faserkoppler 16 angeschlossene optische Fasern 17a, 17b, 17c und 17d übertragen das gesamte Spektrum der rückgestreuten Strahlung weiter bis zu schmalbandigen optischen Filtern 9a, 9b, 9c und 9d, mit denen vier unterschiedliche Fluoreszenzlinien λ_F1, λ_F2, λ_F3 und λ_F4 separiert und mit Hilfe der Fluoreszenzdetektoren 10a, 10b, l0c und 10d parallel detektiert und in Auswerteeinrichtungen 11a, 11b, 11c und lld ausgewertet werden.
Mit der Erfindung kann nicht nur in bevorzugter Weise parallel detektiert werden, sondern es ist, wie 12 zeigt, auch der serielle Nachweis möglich. Die Anordnung nach 11 ist dahingehend modifiziert, dass anstelle des Faserkopplers 16 eine Filterbank 18 vorgesehen ist, zu der die optische Faser 7 mit der vom Messobjekt 6 rückgestreute Strahlung geführt ist. Verschiedene Fluoreszenzlinien können durch Vorschalten unterschiedlicher Filter nacheinander separiert und anschließend mit dem Fluoreszenzdetektor 10 detektiert werden.
Mit einer Messanordnung gemäß 13 werden Fluoreszenzsignale, die von mehreren Messköpfen 4a, 9b, 4c und 4d aufgenommen sind und die gleiche Wellenlänge enthalten, über optische Fasern 7a, 7b, 7c und 7d zusammengeführt und nach der Separierung dieser Wellenlänge mit einem schmalbandigen Filter 9a, 9b, 9c und 9d jeweils einem Fluoreszenzdetektor 10a, 10b, l0c und l0d zugeführt. In 13 ist diese Zusammenführung nur anhand des Fluoreszenzdetektors 10a dargestellt.
Mit einer solchen Anordnung können Messungen gleichzeitig an mehreren Messstellen durchgeführt werden.
Eine weitere Ausführung sieht zur Flächenabtastung oder zur Mittelwertbildung mehrerer Messungen vor, die Messköpfe 4a, 4b, 4c und 4d im Impulsbetrieb nacheinander anzusteuern. Hierbei reicht vorteilhafterweise ein Fluoreszenzdetektor aus.
Bei einem ebenfalls für eine Messeinrichtung gemäß 13 geeigneten Teilerwürfel entsprechend 14 sind an dessen optischen Eingang von den Messköpfen 4a, 4b, 4c und 4d kommende Empfangsfasern 7e – 7h in einer Ferrule 13c geführt. Die von den Empfangsfasern 7e – 7h übertragene Fluoreszenzstrahlung wird mittels einer Kollimationslinse 19 kollimiert und mit einem Strahlenteiler oder dichroiden Spiegel 20 in zwei Teilbündel 21a und 21b aufgespalten, so dass zwei unterschiedliche Wellenlängen λ_a und λ_b nachgewiesen werden können. Optische Filter 22a und 22b dienen der weiteren spektralen Selektion und Fokussierlinsen 23a und 23b bilden die beiden Teilbündel 21a und 21b auf Fluoreszenzdetektoren 24a und 24b ab.
Die Verwendung des Teilerwürfels ist besonders vorteilhaft, wenn die Fluoreszenzmessung stark winkelabhängig ist oder wenn sich durch ändernde Messobjektabstände eine Verschiebung der Messflecke ergibt.
Reagiert die Fluoreszenzmessung empfindlich auf solche Asymmetrien, können nur zeitliche Vorgänge mit einer zweikanaligen Messanordnung analysiert werden. Zur Intensitätsbestimmung und zur Ermittlung von Differenzen oder Quotienten zwischen Fluoreszenzstrahlungsintensitäten ist es vorteilhaft, nur einen Empfangskanal zu installieren und die unterschiedlichen Fluoreszenzlinien nach der Empfangsfaser zu separieren. Da die hierfür erforderlichen schmalbandigen Interferenzfilter einen parallelen Strahlengang erfordern, muss die Fluoreszenzstrahlung am Ausgang der Empfangsfaser mit einer Zusatzoptik kollimiert und dann wieder auf einen Detektor abgebildet werden.

Claims

Messeinrichtung zur Detektion von laserinduzierter Fluoreszenzstrahlung mit mindestens einer Laserstrahlungsquelle zur Erzeugung einer Anregungsstrahlung und mindestens einem Fluoreszenzdetektor zum Empfangen der Fluoreszenzstrahlung, getrennt voneinander angeordneten faseroptischen Strahlführungen, zu deren Faserausgängen messobjektseitig Kollimationsoptiken und eine gemeinsame Fokussieroptik für die Übertragung der Anregungsstrahlung in mindestens einem Sendekanal und der Fluoreszenzstrahlung in mindestens einem Empfangskanal benachbart sind und mit spektral selektierenden Elementen zur Auswahl von Fluoreszenzlinien aus der Fluoreszenzstrahlung sowie zur Abtrennung von Störstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserausgänge parallel zueinander und parallel zu einem optischen Träger ausgerichtete Oberflächen aufweisen, und dass die Kollimationsoptiken zur Erzeugung eines gemeinsamen Fokusbereiches für die Faserausgänge infolge der Abbildung mit der Fokussieroptik (14) auf dem optischen Träger lateral ausgerichtet fixiert sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Faserausgänge in einer gemeinsamen Ebene (E-E) liegen, zu der mit vorgegebenem Abstand der optische Träger für die Kollimationsoptiken benachbart ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen der Faserausgänge in verschiedenen, parallel zueinander ausgerichteten Ebenen (Y-Y, Z-Z) liegen, wobei die Kollimationsoptik im Empfangskanal einen größeren Durchmesser und eine größere Brennweite als die Kollimationsoptik im Sendekanal aufweist.
Messeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (14) als Plankonvexlinse ausgebildet ist, deren Planseite als optischer Träger für die Kollimationsoptiken dient.
Messeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (14) und/oder die Kollimationsoptiken Asphären sind.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die spektral selektierenden Elemente (9e, 9f) in einem durch die Kollimationsoptiken geschaffenen parallelen Strahlengang zwischen Kollimations- und Fokussieroptik im Empfangskanal angeordnet sind.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder, zu einem Fluoreszenzdetektor (10, 10a–10d) führenden faseroptischen Strahlführung empfängerseitig eines der spektral selektierenden Filterelemente (9a–9d) in einem, durch einen Kollimator erzeugten parallelen Strahlengang nachgeordnet ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die faseroptischen Strahlführungen zur Übertragung der Anregungsstrahlung zusammen mit ihren Kollimationsoptiken innerhalb des Messkopfes (4) in einem Zentrum und die faseroptischen Strahlführungen zur Übertragung der Fluoreszenzstrahlung zusammen mit ihren Kollimationsoptiken um das Zentrum herum angeordnet sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die faseroptischen Strahlführungen zur Übertragung der Fluoreszenzstrahlung zusammen mit ihren Kollimationsoptiken in einem Zentrum und die faseroptischen Strahlführungen zur Übertragung der Anregungsstrahlung zusammen mit ihren Kollimationsoptiken um das Zentrum herum angeordnet sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die faseroptischen Strahlführungen zusammen mit ihren Kollimationsoptiken konzentrisch zu einer gemeinsamen Achse angeordnet sind.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die faseroptischen Strahlführungen zur Übertragung der Anregungsstrahlung und ihren Kollimationsoptiken eine Fokussierung der Strahlung von mehreren Laserstrahlungsquellen auf einen Messpunkt zur Erhöhung der Anregungsleistung erfolgt.
Messeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine faseroptische Strahlführung (7) zur Übertragung der Fluoreszenzstrahlung in einen Faserkoppler (16) zur Aufspaltung in Teilstrahlen geführt ist, von denen jeder über ein eigenes spektral selektierendes Filterelement (9a–9d) jeweils einem Fluoreszenzdetektor (10a–10d) zur parallelen Detektion unterschiedlicher Fluoreszenzlinien zugeführt wird.
Messeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die faseroptischen Strahlführungen für die Fluoreszenzstrahlung in einen Faserschalter N × M zur seriellen Umschaltung geführt sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass von den faseroptischen Strahlführungen (7a–d) mehrerer Messköpfe (4a–4d) diejenigen Strahlführungen, die zum Nachweis von gleichen Fluoreszenzlinien vorgesehen sind, über ein gemeinsames spektral selektierendes Filterelement (9a–9d) zu einem Fluoreszenzdetektor (10a–10d) geführt sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die faseroptischen Strahlführungen (7e–7h) zur Übertragung der Fluoreszenzstrahlung von mehreren Messköpfen (4a–9d) in einen Strahlteiler mit kollimierender Eingangsoptik (19) geführt sind, der für jedes durch Strahlteilung entstandene Teilbündel (21a, 21b) ein spektral selektierendes Element (22a, 22b) und eine Fokussieroptik (23a, 23b) enthält.
Messeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler einen dichroiden Spiegel (20) als teilendes Element enthält.
Messeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsstrahlung in Form von Impulsen ausgebildet ist, die zur Gewährleistung eines Multiplexbetriebes zu den Messköpfen (4a–4d) mit zeitlichen Verschiebungen gelangen, so dass in jedem Fluoreszenzdetektor (10a–10d) eine Zuweisung der zeitlich verschobenen Messsignale zu unterschiedlichen Messköpfen (4a–4d) erfolgen kann.
Messeinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die faseroptischen Strahlführungen zur Realisierung der zeitlichen Verschiebungen unterschiedliche optische Faserlängen aufweisen.
Messeinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messköpfe (4a–4d) eine gleiche Anzahl von Laserstrahlungsquellen vorgesehen ist, durch die eine Bereitstellung der zeitlich verschobenen Impulse erfolgt.
Messeinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass von der Laserstrahlungsquelle (2) ein Referenzstrahl zur Kalibrierung der Messung auf einen Referenzdetektor geführt ist, wobei eine Laser-Faser-Kopplung so gestaltet ist, dass sich in einer Einkoppelferrule an der Laserstrahlungsquelle (2) eine faseroptische Strahlführung für die Anregungsstrahlung und mindestens eine weitere optische Faser zur Übertragung des Referenzstrahls befinden.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsstrahlung impulsförmig ausgebildet ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die faseroptischen Strahlführungen eine solche optische Faserlänge aufweisen, dass die Laufzeit der Impulse in den faseroptischen Strahlführungen größer ist als die Dauer einer Impulsstörung, die von der Laserstrahlungsquelle (2) bei der Impulserzeugung auf die benachbart angeordneten Fluoreszenzdetektoren (10a–10d) hervorgerufen wird.
Messeinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass bei impulsförmiger Anregungsstrahlung die Impulslaufzeit in den faseroptischen Strahlführungen einstellbar ist, wodurch der zeitliche Abstand der Impulse der Fluoreszenzstrahlung zu den Impulsen der Anregungsstrahlung veränderbar ist, so dass die Impulse der Fluoreszenzstrahlung in vorgegebenen Zeitfenstern auswertbar sind, wobei die Erzeugung der Zeitfenster mit den Impulsen der Anregungsstrahlung synchronisiert ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Laufzeit der Impulse der Anregungs- und Fluoreszenzstrahlung der Tiefenschärfenbereich lokalisierbar und die Fluoreszenzstrahlung aus dem Tiefenschärfenbereich auswertbar ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand zwischen den Impulsen der Anregungsstrahlung größer ist als die Summe aller Impulslaufzeiten zwischen der Anregungsstrahlung und Fluoreszenzstrahlung.
Messeinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsbreite der Anregungsstrahlung entsprechend der zu erwartenden Toleranz der Laufzeiten und der Tiefenschärfe eingestellt ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung der Fluoreszenzstrahlung eine einzige faseroptische Strahlführung vorgesehen und zu einer Filterbank (18) geführt ist, und dass eine Separation von Fluoreszenzlinien durch Vorschalten unterschiedlicher Filter nacheinander erfolgt.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die faseroptischen Strahlführungen für die Übertragung der Fluoreszenzstrahlung Multimodefasern sind.