DE19506675A1

DE19506675A1 - Vorrichtung zur Einkopplung von durch eine Probe transmittiertem oder von einer Probe reflektiertem, gestreutem, emittiertem oder reemittiertem Licht in einen Lichtleiter

Info

Publication number: DE19506675A1
Application number: DE19506675A
Authority: DE
Inventors: Ursula Dr Schumacher-Hamedat
Original assignee: Individual
Current assignee: Metso Paper Automation Oy
Priority date: 1995-02-25
Filing date: 1995-02-25
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2015-02-26
Also published as: DE19506675C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einkopplung von durch eine Probe transmittiertem oder von einer Probe re flektiertem, gestreutem, emittiertem oder reemittiertem Licht in einen Lichtleiter, wobei das der Probe zugewandte Ende des Lichtleiters an ein optisches Element angeschlos sen ist, das eine sich an den Umfang des Lichtleiterendes anschließende, der Probe zugewandte, von der Probe her ge sehen konvex gekrümmte Spiegelfläche aufweist.

Eine solche Vorrichtung kann Bestandteil eines Detektions systems, z. B. eines Infrarot- oder Ramanspektrometers, sein, mit dem mittels des eingekoppelten Lichtes Proben auf bestimmte Eigenschaften hin analysiert werden können. Dazu wird das von der Probe ausgehende Licht über den Lichtlei ter zu einer Analyseeinheit des Detektionssystems geführt. In dem in der Regel aus einem Bündel einzelner Lichtleitfa sern bestehenden Lichtleiter kann eine bestimmte Anzahl der Fasern auch zur Beleuchtung der Probe dienen.

Es ist bekannt (Micro methods in infrared and Raman spectroscopy; Fresenius J. Anal. Chem., 1990, 337: S. 827), das Ende des Lichtleiters an einen halbsphärischen Hohl spiegel anzuschließen, wobei sich das Lichtleiterende in einer Öffnung im Zenit des Hohlspiegels befindet. Im Be triebszustand wird der Hohlspiegel auf die zu untersuchende Probe aufgesetzt und die Probe mittels einer gewissen An zahl von Fasern des Lichtleiters beleuchtet. Zweck des Hohlspiegels ist es, den Anteil der von der Probe diffus reflektierten Strahlung, der wieder in den Lichtleiter ein gekoppelt wird, zu erhöhen. Ohne Hohlspiegel bestimmt al lein die Apertur der Glasfaser (etwa 15°) diesen Anteil. Im Hohlspiegel findet aber Vielfachreflektion statt, so daß auch zunächst außerhalb des Aperturwinkels verlaufende Lichtstrahlen schließlich in den Lichtleiter hineingelangen können. Der Verstärkungsfaktor beträgt je nach Beschaffen heit der Probenoberfläche 4-8.

Der Stand der Technik hat allerdings den Nachteil, daß die Spiegelfläche des Hohlspiegels gegebenenfalls schädlichen Umgebungseinflüssen ausgesetzt ist. So ist denkbar, daß die zu untersuchende Probe aufgrund ihrer Temperatur oder ihrer chemischen Zusammensetzung die Reflektionsfläche angreift.

Ein weiterer Nachteil ergibt sich insbesondere für die Un tersuchung von fluiden oder pulverförmigen Probemateria lien. In der Regel ist es unabhängig von der Detektionsme thode für den Erhalt aussagekräftiger Analysehergebnisse wichtig, daß der Abstand zwischen der Probe und dem Licht leiter reproduzierbar ist. Mit einem Hohlspiegel ist dies in den vorgenannten Fällen, insbesondere bei bewegten Pro ben, nicht ohne weiteres möglich.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik auf einfache Weise vermieden wer den.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs er wähnten Art dadurch gelöst, daß das optische Element ein massiver linsenförmiger Körper ist, der einerseits eine sich im Zentrum der Spiegelfläche befindliche, an die Spie gelfläche anschließende, mit dem Ende des Lichtleiters in optischer Verbindung stehende, lichtdurchlässige Koppelflä che und andererseits eine sich an den äußeren Rand der Spiegelfläche anschließende, lichtdurchlässige ebene Auf nahmefläche aufweist.

Das von der Probe ausgehende zu analysierende Licht fällt durch die Aufnahmefläche in den linsenförmigen Körper und gelangt dann entweder auf direktem Wege oder, bei geeigne tem Auftreffwinkel, nach einfacher oder mehrfacher Reflek tion an der Spiegelfläche über die Koppelfläche zum Licht leiter. Die optische Verbindung zwischen Koppelfläche und der Endfläche des Lichtleiters kann durch einen direkten Kontakt der beiden Flächen zueinander erreicht werden.

Der massive linsenförmige Körper bewirkt bei jeder Art von zu untersuchenden Proben, daß ein Mindestabstand zwischen der Probenoberfläche und dem Lichtleiter reproduzierbar eingehalten wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, daß die Spiegelfläche des linsenförmigen Körpers einen konstanten Krümmungsradius aufweist. In diesem Falle entspricht der linsenförmige Körper im wesentlichen einem Kugel stumpf.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, daß die Koppelfläche eben ist. Hierdurch gestaltet sich die optische Ankopplung des Lichtleiters an den lin senförmigen Körper besonders einfach.

Des weiteren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so aus gebildet sein, daß der linsenförmige Körper aus dem glei chen Material besteht wie der Lichtleiter.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außerdem so ausgebil det sein, daß die Aufnahmefläche über eine kegelstumpfför mige Fläche an die Spiegelfläche angeschlossen ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außerdem so ausgebil det sein, daß der linsenförmige Körper und das Ende des Lichtleiters von einer an ihrem der Probe zugewandten Ende offenen Fassung umgeben sind und daß die Fassung an dem of fenen Ende an ihrer Innenfläche eine zur Stützung des lin senförmigen Körpers dienende Schulter aufweist.

Desweiteren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausge bildet sein, daß die Schulter durch eine der kegelstumpf förmigen Fläche des linsenförmigen Körpers angepaßte konus förmige Verjüngung des Innenradius der Fassung gebildet ist.

Die kegelstumpfförmige Ausbildung des linsenförmigen Kör pers oberhalb der Aufnahmefläche und die daran angepaßte konusförmige Verjüngung des Innenradius der Fassung erlau ben es, den linsenförmigen Körper so in die Fassung einzu passen, daß die Fassung in diesem Bereich abgedichtet ist. Hierdurch kann die Spiegelfläche des linsenförmigen Körpers gegen schädliche Umgebungsbedingungen abgeschirmt werden. Insbesondere ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrich tung z. B. in ein fluides Medium zu tauchen, ohne daß die Spiegelfläche des linsenförmigen Körpers in Kontakt mit dem zu untersuchenden Medium kommt.

Des weiteren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch so ausgebildet sein, daß die Fassung aus folgenden Teilen be steht: einem im wesentlichen hohlzylindrischen Hauptkörper mit der an seinem der Probe zugewandten Ende befindlichen, der Abstützung des linsenförmigen Körpers dienenden Schul ter und einem Innengewinde an seinem anderen Ende, einer im wesentlichen hohlzylindrischen Lichtleiterhalterung, in die der Lichtleiter eingefaßt ist und deren dem linsenförmigen Körper zugewandtes Ende zusammen mit dem Lichtleiterende eine einheitliche, stufenlose Fläche bildet, einer aus zwei gleichen Halbschalen bestehenden, im wesentlichen hohlzy lindrischen Klemmbuchse, deren Innendurchmesser im oberen Teil dem Lichtleiter und im durch einen umlaufenden Absatz davon abgetrennten unteren Teil der Lichtleiterhalterung angepaßt ist, einem im wesentlichen hohlzylindrischen Schraubstück mit einem dem Innengewinde des Hauptkörpers entsprechenden Außengewinde, wobei im verschraubten Zustand das untere Ende des Schraubstückes auf die Klemmbuchse wirkt und damit die Lichtleiterhalterung und der linsenför mige Körper in der Fassung fest eingespannt sind.

Hierdurch werden der linsenförmige Körper und das Ende des Lichtleiters auf einfache Weise derart in einer Fassung festgelegt, daß zum einen durch Anpressen des linsenförmi gen Körpers an die konusförmige Verjüngung des Hauptkör perinnenradius der Hauptkörper abgedichtet wird und daß zum anderen zwischen dem Ende des Lichtleiters und der Koppel fläche des linsenförmigen Körpers ein reproduzierbar guter Kontakt gewährleistet ist.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch so ausgebildet sein, daß die Gewindeverbindung zwischen Schraubstück und Hauptkörper mittels eines Dichtringes ab gedichtet ist und daß der Lichtleiter von einem elastischen Knickschutz umgeben ist, der an seinem unteren Ende einen in eine auf der Innenseite des Schraubstückes umlaufende Nut greifenden, umlaufenden Absatz aufweist.

Des weiteren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch so ausgebildet sein, daß parallel zur Aufnahmefläche des lin senförmigen Körpers und in einem festen Abstand zu der Auf nahmefläche ein Spiegel mit der Aufnahmenfläche zugewandter Reflektionsfläche angebracht ist.

Bevorzugter Anwendungsbereich dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind optisch dünne und fluide Medien als Probe. Das über den Lichtleiter zu dem zu unter suchenden Medium hingeführte Licht wird nach Durchstrahlung des Mediums von dem Spiegel nochmals durch das Medium hin durch zurück in den linsenförmigen Körper reflektiert. So mit addiert sich zu dem direkt von der Probe in den Licht leiter zurückreflektierten Licht, das bei optisch dünnen Medien in der Regel für eine aussagefähige Analyse nur un zureichende Intensität aufweist, das zweimal durch die Probe transmittierte Licht, so daß eine ausreichende Licht intensität erreicht werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, daß der Abstand zwischen Spiegel und Aufnahmefläche 1 mm bis 2 mm, vorzugsweise 1,5 mm, beträgt.

Schließlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch so ausgebildet sein, daß der Spiegel mittels eines Spiegelhal ters an dem Hauptkörper lösbar angeordnet ist, wobei der Spiegelhalter mindestens eine Öffnung aufweist, die den Durchfluß fluider Materialien zwischen dem Spiegel und dem linsenförmigen Körper erlaubt.

Letzteres kann z. B. dadurch realisiert werden, daß der Spiegelhalter in Höhe des Raumes zwischen Spiegel und Auf nahmefläche eine geringe Anzahl dünner Stege aufweist, die durch Öffnungen voneinander getrennt sind.

Im folgenden werden anhand von Figuren bevorzugte Ausbil dungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 den linsenförmigen Körper,

Fig. 2 eine bevorzugte Ausbildungsform der erfindungsge mäßen Vorrichtung in einer Explosionszeichnung,

Fig. 3 die Vorrichtung gemäß Fig. 2 im Längsschnitt und,

Fig. 4 einen Ausschnitt der Vorrichtung gemäß Fig. 3 mit zusätzlich angebrachtem Spiegel.

Fig. 1 zeigt in Seitenansicht den z. B. aus Quarzglas beste henden linsenförmigen Körper 1. Die lichtdurchlässige Auf nahmefläche 2 ist im Betriebszustand der Vorrichtung einer hier nicht dargestellten Probe zugewandt. Die ebenfalls lichtdurchlässige, ebene Koppelfläche 3 liegt der Aufnahme fläche 2 gegenüber und ist geschliffen. Unterhalb der Kop pelfläche 3 weist der linsenförmige Körper 1 eine kugelför mige Spiegelfläche 4 auf, deren Spiegelwirkung z. B. durch eine in diesem Bereich auf der Körperoberfläche aufgetra gene Beschichtung erzeugt wird. Zwischen der Aufnahmefläche 2 und der Spiegelfläche 4 befindet sich ein kegelstumpfför miger Bereich 5.

In Fig. 2 ist der Aufbau einer vollständigen Ausführungs form der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Explosions zeichnung dargestellt. Fig. 3 zeigt die gleiche Vorrichtung im Längsschnitt. Der linsenförmige Körper 1 ist in einem Hauptkörper 6 eingefaßt. Der Hauptkörper 6 weist an seinem unteren Ende eine konische Verjüngung 7 auf, die dem kegel stumpfförmigen Bereich 5 des linsenförmigen Körpers 1 ange paßt ist, so daß die jeweiligen Mantelflächen dicht schließend aufeinander sitzen. In seinem oberen Bereich weist der Hauptkörper 6 ein Innengewinde 8 auf.

Der Lichtleiter 9 ist an seinem unteren Ende in einer aus Edelstahl bestehenden Lichtleiterhalterung 10, z. B. durch Kleben, eingefaßt. Die Bodenfläche 11 der Lichtleiterhalte rung 10 und die Fläche des Lichtleiterendes wurden gemein sam geschliffen, um eine möglichst ebene, einheitliche Ge samtfläche zu erhalten. Die Fläche des Lichtleiterendes liegt bei zusammengebauter Vorrichtung auf der Koppelfläche 3 des linsenförmigen Körpers 1 auf. Der Kontakt zwischen der Koppelfläche 3 und dem Ende des Lichtleiters 9 muß mög lichst paßgenau sein, damit ein möglichst hoher Transmissi onsanteil des auf diesen Übergang fallenden Lichtes gewährt ist. Der Lichtleiter 9 und die Lichtleiterhalterung 10 wer den von einer aus zwei Halbschalen bestehenden Klemmbuchse 12 umfaßt, wobei ein umlaufender Absatz 13 auf dem oberen Ende der Lichtleiterhalterung 10 aufliegt.

Ein Schraubstück 14 greift nun mit dem an seinem unteren Teil befindlichen Außengewinde 15 in das Innengewinde 8 des Hauptkörpers 6. Das untere Ende des Außengewindes 15 drückt im verschraubten Zustand auf die Klemmbuchse 12, die nun ihrerseits mittels des Absatzes 13 über die Lichtleiterhal terung 10 den Lichtleiter 9 auf die Koppelfläche 3 des lin senförmigen Körpers 1 und den linsenförmigen Körper 1 wie derum auf die konische Verjüngung 7 des Hauptkörpers 6 preßt.

Der Übergang zwischen dem Schraubstück 14 und dem Hauptkör per 6 wird durch einen Dichtring 16 abgedichtet. Zum Schutz des Lichtleiters 9 ist am oberen Ende der Vorrichtung ein elastischer Knickschutz 17 angebracht, der mit einem umlau fenden Absatz 18 in die Nut 19 des Schraubstückes 14 greift.

Fig. 4 zeigt am unteren Ende der Vorrichtung einen zusätz lich angebrachten Spiegel 20. Dieser Spiegel 20 wird zur Untersuchung optisch dünner Medien, die sich zwischen dem Spiegel 20 und dem linsenförmigen Körper 1 befinden, einge setzt. Das über den Lichtleiter 9 auf das hier nicht darge stellte Medium gegebene und durch das Medium transmittierte Licht wird durch den Spiegel 20 wieder zurück in den lin senförmigen Körper 1 reflektiert, von wo es über den Licht leiter 9 zu einer Analyseeinheit geführt wird.

Der Spiegel 20 ist über einen Spiegelhalter 21 mittels ei nes Bajonettverschlusses 22 am Hauptkörper 6 lösbar ange ordnet. Dabei muß der Spiegelhalter 21 den Eintritt bzw. den Durchfluß des zu untersuchenden Mediums erlauben. Der Spiegelhalter 21 weist in Höhe des Raumes zwischen Aufnah mefläche 2 und Spiegel 20 vorzugsweise drei dünne Stege 23 auf, so daß einem fließendem Medium ein nur geringer Wider stand entgegengesetzt wird.

Bezugszeichenliste

1 linsenförmiger Körper
2 Aufnahmefläche
3 Koppelfläche
4 Spiegelfläche
5 kegelstumpfförmiger Bereich
6 Hauptkörper
7 konische Verjüngung
8 Innengewinde
9 Lichtleiter
10 Lichtleiterhalterung
11 Bodenfläche der Lichtleiterhalterung
12 Klemmbuchse
13 Absatz in der Klemmbuchse
14 Schraubstück
15 Außengewinde
16 Dichtring
17 Knickschutz
18 Absatz
19 Nut
20 Spiegel
21 Spiegelhalter
22 Bajonettverschluß
23 Steg

Claims

1. Vorrichtung zur Einkopplung von durch eine Probe transmittiertem oder von einer Probe reflektiertem, gestreutem, emittiertem oder reemittiertem Licht in einen Lichtleiter (9), wobei das der Probe zugewandte Ende des Lichtleiters (9) an ein optisches Element angeschlossen ist, das eine sich an den Umfang des Lichtleiterendes an schließende, der Probe zugewandte, von der Probe her gese hen konvex gekrümmte Spiegelfläche (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element ein massiver lin senförmiger Körper (1) ist, der einerseits eine sich im Zentrum der Spiegelfläche (4) befindliche, an die Spiegel fläche (4) anschließende, mit dem Ende des Lichtleiters (9) in optischer Verbindung stehende, lichtdurchlässige Koppel fläche (3) und andererseits eine sich an den äußeren Rand der Spiegelfläche (4) anschließende, lichtdurchlässige ebene Aufnahmefläche (2) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Spiegelfläche (4) des linsenförmigen Körpers (1) einen konstanten Krümmungsradius aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Koppelfläche (3) eben ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der linsenförmige Körper (1) aus dem gleichen Material besteht wie der Lichtleiter (9).

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmefläche (2) über eine kegelstumpfförmige Fläche (5) an die Spiegelflä che (4) angeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der linsenförmige Körper (1) und das Ende des Lichtleiters (9) von einer an ihrem der Probe zugewandten Ende offenen Fassung umgeben sind und daß die Fassung an dem offenen Ende an ihrer Innenfläche eine zur Stützung des linsenförmigen Körpers (1) dienende Schulter aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß die Schulter durch eine der kegelstumpfförmigen Fläche (5) des linsenförmigen Körpers (1) angepaßte konus förmige Verjüngung (7) des Innenradius der Fassung gebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge kennzeichnet, daß die Fassung aus folgenden Teilen besteht:

- einem im wesentlichen hohlzylindrischen Hauptkörper (6) mit der an seinem der Probe zugewandten Ende befindli chen, der Abstützung des linsenförmigen Körpers (1) dienen den Schulter und einem Innengewinde (8) an seinem anderen Ende,
- einer im wesentlichen hohlzylindrischen Lichtleiter halterung (10), in die der Lichtleiter (9) eingefaßt ist und deren dem linsenförmigen Körper (1) zugewandtes Ende zusammen mit dem Lichtleiterende eine einheitliche, stufen lose Fläche bildet,
- einer aus zwei gleichen Halbschalen bestehenden, im wesentlichen hohlzylindrischen Klemmbuchse (12), deren In nendurchmesser im oberen Teil dem Lichtleiter (9) und im durch einen umlaufenden Absatz (13) davon abgetrennten un teren Teil der Lichtleiterhalterung (10) angepaßt ist,
- einem im wesentlichen hohlzylindrischen Schraubstück (14) mit einem dem Innengewinde (8) des Hauptkörpers (6) entsprechenden Außengewinde (15),
- wobei im verschraubten Zustand das untere Ende des Schraubstückes (14) auf die Klemmbuchse (12) wirkt und da mit die Lichtleiterhalterung (10) und der linsenförmige Körper (1) in der Fassung fest eingespannt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß die Gewindeverbindung zwischen Schraubstück (14) und Hauptkörper (6) mittels eines Dichtringes (16) abge dichtet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge kennzeichnet, daß der Lichtleiter (9) von einem elastischen Knickschutz (17) umgeben ist, der an seinem unteren Ende einen in eine auf der Innenseite des Schraubstückes (14) umlaufende Nut (19) greifenden, umlaufenden Absatz (18) aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Aufnahmeflä che (2) des linsenförmigen Körpers (1) und in einem festen Abstand zu der Aufnahmefläche (2) ein Spiegel (20) mit der Aufnahmefläche zugewandter Reflektionsfläche angebracht ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß der Abstand zwischen Spiegel (20) und Aufnah mefläche (2) 1 mm bis 2 mm, vorzugsweise 1,5 mm, beträgt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge kennzeichnet, daß der Spiegel (20) mittels eines Spiegel halters (21) an dem Hauptkörper (6) lösbar angeordnet ist, wobei der Spiegelhalter (21) mindestens eine Öffnung auf weist, die den Durchfluß fluider Materialien zwischen dem Spiegel (20) und dem linsenförmigen Körper (1) erlaubt.