DE1772690C

DE1772690C - Optical element with multiple reflection, separated from 1285761

Info

Publication number: DE1772690C
Application number: DE19641772690
Authority: DE
Inventors: Nicolas James Ossimng N Y Harrick (V St A )
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1963-09-11
Filing date: 1964-09-08
Publication date: 1973-05-10

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Element mit Mehrfachreflexion, das an einen langgestreckten, nahezu völlig strahlungsdurchlässigen Körper mit hohem Brechungindex besteht, der planare in geringem Abstand voneinander liegenden Grenzflächen aufweist.The invention relates to an optical element with multiple reflection, which is attached to an elongated, Almost completely radiolucent body with a high refractive index, the planar in has a small distance from each other lying boundary surfaces.

In Artikeln in »Physical Review Letters« vom 1. März 1960, S. 224 bis 226, und in »Physical Review«, Band 124, Nr. 4, 1962, S. 1165 bis 1170, sind eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben worden, die sich zur Untersuchung Jer physikalischen und chemischen Eigenschaften von Oberflächen mit Hilfe frustierter Totalreflexion eignen. Bei dieser Vorrichtung wird Ultrarotstrahlung auf die Endfläche eines optischen Elementes geirchtet, das unter einem derartigen Winkel geschliffen ist, daß das Strahlungsbündel auf eine der Grenzflächen dieses Elementes unter einem Winkel auftritt, der größer als der Grenzwinkel ist, so daß Totalreflexion auftritt und das Bündel zu einer gegenüberliegenden reflektierenden Grenzfläche reflektiert wird, auf die es gleichfalls unter einem Winkel auftritt, der größer als der Grenzwinkel ist, so daß wiederum Totalreflexion auftritt, usw. In den vorstehend erwähnten Artikeln ist beschrieben worden, daß das Bündel, das sich durch Mehrfachreflexion an den Grenzflächen durch das ganze optische Element hindurch ausbreitet, jedesmal auch, in der Nähe einer reflektierenden Grenzfläche, in das dünnere, d. h. optisch weniger dichte, an das optische Element angrenzende Medium eindringt, wobei bei oder in der Nähe von molekularen Resonanzfrequenzen eine Wechselwirkung zwischen der Strahlung und z. B. Verunreinigungen auf den erwähnten Oberflächen innerhalb der Eindringtiefe auftritt. So kann z. B. ein Ultrarotabsorptionsspektrum erhalten werden, das kennzeichnend für die Zusammensetzung des Materials auf der Oberfläche eines Halbleiters ist. Es wurde auchvorguschlagen, eine derartige Vorrichtung für die Ultrarot-In articles in "Physical Review Letters" of March 1, 1960, pp. 224 to 226, and in "Physical Review", Vol. 124, No. 4, 1962, pp. 1165 to 1170 are one Apparatus and method have been described which can be used to study Jer physical and chemical Properties of surfaces with the help of frustrated total reflection are suitable. With this device ultrared radiation is directed to the end face of an optical element which is under such Angle is ground that the radiation beam on one of the interfaces of this element under one Angle occurs which is larger than the critical angle, so that total internal reflection occurs and the bundle to one opposite reflective interface is reflected, on which it is also reflected at an angle occurs, which is greater than the critical angle, so that again total internal reflection occurs, etc. In the above mentioned articles has been described that the bundle, which is reflected by multiple reflections at the Boundaries spread through the entire optical element, each time also in the vicinity of a reflective one Interface, into the thinner, d. H. optically less dense, adjacent to the optical element Medium penetrates, with an interaction at or near molecular resonance frequencies between the radiation and z. B. Impurities on the mentioned surfaces within the Depth of penetration occurs. So z. B. an ultrared absorption spectrum can be obtained, which characterizes for the composition of the material on the surface of a semiconductor. It was also suggested such a device for the ultra-red

analyse von Gasen unter Verwendung des Prinzips der Gaschromatographie anzuwenden. Wenn das durch den Chromatographen hindurchströmende Gas mit einer gekühlten halbleitenden Mehrfachreflexionsplatte in Berührung gebracht wird, kondensiert einto apply analysis of gases using the principle of gas chromatography. If that through Gas flowing through the chromatograph with a cooled semiconducting multiple reflection plate is brought into contact, condenses a

Teil auf der Oberfläche. Infolge der vielen Reflexionen, die sich in der Platte ergeben, wenn das Ultrarotbündel hindurchläuft, wobei jede Reflexion eine Wechselwirkung mit dem Kondensat bedeutet, liefen ein dünner Kondensatfilm ein Spektrum, das stark genug ist, um verhältnismäßig geringe Mengen einer imPart on the surface. As a result of the many reflections that arise in the plate when the ultrared bundle runs through it, each reflection signifying an interaction with the condensate a thin film of condensate has a spectrum strong enough to absorb relatively small amounts of an im

Gas enthaltenen Komponente leicht zu identifizierenGas component easy to identify

Bei diesen bekannten Vorrichtungen ist die üblicheIn these known devices, the usual one

Form der Mehrfachreflexionsplatte eine dünne ebene Platte mit abgeschrägten, unter einem Winkel von 45°Shape of the multiple reflection plate a thin flat plate with beveled, at an angle of 45 °

as geschliffenen Enden. Dadurch, daß das Bündel senkrecht auf eins der abgeschrägten Enden gerichtet wird, wird erzielt, daß das Bündel unter Winkeln, die etwas größer als der Grenzwinkel sind, auf die Begrenzungsflächen fällt. Diese bekannten Vorrichtungen haben den Nachteil, daß die Richtung des einfallenden Bündels und somit die Zahl der Reflexionen in der Mehrfachreflexionsplatte nahezu völlig durch die gegebene Gestalt des abgeschrägten Endes des Mehrfachreflctionselementes bestimmt werden, wodurch die Größe der Wechselwirkung und die Zahl der möglichen Wechselwirkungen festgelegt sind.the ground ends. By making the bundle vertical aimed at one of the beveled ends, the result is that the bundle is at angles that are slightly are greater than the critical angle that falls on the boundary surfaces. These known devices have the disadvantage that the direction of the incident beam and thus the number of reflections in the multiple reflection plate almost entirely due to the given shape of the beveled end of the multiple reflection element can be determined, thereby the size of the interaction and the number of possible Interactions are established.

Die bekannten Elemente dieser Art sind jedoch recht kompliziert und teuer. Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein einfaches und billiges optisches EIement mit Mehrfachreflexion zu schaffen.However, the known elements of this type are quite complicated and expensive. Object of the invention it is therefore to create a simple and cheap optical element with multiple reflections.

Gemäß der Erfindung wird dies bei einem optischen Element eingangs erwähnter Art dadurch erreicht, daß die Stirnflächen des Körpers so ausgebildet sind, daß innerhalb eines vorbestimmbaren Winkelbereiches das Strahlungsbündel am gleichen Ende in das Element ein und aus ihm austritt.According to the invention, this is achieved in an optical element of the type mentioned at the outset by that the end faces of the body are designed so that within a predeterminable angular range the radiation beam enters and exits the element at the same end.

Das Strahlenbündel läuft hierbei einmal durch das optische Element hindurch, wobei es von der der Eintrittsfläche gegenüberliegenden Oberfläche total reflektiert wird. Die erhöhte Zahl der Reflexionen bedeutet eine erhöhte Zahl von Wechselwirkungen mit der zu analysierenden Substanz. Eine weitere Folge ist, daß ein Ende des optischen Elementes frei ist und somit einfach in die Flüssigkeit eingetaucht werden kann, deren Absorptionsspektrum erwünscht wird, oder, wenn es erforderlich ist, das optische Element in eine abgeschlossene Hülle anzuordnen, daß nur ein einziges Fenster am kombinierten Ende zum Austreten und Eintreten erforderlich ist.The bundle of rays here runs once through the optical element, whereby it differs from that of the entrance surface opposite surface is totally reflected. The increased number of reflections means an increased number of interactions with the substance to be analyzed. Another episode is that one end of the optical element is free and thus easily immersed in the liquid can, whose absorption spectrum is desired, or, if necessary, the optical element in to arrange a closed envelope that only a single window at the combined end for exiting and entering is required.

Vorzugsweise ist bei dem optischen Element nach der Erfindung das erwähnte Ende keilförmig ausgebildet, wobei die Schenkel des Keils ungleich lang sein können.In the case of the optical element according to the invention, the mentioned end is preferably wedge-shaped, whereby the legs of the wedge can be of unequal length.

Gemäß einer anderen Ausführungsform des EIementes nach der Erfindung weist das Ende die Form eines Halbzylinders auf wobei die Achse des Zylinders nahezu parallel zu den Grenzflächen verläuft. Hierbei ist der Durchmesser des 2!ylinders zweckmä-According to another embodiment of the element according to the invention, the end has the shape of a half cylinder with the axis of the cylinder running almost parallel to the boundary surfaces. In this case, the diameter of the 2-cylinder is expediently

Big größer als der Abstand der Grenzflächen voneinander. Eine Vorrichtung mit einem optischen Element dieser Art weist das Merkmal aaf, daß das Element um die Achse des Zylinders drehbar ist, so daß die Zahl der Reflexionen an den Grenzflächen des EIe- S mentes veränderlich ist.Big larger than the distance between the interfaces. A device with an optical element this type has the feature aaf that the element is rotatable about the axis of the cylinder, so that the The number of reflections at the interfaces of the element is variable.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert:The invention will now be described in more detail with reference to some of the exemplary embodiments shown in the drawing explained:

Fig. 1 zeigt schematisch eine Ansicht einer Ausführungsform eines Elementes nach der Erfindung, die geeignet ist, optische Spektren verschiedener Substanzen zu erzielen; inFig. 1 shows schematically a view of an embodiment of an element according to the invention, which is suitable for optical spectra of various substances to achieve; in

F i g. 2 ist eine abgeänderte Ausführungsform des Elementes nach Fig. 1 dargestellt, die es ermöglicht, den Einfallswinkel und die Zahl der Reflexionen einzustellen; F i g. 2 shows a modified embodiment of the element according to FIG. 1, which makes it possible to adjust the angle of incidence and the number of reflections;

F i g. 3 ist eine abgeänderte Ausführungsform des Elementes nach F i g. 2, bei der sich eine viel größere Zahl innerer Reflexionen ergibt,F i g. 3 is a modified embodiment of the element of FIG. 2, which is a much larger Number of internal reflections,

F i g. 4 zeigt eine weitere abgeänderte Ausführungsform des Elementes, bei der die Strahlungsverluste beschränkt sind.F i g. 4 shows a further modified embodiment of the element in which the radiation losses are limited.

Das Element nach F i g. I besteht aus einer flachen Platte 15 aus optisch nahezu völlig durchlässigem Material mit einem keilförmigen Ende, dessen linke Oberfläche 16 die Eintrittsfläche für die Strahlung ist und dessen rechte Oberfläche 17 als Austrittsfläche für die Strahlung dient. Wie durch den Strahl 18 angegeben ist, läuft die Strahlung, die durch die Eintrittsfläche 16 eintritt, durch Totalreflexion nach unten durch das Element 15 und läuft dann wieder durch das gleiche Element zurück nach oben, um schließlich durch die Austrittsfläche 17 herauszutreten. Das Element 15 kann in ein Gefäß 19 eingetaucht oder in ihm aufgehängt werden, das eine geeignete Probe 20 des flüssigen (oder in einem anderen Aggregatzustand befindlichen) zu analysierenden Stoffes enthält.The element according to FIG. I consists of a flat plate 15 made of optically almost completely transparent material with a wedge-shaped end, the left surface 16 of which is the entrance surface for the radiation and its right surface 17 serves as an exit surface for the radiation. As indicated by ray 18 is, the radiation that enters through the entrance surface 16, by total reflection downward through element 15 and then runs again through the same element back up to finally step out through the exit surface 17. The element 15 can be immersed in a vessel 19 or in it be hung up, which is a suitable sample 20 of the liquid (or in another state of aggregation) to be analyzed contains.

Fig. 2 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, bei der ein Nachteil des Elementes nach F i g. 1 vermieden wird, der darin besteht, daß der Einfallswinkel des Bündels und die Zahl der Reflexionen nahezu völlig festliegen. Wenn das die Strahlung empfangende Ende 22 des optischen Elementes 23 gekrümmt ausgebildet und das Element um den Mittelpunkt 24 des Krümmungshalbmessers des gekrümmten Endes 22 gedreht wird, lassen sich der Einfallswinkel und die Zahl der Reflexionen leicht ändern. Da£ als ausgezogene Linie dargestellte Strahlungsbündel 26 gibt einen Einfallswinkel an, bei dem sich sieben Reflexionen an der Oberfläche des Elementes 23 ergeben, während das als gestrichelte Linie gezeichnete Bündel 27 einen kleineren Einfallswinkel zeigt, der mit einer Zunahme der Zahl der Reflexionen auf dreizehn verbunden ist. D'e zulässige Änderung des Einfallswinkels wird durch die Anforderung beschränkt, daß das einfallende und das austretende Bündel durch den gemeinsamen Drehpunkt 24 hindurchgehen müssen. Weiter muß berücksichtigt werden, daß, wenn sich der Einfallswinkel ändert, sich durch die Länge des Strahlen- weges im Element und somit die Lage des äußeren Brennpunktes ändert. Dies läßt sich erforderlichenfalls durch eine gesonderte Einstellung des Brennpunktes des einfallenden Bündels von Hand oder durch eine geeignete Kupplung ausgleichen, durch die das Kippen oder Drehen des Elementes 23 mit den üblichen Spiegeln in den Sptutrometern verbunden ist, so daß sich ein selbsttätiger Ausgleich ergibt.FIG. 2 shows a modified embodiment in which a disadvantage of the element according to FIG. 1 avoided which consists in the fact that the angle of incidence of the beam and the number of reflections are almost entirely fixed. When the radiation-receiving end 22 of the optical element 23 is curved and the element about the center point 24 of the radius of curvature of the curved end 22 is rotated, the angle of incidence and the number of reflections can be easily changed. Da £ as undressed Radiation bundle 26 shown as a line indicates an angle of incidence at which there are seven reflections the surface of the element 23 result, while the bundle 27 shown as a dashed line a shows a smaller angle of incidence associated with an increase in the number of reflections to thirteen. The permissible change in the angle of incidence is limited by the requirement that the incident angle and the exiting bundle must pass through the common pivot point 24. Continue it must be taken into account that if the angle of incidence changes, the length of the ray way in the element and thus the position of the outer focal point changes. This can be done if necessary by a separate adjustment of the focal point of the incident bundle by hand or compensate by a suitable coupling, through which the tilting or turning of the element 23 with the usual Mirroring is connected in the Sptutrometers, so that there is an automatic compensation.

F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der es möglich ist, den Einfallswinkel und die Zahl der Reflexionen zu ändern, wobei die Gesamtzahl der Reflexionen stark erhöht werden kann. Dies wird durch Verwendung einer sehr dünnen Platte 34 ermöglicht. Infolge der vielen Reflexionen füllt die Strahlung die ganze Platte. Infolgedessen sind die Eintritts- und Austriltsflächen als Brennflächen wirksam, und die Tatsache. daß sie einen gemeinsamen Drehpunkt 35 haben. macht es viel einfacher, das Element im Spektrometer oder einem anderen zu verwendenden Gerät richtig einzustellen. Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform sind zur Erleichterung des Eintritts des Strahlenbündels 36 optische Mittel in Form zweier Viertelzylinder 30 und 31 vorgesehen, die einander gegenüber in optischer Berührung mit der Verlängerung der Grenzflächen 32 bzw. 33 am Ende des Elementes 34 stehen. Diese Ausführungsform hat aber den Nachteil, daß 50%> der Strahlungsleistung verlorengeht, weil die Hälfte der Strahlung so austritt, dai> sie wieder zur Quelle hingerichtet ist, so daß sie nich: für Detektion verfügbar ist. Wenn dieser Nachteil stierend ist, läßt er sich dadurch vermeiden, daß die Eintrittsfläche 38 kleiner als die Austrittsfläche 39 ausgebildet wird, wie dies in F i g. 4 dargestellt ist. Dies eignet sich insbesondere für äußere optische Mittel, bei denen es sich um die Abbildung eines Spaltes handelt, der im allgemeinen schmal in bezug auf die Stral· lungsquelle und die Eintrittsfläche des optischen EIe mentes ist.F i g. 3 shows an embodiment in which it is possible to change the angle of incidence and the number of reflections, whereby the total number of reflections can be greatly increased. This is made possible by using a very thin plate 34. As a result of the many reflections, the radiation fills the entire plate. As a result, the entry and exit surfaces act as focal surfaces, and so does the fact. that they have a common pivot point 35. makes it much easier to set the element correctly in the spectrometer or other device to be used. In the case of the in FIG. 3, optical means are provided in the form of two quarter cylinders 30 and 31, which are in optical contact with the extension of the boundary surfaces 32 and 33 at the end of the element 34, to facilitate the entry of the beam 36. However, this embodiment has the disadvantage that 50% of the radiation power is lost because half of the radiation emerges in such a way that it is directed towards the source again, so that it is not available for detection. If this disadvantage is permanent, it can be avoided by making the entry surface 38 smaller than the exit surface 39, as shown in FIG. 4 is shown. This is particularly suitable for external optical means which are concerned with the imaging of a gap which is generally narrow in relation to the radiation source and the entrance surface of the optical element.

Es dürfte einleuchten, daß die Ausführungsformen nach den F i g. 1 bis 4 nicht nur im Falle von Flüssigkeiten vorteilhaft sind, sondern auch dann Vorteile bieten, wenn sie beim aus einem Gaschromatographen ausströmenden Gas und zum Studieren von Feststoffen, insbesondere in Form dünner Schichten oder Niederschlägen, Verwendung finden.It should be evident that the embodiments according to FIGS. 1 to 4 not only in the case of liquids are advantageous, but also offer advantages when using a gas chromatograph escaping gas and for studying solids, especially in the form of thin layers or Precipitation, find use.

Die Abbildungen in den F i g. 1 bis 4 sind Seitenansichten der Platten, die deren Länge und Dicke zeigen. Die Breitenabmessung steht senkrecht auf der Zeichenebene. Besonders geeignete Abmessungen für eine Platte, wie sie in den F i g. 1 und 2 dargestellt ist, sind: Länge 60 mm, Breite 15 mm und Dicke 5 mm. Die Platten nach den F i g. 3 und 4 könnten eine Dicke von 1 mm haben.The illustrations in FIGS. 1 through 4 are side views of the panels showing their length and thickness. The width dimension is perpendicular to the plane of the drawing. Particularly suitable dimensions for a Plate as shown in Figs. 1 and 2 are: length 60 mm, width 15 mm and thickness 5 mm. the Plates according to FIGS. 3 and 4 could be 1mm thick.

Die detektierte Strahlung kann in einem üblichen, mit einem Papierstreifen arbeitenden Registriergerät in Form einer Kurve aufgezeichnet werden, die die Intensität der detektierten Strahlung in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge angibt. In der Praxis kann der Detektor ein thermoelektrisches Element oder dergleichen, z. B. eine Indiumantimonidzelle, sein. Die Strahlung, die scheinbar von den einander gegenüberliegenden Grenzflächen total reflektiert wird, dringt in Wirklichkeit in das flüssige (oder in einem anderen Aggregatzustand befindliche) Medium ein, das rn das optische Element grenzt, wobei das erwähnte Medium optisch dünner als das Element ist. Die Eindringtiefe des Bündels in das dünnere Medium ist etwa eine Wellenlänge und hängt vom Einfallswinkel ab. Jc nach der Wellenlänge der Strahlung kann eine Wechselwirkung zwischen der Strahlung und dem dünneren Medium innerhalb der Eindringtiefe bei oder in der Nähe Ultrarotstrahlung z. B. kann ein Ultrarotabsoiptionsvon molekularen Resonanzfrequenzen auftreten. Bei Spektrum erhalten werden, das kennzeichnend für die Zusammensetzung der Flüssigkeit auf der Oberfläche der Platte ist. "The detected radiation can be recorded in a conventional recording device working with a paper strip can be recorded in the form of a curve, which depends on the intensity of the detected radiation of their wavelength. In practice, the detector can be a thermoelectric element or the like, z. B. an indium antimonide cell. The radiation that appears to be from the opposite Boundaries are totally reflected, actually penetrates into the liquid (or into another Physical state) a medium that borders the optical element, said medium is optically thinner than the element. The depth of penetration of the bundle into the thinner medium is approximately one wavelength and depends on the angle of incidence. Jc according to the wavelength of the radiation can be an interaction between the radiation and the thinner medium within the penetration depth at or near Ultrared radiation z. B. an ultraredabsorption of molecular resonance frequencies occur. In the case of spectrum obtained, that characteristic of the Composition of the liquid on the surface of the plate is. "

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Optical element with multiple reflection, which consists of an elongated, almost completely There is a radiation-permeable body with a high refractive index, the planar body at a short distance has mutually lying boundary surfaces, characterized in that the end faces of the body are designed in such a way that that within a predeterminable angular range, the radiation beam at the same end in the body goes in and out of it.

2. Optical element according to claim 1, characterized in that said end is wedge-shaped.

3. Optical element according to claim 2, characterized in that the legs of the wedge are unequal in length.

4. Optical element according to claim I, characterized in that said end is the Has the shape of a half cylinder and the axis of the cylinder almost parallel to the interfaces is.

5. Optical element according to claim 4, characterized in that the diameter of the The cylinder is larger than the distance between the interfaces.

6. Optical element according to claim 4 or 5, characterized in that the element around the Axis of the cylinder is rotatable, so that the number of reflections at the interfaces of the element is changeable.