DE19856591C2

DE19856591C2 - Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines fluiden Mediums mittels abgeschwächter Reflexion

Info

Publication number: DE19856591C2
Application number: DE19856591A
Authority: DE
Inventors: Camiel Heffels; Thomas Beuermann; Matthias Raedle; Benno Sens; Alfred Rennig; Juergen Ettmueller
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1998-12-08
Filing date: 1998-12-08
Publication date: 2001-03-08
Anticipated expiration: 2018-12-09
Also published as: DE19856591A1; US6535283B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spektro skopischen Analyse eines fluiden Mediums mittels abgeschwächter Reflexion, bevorzugt mittels interner Reflexionsspektroskopie und insbesondere mittels abgeschwächter Totalreflexion (Attenuated Total Reflection, kurz: ATR).

Die Erfindung betrifft insbesondere eine neuartige Vorrichtung zur kontinuierlichen Reaktionsüberwachung, beispielsweise zur in situ oder on-line Reaktionsüberwachung in der chemischen Indu strie.

Herkömmlicherweise sind optische Analyseverfahren wie die Trans missionsspektroskopie für eine kontinuierliche Überwachung von Reaktionen im industriellen Maßstab nur sehr eingeschränkt ver wendbar. Aufgrund der im Produktionsprozeß auftretenden hohen Konzentrationen, verbunden mit teilweise hohen Extinktionskoeffi zienten der beteiligten Stoffe, müßten die Schichtdicken der Meß zellen im Mikrometerbereich liegen, wenn man verwertbare Absorp tionsspektren erhalten will. Man ist daher dazu gezwungen, Proben zu nehmen und diese vor einer Messung im Labor aufzubereiten, beispielsweise zu verdünnen. Dabei kann aber das chemische Gleichgewicht der Probe verändert werden, so daß sich die Labor ergebnisse nur bedingt auf die Verhältnisse im Reaktor übertragen lassen.

Es ist bekannt, daß man diese bei der Transmissionsspektroskopie auftretenden Probleme vermeiden kann, wenn man Messungen durch führt, bei denen das in der Optik schon lange bekannte Phänomen der Totalreflexion des Lichtes ausgenutzt wird. Trifft ein in ei nem ersten Medium mit höherem Brechungsindex n₁ laufender Licht strahl auf eine Grenzfläche zu einem zweiten Medium mit niedrige rem Brechungsindex n₂, so wird der Strahl total reflektiert, das heißt er dringt nicht in das zweite Medium ein, wenn der Sinus des Einfallswinkels θ größer als das Verhältnis des Brechungsindex des zweiten Mediums zum Brechungsindex des ersten Mediums wird (sinθ < n₂/n₁). Man spricht hier zwar von "Totalreflexion", tat sächlich dringt das Licht aber aufgrund seiner Wellennatur eine kurze Distanz in das zweite Medium ein. Diese Eindringtiefe liegt üblicherweise in der Größenordnung der Lichtwellenlänge. Findet keine Wechselwirkung des Lichts mit dem zweiten Medium statt, so beträgt der Reflexionskoeffizient, das heißt das Verhältnis der Intensität des reflektierten Strahls zur Intensität des einfal lenden Strahls 1 und die Reflexion ist tatsächlich "total". Sollte jedoch ein Teil des in das zweite Medium eindringenden Lichtes (die sogenannte evaneszente Welle) dort absorbiert oder gestreut werden, so äußert sich dies in einem verringerten Refle xionskoeffizienten und man spricht von "abgeschwächter Totalre flexion". Berechnet man den negativen dekadischen Logarithmus des Transmissionsgrades, das heißt des Kehrwertes des Reflexionskoef fizienten R, so erhält man die in der Absorptionsspektroskopie gebräuchliche Größe der dekadischen Extinktion, die meist mit dem englischen Begriff "absorbance" A bezeichnet wird:

Verfahren und Vorrichtungen, die diese einfache Relation benut zen, um Absorptionsmessungen mittels abgeschwächter Totalrefle xion in der chemischen Analytik durchzuführen, sind bekannt. In der europäischen Patentanmeldung EP 0 206 433 A2 ist beispiels weise eine ATR-Meßsonde zur Konzentrationsmessung einer lichtab sorbierenden Substanz in einem fluiden Medium beschrieben. Dabei wird mittels eines Lichtwellenleiters Licht unter einem bestimm ten Winkel in ein sogenanntes ATR-Prisma eingekoppelt, wo es - gegebenenfalls mehrfach - an einer Grenzfläche zwischen dem Prisma und dem zu untersuchenden Medium total reflektiert wird. Der reflektierte Lichtstrahl wird von einem zweiten Lichtwellen leiter aufgenommen, der das Licht auf zwei Detektoren aufteilt, denen jeweils ein Bandfilter vorgeschaltet ist. Einer der Filter besitzt eine Durchlaßwellenlänge bei der keine Absorption im Me dium erwartet wird und dient als Referenzsignal, während der an dere Filter eine Durchlaßwellenlänge besitzt, bei der Absorption im Medium stattfindet. Die Konzentrationsmessung erfolgt durch Vergleich des gemessenen Intensitätsverhältnisses mit Eichmessun gen, die an Lösungen mit bekannten Konzentrationen durchgeführt wurden.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 221 011 A2 ist ein Ver fahren zur Analyse von Farbstofflösungen mittels abgeschwächter Totalreflexion bekannt. In dieser Schrift wird auch eine sonden artige Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines fluiden Mediums mittels abgeschwächter Totalreflexion beschrieben, die ein in einer Halterung angeordnetes Prisma aufweist, das ein oder mehrere Grenzflächen mit dem zu analysierenden Medium hat, an de nen ein eingestrahlter Lichtstrahl totalreflektiert und anschlie ßend einer Detektionseinheit zugeleitet wird. In diesem Dokument werden bereits verschiedene Anwendungen in der chemischen Indu strie, insbesondere bei der Farbstoffherstellung vorgeschlagen.

Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen sind jedoch mit Nach teilen behaftet. Beispielsweise hängen die nach dem Stand der Technik erhältlichen Absorptionsspektren nicht nur vom Absorp tionskoeffizienten der Probe, sondern auch von dessen Brechungs index ab, der beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen variieren kann.

Außerdem ist schon lange bekannt, daß über ATR-Messungen erhal tene Absorptionsspektren verglichen mit Transmissionsspektren eine sogenannte "bathochrome Verschiebung", das heißt eine Ver schiebung zu längeren Wellenlängen zeigen. Diese Verschiebung be ruht auf der Tatsache, daß der Brechungsindex n des zu untersu chenden absorbierenden Mediums und damit die Eindringtiefe des evaneszenten Lichts wellenlängenabhängig ist (Harrick, J. Opt. Soc. Am. 55, S. 851-857, 1965). Demnach reicht eine einfache Bestimmung des Reflexionskoeffizienten des total reflektierten Lichtstrahls für eine genaue Probenanalyse nicht aus.

Aus der deutschen Patentschrift DE 12 69 816 C2 ist eine Vorrich tung zur Durchführung von ATR-Messungen bekannt, bei welcher der Einfallswinkel eines Lichtstahls mittels einer Goniometeranordung verstellt werden kann. Diese Vorrichtung ist wegen der zeitwauf wendigen mechanischen Verstellung des Einstrahlwinkels für eine kontinuierliche spektroskopische Überwachung von chemischen Reak tionsprozessen nicht geeignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur kontinuierlichen spektroskopischen Analyse fluider Medien be reitzustellen, die eine präzise und kostengünstige in-line-Über wachung industrieller Reaktionsprozesse ermöglicht. Die erfin dungsgemäße Vorrichtung soll sich insbesondere für einen Einsatz in aggresiver Umgebung bei höheren Temperaturen eignen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung gemäß beigefügtem Hauptanspruch. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demnach eine Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines fluiden Me diums mittels abgeschwächter Reflexion, mit ersten Mitteln zum Einstrahlen eines ersten Lichtstrahls auf eine Grenzflächen des zu analysierenden Mediums und Mitteln zum Messen der Intensität des an der Grenzfläche reflektierten ersten Lichtstrahls. Die er findungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß außer dem zweite Mittel zum im wesentlichen simultanen Einstrahlen ei nes zweiten Lichtstrahls auf eine Grenzfläche des zu analysieren den Mediums und Mittel zum Messen der Intensität des zweiten re flektierten Lichtstrahls vorgesehen sind, wobei sich der erste und der zweite Lichtstrahl in ihrem jeweiligen Polarisationszu stand und/oder in ihrem Einfallswinkel auf die Grenzfläche unter scheiden.

Unter dem Begriff "Einfallswinkel" ist hier, wie in der Optik üb lich, der Winkel zwischen dem einfallenden Lichtstrahl und dem Lot auf die Grenzfläche zu verstehen. Unter "Lichtstrahlen" ist im vorliegenden Zusammenhang nicht nur sichtbares Licht zu ver stehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch im IR-Bereich oder im UV-Bereich einsetzbar. Der bevorzugte Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt Wellenlängen von 200 nm bis 20.000 nm.

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, daß die Reflexion eines Lichtstrahls an der Grenzfläche zweier dielektrischer Me dien durch die klassischen Fresnelschen-Gleichungen beschreibar ist. Man findet dabei, daß der Reflexionskoeffizient u. a. von dem Einfallswinkel des Lichts und von dessen Polarisationszustand ab hängt.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können zwei verschiedene, voneinander unabhängige Reflexionsmessungen durchgeführt werden, so daß sich entkoppelte Dispersionsspektren n(λ) und Absorptions spektren k(λ) des Mediums bestimmen lassen. Diese Spektren weisen im Gegensatz zur herkömmlichen ATR-Spektroskopie keine batochrome Verschiebung mehr auf, da der Einfluß der unterschiedlichen Ein dringtiefen des evaneszenten Lichts auf die gemessenen Refle xionsspektren korrigiert werden kann.

Im Gegensatz zu den aus EP 0 206 433 A2 und EP 0 221 011 A2 bekann ten Vorrichtungen, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht auf Einstrahlwinkel beschränkt, die größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion sind. Die Fresnelschen Gleichungen zeigen nämlich, daß auch für kleinere Winkel der Reflexionskoeffizient sowohl vom Brechungsindex n(λ) als auch vom Absorptionskoeffizienten k(λ) des zu untersuchenden Mediums abhängig ist, d. h. wenn Absorption im Medium auftritt wird nicht nur der durch das Medium laufende Strahl, sondern auch der an der Grenzfläche reflektierte Strahl abgeschwächt.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrich tung fällt der erste Lichtstrahl unter einem Winkel θ₁ und der zweite Lichtstrahl unter einem von dem Winkel θ₁ verschiedenen Winkel θ₂ auf die Grenzfläche. Beide Strahlen werden dort reflek tiert und zu geeigneten Detektionsmitteln gleitet.

Mit dieser Vorrichtung kann beispielsweise die Gesamtintensität bei diesen beiden Winkeln reflektierten Strahlen gemessen werden. Aus den wellenlängenabhängigen Reflexionskoeffizienten für beide Winkel lassen sich, wie weiter unten gezeigt wird, n(λ) und k(λ) numerisch berechnen. Es müssen keine Polarisatoren eingebaut wer den, so daß die Vorrichtung relativ preiswert herstellbar ist und insbesondere unter widrigen Umständen in der chemischen Reakti onsüberwachung, etwa bei hohen Temperaturen und Drücken und in aggressiver Umgebung, eingesetzt werden kann. Da nur noch Gesamt intensitäten polarisationsunabhängig gemessen werden, benötigt man auch keine teueren polarisationserhaltende Lichtwellenleiter. Es wird eine exakte Bestimmung des Brechungsindex n und des Ab sorptionskoeffizienten k ermöglicht, die nur noch von den Genau igkeiten der Reflexionsmessungen und der Rechnung abhängt und da her insbesondere die exakte Darstellung eines Absorptionsspekrums bzw. einer Dispersionskurve des zu analysierenden Mediums er laubt. Es können einfache optische Bauteile, insbesondere relativ preiswerte Multimoden-Lichtwellenleiter verwendet werden.

Unter "Gesamtintensität" ist hier eine Messung der polarisati onsunabhängigen Intensität des reflektierten Lichtes zu verste hen.

Die Einfallswinkel beider Lichtstrahlen weisen bevorzugt einen Winkelunterschied zwischen 5 und 20°, besonders bevorzugt ca. 10° auf.

Gemäß einer Variante ist der Winkel θ₁ größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion, während der Winkel θ₂ kleiner als der Grenz winkel der Totalreflexion ist. In diesem Fall wird die Intensität des ersten reflektierten Strahls stärker von k(λ) bestimmt, wäh rend die Intensität des zweiten reflektierten Strahls stärker von n(λ) bestimmt wird.

Gemäß einer besonders bevorzugten Variante ist jedoch jeder der Winkel θ₁ bzw. θ₂ größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion. Es liegt dann der Fall einer ATR-Sonde vor, die sich jedoch von den Sonden des Standes der Technik durch die Verwendung von zwei Meßstrahlen unterscheidet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bevorzugt als längliche Sonde ausgebildet, die ein zylindrisches Schutzgehäuse aufweist, an dessen freiem Stirnende ein Prisma angeordnet ist, das wenig stens eine von dem zu analysierenden Medium benetzbare Fläche aufweist, welche die Grenzfläche für die Reflexion der beiden Lichtstrahlen bildet. Der Übergang Prisma/Medium bildet dabei eine klar definierte, ebene Grenzfläche, was gegenüber dem Ein strahlen von Licht auf eine Luft/Medium-Grenzfläche bevorzugt ist.

Es kann jedoch auch für jeden Lichtstrahl eine separate Grenzflä che mit dem Medium vorgesehen sein. Diese beiden Grenzflächen können durch ein oder auch durch zwei Prismen realisiert werden.

Vorteilhaft ist das Prisma auswechselbar in der Sonde montiert. Für jedes Meßproblem kann dann ein entsprechendes Prisma gewählt werden. Unterschiedliche Prismengeometrien können es beispiels weise ermöglichen, mit unterschiedlichen Einstrahlwinkeln zu ar beiten. Unterschiedliche Prismenmaterialen erlauben eine Auswahl hinsichtlich Transmissionseigenschaften und Brechungsindex.

Das zylindrische Schutzgehäuse besteht vorteilhaft aus chemika lienbeständigen metallischen oder keramischen Materialien. Es sind so Tauchsonden mit einer Länge von bis zu 2,5 m für den Ein satz im industriellen Produktionsmaßstab realisierbar. Gemäß ei ner besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Prisma durch geeignete elastische Mittel, etwa Druckfedern, gegen Dichtungs mittel gedrückt, die eine am Stirnende des zylindrischen Gehäuses vorgesehene Öffnung umgeben. Die Druckfedern sorgen dabei für ei nen Ausgleich der Längenausdehnung der Sonde bei Temperaturerhö hung und halten eine gute Abdichtung am Prisma aufrecht, da der notwendige Anpreßdruck auch bei hohen Temperaturen gewährleistet ist. Die erfindungsgemäße Sonde kann daher auch bei Prozeßtempe raturen von 200°C und mehr oder bei stark schwankenden Temperatu ren eingesetzt werden. Als Dichtungsmittel kann beispielsweise eine kreisringartige Flachdichtung verwendet werden. Durch diese Konstruktion ist es möglich Tauchsonden von über zwei Metern Länge mit nur einer Dichtung herzustellen. Derartige längere Son den werden bevorzugt in betriebsübliche Tauchrohre, sogenannte Gaseinleitungsrohre, eingebaut, um etwa in Rührbehältern eine gute mechanische Stabilität zu erreichen.

Das Prisma ist bevorzugt ein Kristall, der für Messungen im UV- bis nahen IR-Bereich aus hochbrechenden und weitgehend chemika lienbeständigen Materialien wie Quarzglas, Saphir oder Diamant, Zirkoniumoxid oder Zirkonia (dotiertes Zirkoniumoxid) bestehen kann. Für Infrarotmessungen sind Halbleiterkristalle, beispiels weise aus ZnSe bevorzugt. Bevorzugt ist die gesamte strahlenopti sche Einrichtung fest montiert, so daß keine Umbau- und Justie rarbeiten mehr notwendig sind.

Für ein ATR-Prisma aus Quarz und Brechungsindizes der zu untersu chenden Medien im Bereich von 1.2 bis 1.7, liegen bevorzugte Ein fallswinkel des ersten Strahls im Bereich von 55 bis 60° und be vorzugte Einfallswinkel des zweiten Strahls im Bereich von 65 bis 70°.

Bevorzugt ist das Prisma im wesentlichen kegelstumpfförmig ausge bildet und umfaßt eine zur Grenzfläche parallele Lichtein- und austrittsfläche, ein erstes Paar sich spiegelsymmetrisch gegen überliegender Seitenflächen, die mit der Grenzflächennormalen ei nen Winkel von θ₁/2 einschließen und ein zweites Paar sich gegen überliegender spiegelsymmetrischer Seitenflächen, die mit der Grenzflächennormalen eine Winkel von θ₂/2 einschließen.

Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dringen die beiden Lichtstrahlen im wesentlichen vertikal durch die horizontale Lichtein- und austrittsfläche in das Prisma ein, werden an der einen Seitenfläche des ersten bzw. zweiten Seiten flächenpaars reflektiert und fallen unter einem Winkel von θ₁ bzw. θ₂ auf die Grenzfläche, wo sie nach Reflexion auf die andere Sei tenfläche jedes Paares umgelenkt werden. Dort werden sie vertikal nach oben reflektiert und verlassen das Prisma parallel versetzt zum Einfallsstrahl. Um Lichtverluste zu vermeiden ist auch die Reflexion an den Seitenflächen total. Gemäß einer Variante, ist das Prisma so angeordnet, daß eine oder beide Seitenflächen eines Paares ebenfalls von dem zu analysierenden Medium benetzt werden, so daß jeder Lichtstrahl zwei bzw. drei "abgeschwächte" Reflexio nen erfährt. Gemäß einer besonders bevorzugten Variante wird je doch nur die untere Grenzfläche von Medium benetzt. In diesem Fall wird man die Halterung des Prismas so ausbilden, daß an den Seitenflächen keine Absorption des evaneszenten Lichtes stattfin det, damit die Messung des Mediums nicht verfälscht wird.

Vorteilhaft ist das erste Seitenflächenpaar zum zweiten Seiten flächenpaar um 90° um eine Grenzflächennormale gedreht angeordnet, was eine besonders kompakte Vorrichtung ergibt.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor richtung sind im Strahlengang des ersten Lichtstrahls vor der Grenzfläche ein Polarisator für senkrecht polarisiertes Licht und/oder nach der Grenzfläche ein Analysator für senkrecht pola risiertes Licht und im Strahlengang des zweiten Lichtstrahls vor der Grenzfläche ein Polarisator für parallel polarisiertes Licht und/oder nach der Grenzfläche ein Analysator für parallel polari siertes Licht angeordnet. Bei der Reflexion an der Grenzfläche kann es zu einer gewissen Depolarisation des Lichts kommen. Daher ist in diesem Fall eine Variante bevorzugt, bei der sowohl ein Polarisator als auch ein Analysator für jeden Lichtstrahl verwen det wird.

Bei dieser Ausführungsform wird nicht wie im Stand der Technik die Gesamtintensität des reflektierten Lichts, sondern separat die Intensitäten der beiden Polarisationsrichtungen des Lichts parallel zur Einfallsebene I_p und senkrecht zur Einfallsebene I_s gemessen. Für diesen Fall konnten die Fresnelschen-Gleichungen analytisch nach den gesuchten Kenngrößen des Mediums, d. h. nach dem Brechungsindex n und dem Absorptionskoeffizienten k, aufge löst werden (Querry, "Direct Solution of Generalized Fresnel Re flectance Equations", J. Opt. Soc. America, 59 (1969), Seiten 876- 877). Die Einfallswinkel der beiden Strahlen können gleich sein. Prinzipiell wäre es hier auch möglich, nur mit einem Lichtstrahl zu arbeiten und zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen die Polarisatoren und Analysatoren auszutauschen oder, etwa bei Ver wendung von Polarisationsfolien, um 90° zu drehen.

Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sonde bietet aufgrund der bekannten analytischen Lösungen den Vorteil, daß die gesuch ten Spektren direkt und schnell aus den Meßgrößen berechnet wer den können. Allerdings ist eine Verwendung von Polarisatoren oder Analysatoren zwingend erforderlich.

Gemäß einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor richtung sind im Strahlengang des ersten und des zweiten Licht strahls vor der Grenzfläche Polarisatoren für senkrecht polari siertes und/oder nach der Grenzfläche Analysatoren für senkrecht polarisiertes Licht angeordnet. Die Lichtstrahlen fallen unter verschiedenen Einfallswinkeln auf die Grenzfläche. Auch hier gilt wieder, daß man bevorzugt sowohl Polarisatoren als auch Analysa toren benutzt.

Für diesen Fall, also eine Reflexionsmessung mit senkrecht pola risiertem Licht unter zwei verschiedenen Einfallswinkeln, ist in der Literatur ein Iterationsverfahren zur Lösung der Fresnelschen Gleichungen beschrieben worden (Fahrenfort und Visser in Spectro chim. Acta 18, S. 1103-1116 (1962)).

Bei der erfindungsgemäßen Sonde wird das Licht vorteilhaft nicht auf die Grenzfläche fokussiert, sondern sollte zur genauen Ein haltung des gewählten Einfallswinkels möglichst parallel auf die Grenzfläche fallen. Besonders vorteilhaft sind daher erste Licht wellenleiter zum Leiten der einfallenden Lichtstrahlen auf die Grenzfläche und zweite Lichtwellenleiter zum Leiten der an der Grenzfläche reflektierten Lichtstrahlen zu den Mitteln zur Mes sung der Lichtintensitäten vorgesehen, wobei zwischen den Lich taustrittflächen der ersten Lichtwellenleiter und der Grenzfläche bzw. zwischen der Grenzfläche und den Lichteintrittsflächen der zweiten Lichtwellenleiter Kollimieroptiken zum Ein- bzw. Auskop peln der Lichtstrahlen angeordnet.

Speziell für den Einsatz als Überwachungssonde im chemischen Pro duktionsprozeß ist aus Kostengründen eine Ausführungsform der er findungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt, bei der polarisationsunab hängig unter zwei verschiedenen Winkeln gemessen wird. Qualitativ hochwertige Polarisatoren, die Temperaturen von über 200°C stand halten, sind nämlich sehr teuer und daher für viele Überwachungs aufgaben unwirtschaftlich. Außerdem ist zu beachten, daß der Ein satz von Reflexionssonden in der Prozeßüberwachung vor allem des halb in den letzten Jahren an Popularität gewonnen hat, weil es durch die Verwendung von Lichtwellenleitern möglich wurde, den Sondenkopf mit dem Prisma und die eigentliche Meßeinheit (Spek trometer, Sensor und Mikroprozessor) weit voneinander entfernt anzuordnen. Polarisationsabhängige Messungen würden daher auch den Einsatz von teuren polarisationserhaltenden Single-Mode-Fa sern erfordern.

Im folgenden wird beispielhaft ein Meßverfahren mit einer erfin dungsgemäßen Sonde detaillierter erläutert. Im Beispiel wird po larisationsunabhängig unter zwei verschiedenen Einstrahlwinkeln gemessen wird. Bei beiden Einstrahlwinkeln soll Totalreflexion vorliegen, d. h. es wird ein ATR-Sonde verwendet.

In an sich bekannter Weise wird ein erster Lichtstrahl unter To talreflexion auf die Grenzfläche zwischen dem Prisma und dem zu analysierenden Medium bei einem ersten Einfallswinkel θ₁ einges trahlt. Die Gesamtintensität I₁ des total reflektierten Licht strahls wird bei einer bestimmten Wellenlänge 1 gemessen. Erfin dungsgemäß wird außerdem ein zweiter Lichtstrahl unter Totalre flexion bei einem vom ersten Einfallswinkel θ₁ verschiedenen Ein fallswinkel θ₂ auf die Grenzfläche eingestrahlt und die Gesamtin tensität I₂ des total reflektiertet zweiten Lichtstrahls gemessen. Aus beiden Messungen wird dann der Absorptionskoeffizient k(λ) und/oder der Brechungsindex n(λ) berechnet.

Für den Einsatz bei der Überwachung industrieller chemischer Pro zesse wird jeder Strahl üblicherweise nur einmal an der Grenzflä che total reflektiert. In dünnen, schwach absorbierenden Medien kann gemäß einer Variante jedoch auch eine mehrfache Totalrefle xion an der Grenzfläche vorgesehen sein. Eine hierfür geeignete Meßanordnung ist - für Messungen bei nur einem Einstrahlwinkel - beispielsweise in EP 0 206 433 A2 beschrieben.

Die Genauigkeit der Wellenlängenmessung hängt vom jeweiligen An wendungsgebiet ab. Will man spektroskopische Untersuchungen ma chen, so wird man wegen der höheren Auflösung beispielsweise ei nen Gitterspektrographen einsetzen, der einem Diodenarray, oder anderen polarisationsunabhängigen Detektionsmitteln, vorgeschal tet ist. Ist man beispielsweise nur an der Überwachung der Ent stehung einer bestimmten Reaktionskomponente interessiert, so braucht kein Spektrum aufgezeichnet zu werden, sondern man kann beispielsweise mittels geeigneter Bandfilter einen charakteristi schen Wellenlängenbereich herausfiltern, in welchem man mit fort schreitender Reaktion eine Änderung der Absorptionseigenschaften des Mediums erwartet.

Mit beiden Lichtstrahlen wird bevorzugt gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig gemessen, wobei beispielsweise für jeden reflektier ten Lichtstrahl ein separates Detektionsarray vorgesehen sein kann.

Mit einer solchen Versuchsanordnung können auch mehrere Wellen längen gleichzeitig gemessen, das heißt ein größerer Spektralbe reich aufgezeichnet werden. Geeignete empfindliche Diodenarrays sind bekannt und weisen typischerweise 256, 512 oder 1024 Dioden auf (z. B. die Array Typen MMS oder MCS der Fa. Zeiss). Die Si gnale der Dioden werden verstärkt und von einem Mikroprozessor verarbeitet. Die Auswahl der Diodenarrays kann von zahlreichen Faktoren beeinflußt werden, beispielsweise der gewünschten Auflö sung, der zur on-line-Auswertung zu Verfügung stehenden Zeit, der Rechenleistung, der erforderlichen Genauigkeit für Messung und Rechnung, usw.

Zur Berechnung der interessierenden Konstanten n, k wird im vor liegenden Beispiel mittels polarisationsunabhängiger Detektoren die Gesamtintensität des reflektierten Lichtes zu messen. Der Re flexionskoeffizient für einen gegebenen Einfallswinkel setzt sich dann gemäß

aus dem senkrecht polarisierten Anteil R_s und dem parallel polari sierten Anteil R_p zusammen. Der Reflexionskoeffizient ist nach den Fresnelschen Formeln auch vom Einfallswinkel θ abhängig, so daß sich für beide Lichtstrahlen unterschiedliche Reflexionskoeffi zienten R_θ ₁ bzw. R_θ ₂ ergeben. Eine analytische Auflösung der Fres nelschen Formeln nach n und k ist für diesen Fall nicht möglich. Für die tatsächlichen Werte für n und k müssen die beiden folgen den Relationen gleichzeitig erfüllt sein:

R_{θ 1}(n, k) = R₁ und

R_{θ 2}(n, k) = R₂

d. h. der theoretische Reflexionskoeffizienten R_{θ 1} muß für n und k gleich dem gemessenen Reflexionskoeffizienten R₁ des ersten Licht strahls sein. Eine entsprechende Relation muß für dieselben n und k für den zweiten Lichtstrahl erfüllt sein.

Zur Lösung dieses nichtlinearen Gleichungssystems schlägt die Er findung vor, eine Funktion F(n, k) der folgenden Struktur

F(n, k) = (R_θ1(n, k) - R₁)² + (R_θ2(n, k) - R₂)²

also der Summe der, vorteilhaft quadrierten, Differenzen der bei den theoretischen Reflexionskoeffizienten R_θ und des jeweiligen gemessenen Reflexionskoeffizienten R zu bilden und F numerisch zu minimieren. Die Quadrierung der Differenzterme führt zu einer stetigen Funktion F, was die Minimierung erleichtert. R_θ ergibt sich aus den Fresnelschen-Formeln gemäß folgender Relation:

wobei m der komplexe Brechungsindex des Mediums und n₀ der Bre chungsindex des optischen Elements, also beispielsweise des Pris mas sind. Algorithmen zur Minimierung einer nichtlinearen Funk tion mit zwei Parametern sind bekannt. Besonders bevorzugt wird ein Minimierungsalgorithmus nach Broyden-Flatcher-Goldfarb-Shanno (unconstrained quasi-Newton minimisation) verwendet, wie er bei spielsweise in dem Standardwerk "Numerical Recipies in C" be schrieben und in der MATLAB Optimization Toolbox, The Math Works Inc., implementiert ist.

Das Optimierungsverfahren der MATLAB-Toolbox erfordert bei 256 Spektralpunkten und einem geschätzten Fehler von 10^-4 bei der Be stimmung von n und k eine Rechenzeit von ca. 19 Sekunden auf ei nem 133 MHz Pentium-Computer (PENTIUM® ist eine eingetragene Marke der Fa. Intel).

Je nach Anforderungen kann die Auswertezeit reduziert werden. Beispielsweise können schnellere Prozessoren eingesetzt oder es kann mit mehreren Prozessoren parallel gerechnet werden.

Vorteilhaft werden die Reflexionskoeffizienten R₁ und R₂ nach r1 bzw. r2 Totalreflexionen (meist: r1 = r2 = 1) gemäß folgender Rela tion aus den gemessenen Intensitäten I₁ und I₂ bestimmt.

Die Referenzintensität I_ref entspricht im wesentlichen der Inten sität I₀ der verwendeten Lichtquelle. Da eine Lichtquelle im Laufe einer Messung Intensitätsschwankungen unterliegen kann, wird man vorteilhaft auch die Referenzintensität kontinuierlich messen. Dazu kann man beispielsweise im Spektrometer ein drittes Diode narray zur wellenlängenabhängigen Messung der Intensität I₀ vor sehen. Für besonders genaue Messungen wird man die Intensität I₀ noch mit der Transmissionskurve des gesamten optischen Systems gewichten, wobei vorteilhaft auch die Gitterfunktion des Spektro meters mitberücksichtigt wird. Die Transmissionskurve des Meßsy stems wird nämlich im allgemeinen auch eine gewisse Wellenlängen abhängigkeit zeigen, was sich besonders bemerkbar macht, wenn der gemessenen Spektralbereich relativ groß ist. Die entspre chende Transmissionskurve I_trans(λ) wird für eine gegebene Meßan ordnung einmal bestimmt und kann dann für die Auswertung der spä teren Messungen gespeichert werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere für Anwendungen in der chemischen Industrie geeignet. Typische Beispiele sind kontinuierliche Konzentrationsmessungen oder absorptionsspektros kopische Untersuchungen chromophorer Systeme bei der Farbstoff synthese, bei der Herstellung von Anstrichmitteln und generell bei der Verarbeitung hochkonzentrierter organischer Substanzen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können durch die Erstellung linearer Kalibrierungskurven erstmals auch insitu präzise Kon zentrationsmessungen von im UV-Bereich stark absorbierenden Sub stanzen, wie Hydrosulfit, Benzaldehyd oder Styrol durchgeführt werden.

Die mit der erfindungsgemäße Sonde durchführbaren Reflexionsmes sungen sind einerseits unempfindlich gegenüber Feststoffpartikeln von mehr als einigen Mikrometern Durchmesser, was besonders bei Messungen vorteilhaft ist, wo die Gefahr besteht, daß größere Partikel die Messung verfälschen. Andererseits können feine Pig mentdispersionen in Anstrichmitteln oder Druckfarben zuverlässig untersucht werden.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand eines in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels aus führlicher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine schematische Übersicht einer erfindungsgemäßen Meß anordnung für abgeschwächte Totalreflexion (ATR);

Fig. 2 eine als Tauchsonde ausgebildete ATR-Sonde gemäß vorlie gender Erfindung;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III der Sonde in Fig. 2;

Fig. 4 eine Aufsicht auf das erfindungsgemäße ATR-Prisma,

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie V-V durch das Prisma der Fig. 4,

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI durch das Prisma der Fig. 4;

Fig. 7 mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewonnene Original spektren unterschiedlich konzentrierter Kupferphtalocya nin-Lösungen bei einem Einfallswinkel von 70°;

Fig. 8 mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewonnene Original spektren der Lösungen gemäß Fig. 7 bei einem Einfalls winkel von 60°;

Fig. 9 aus den Messungen der Fig. 7 und 8 mit dem erfindungs gemäßen Verfahren berechnete Absorptionsspektren; und

Fig. 10 aus den Messungen der Fig. 7 und 8 mit dem erfindungs gemäßen Verfahren berechnete Dispersionskurven.

Bezugnehmend auf die Fig. 1 bis 3 erkennt man zunächst in Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vor richtung zur spektroskopischen Analyse fluider Medien. Darge stellt ist der spezielle Fall einer ATR-Sonde, bei der polarisa tionsunabhängig unter zwei verschiedenen Einfallswinkeln gemessen wird.

Licht einer Lampe 11 wird in einen ersten Lichtwellenleiter 12 eingekoppelt, der sich in einer Y-Verzweigung 13 in zwei Licht leiter 14, 15 für den einfallenden ersten bzw. zweiten Licht strahl verzweigt. Die Lichtwellenleiter werden in eine Sonde 16 geführt, die im dargestellten Beispiel als Tauchsonde ausgebildet ist und an einem Ende ein Prisma 17, das sogenannte ATR-Prisma, aufweist, an dessen Grenzfläche 18 zum Medium 19 die beiden Lichtstrahlen bei verschiedenen Winkeln total reflektiert werden. Die ATR-Sonde 16 ist in den Fig. 1 und 2 im Schnitt entlang der Einfallsebene des ersten Lichtstrahls dargestellt. Die Ein fallsebene des zweiten Strahls verläuft im wesentlichen senkrecht zur Einfallsebene des ersten Strahls.

Die reflektierten Strahlen werden über Lichtwellenleiter 20, 21 zu einem Spektrometer 22 geleitet, in welchem zwei (nicht darge stellte) Diodenarrays angeordnet sind, welche die an einem (eben falls nicht dargestellten) Gitter erzeugten Spektren aufzeichnen. Ein weiterer Lichtwellenleiter 23 führt direkt von der Lampe 11 zum Spektrometer 12, wo über ein drittes (ebenfalls nicht darge stelltes) Diodenarray die spektrale Intensitätsverteilung der Lichtquelle 11 registriert wird. Die verstärkten Signale der Diodenarrays werden im vorliegenden Beispiel über einen Multiple xer ausgelesen und von einem Personal-Computer 24 verarbeitet.

In Fig. 2 sind der obere Abschnitt 25 und der untere Abschnitt 26 einer bevorzugten Ausführungsform der ATR-Sonde 16 im Schnitt dargestellt. Der in das zu analysierende Medium 19 eintauchende Sondenkopf 27 weist ein Schutzgehäuse 28 auf, in welchem ein Fa serträger 29 angeordnet ist. Dieser Faserträger nimmt die Enden 14a, 20a der vier Lichtwellenleiter 14, 15, 20, 21 auf. Im darge stellten Schnitt erkennt man den Lichtleiter 14 für den unter ei nem Winkel von 60° einfallenden ersten Strahl. Am Austritt 14a des Lichtwellenleiters 14 ist eine erste Kollimieroptik 30 angeord net, die das Licht zu einem aufgeweiteten, parallelen Lichtstrahl bündelt, dessen Durchmesser von einer Blende 31 begrenzt wird. Der Lichtstrahl dringt über eine Lichtein- und austrittsfläche 32 (vergleiche Fig. 5) in das ATR-Prisma 17 ein und wird an einer Seitenfläche 33 in Richtung Grenzfläche 18 umgelenkt, wo der Strahl total reflektiert wird. Nach einer weiteren Umlenkung an der Fläche 43 verläßt der Strahl das Prisma 17 durch die Lich tein- und austrittsfläche 32 wieder und wird über eine zweite Kollimieroptik 35 in den Lichtwellenleiter 20 eingekoppelt. Zwi schen Gehäuse 28 und einem (insbesondere in den Fig. 5 und 6 erkennbaren) die Grenzfläche 18 umgebenden, stufenartigen Dich tungssockel des Prismas 17 ist eine Flachdichtung 36 angeordnet.

Bei Varianten der erfindungsgemäßen Sonde, die auf Messungen mit polarisiertem Licht beruhen, könnten beispielsweise im Bereich der Kollimieroptiken 30, 35 geeignete Polarisatoren bzw. Analysa toren angeordnet werden.

Im oberen Abschnitt 25 der ATR-Sonde 16 ist ein Faserdurchführ körper 37 vorgesehen, der in einem Schutzrohr 38 angeordnet ist. Über ein Druckschraubenelement 39 mit einer einstellbaren Schraube 40 wird ein Federsystem 41 komprimiert, welches das Schutzrohr 38 gegen das ATR-Prisma 17 nach unten drückt. Damit wird die Dichtung an der für das Prisma im Schutzgehäuse 16 aus gesparten Öffnung 42 verbessert. Insbesondere sorgen die Federn 41 für einen Ausgleich der Längenausdehnung der Sonde und gewähr leisten, daß der notwendige Anpreßdruck des Prismas 17 gegen die Flachdichtung 36 auch bei Temperaturerhöhung erhalten bleibt.

Um den Sondenkopf einfach vom übrigen Meß- und Lichtleitersystem abtrennen zu können, weist der obere Sondenteil 25 vier SMA-An schlüsse 45 auf, an denen zwei Abschnitte eines Lichtleiters mi teinander gekoppelt werden können.

In Fig. 4 in der Aufsicht und in den Fig. 5 und 6 jeweils im Schnitt entlang der Einfallsebene des ersten bzw. zweiten Strahls, ist das erfindungsgemäße ATR-Prisma 17 detaillierter dargestellt. Man erkennt jeweils zwei einander gegenüber liegende Umlenkflächen 33, 43 bzw. 34, 44, die um 90° winkelversetzt zuein ander orientiert sind. Wenn der Strahl vertikal von oben durch die Eintrittsfläche 32 in das Prisma 17 eindringt und unter einem Winkel θ auf die Grenzfläche 22 treffen soll, muß die jeweilige Umlenkfläche einen Winkel θ/2 mit dem Lot auf die Grenzfläche 18 einschließen. Im dargestellten Beispiel besitzt der erste Strahl einen Einfallswinkel von 60° und der zweite Strahl einen Einfalls winkel von 70°.

Beispiele

Die Messungen erfolgten mit einem Prototyp der erfindungsgemäßen Sonde. Die zylindrische Sonde mit 26 mm Außendurchmesser und ca. 320 mm Basislänge bestand aus Tantal und konnte mit Quarz- oder Saphirprismen mit der in den Fig. 4 bis 6 dargestellten Geome trie bestückt werden. Der Durchmesser der kreisförmigen Lichtein- und austrittsfläche der Prismen betrug 22 mm, der Durchmesser der Meßfläche ca. 11 mm. Der erste Strahl hatte einen Einfallswinkel von 60°, der zweite Strahl einen Einfallswinkel von 70°. Als Lichtleiter wurden Multimoden-Glasfasern mit einem Kerndurchmes ser von 800 µm verwendet, die im oberen Teil der Sonde in F-SMA- Anschlüssen endeten. Das reflektierte Licht wurde in ein monoli thisches Simultan-Vielkanalspektrometersystem geleitet, das mit Diodenarray-Spektrometermodulen MMS (256 Dioden, nutzbarer Spek tralbereich von 300 nm bis 1100 nm) der Firma Zeiss bestückt war. Ein Modul dient zur Messung der Intensität der Lichtquelle, die beiden anderen Module zur Messung des reflektierten Lichtes unter 60° bzw 70°. Datenakquisition erfolgte mit einem auf einem Perso nal Computer laufenden LabView®-Programm (Version 4, National In struments).

Für Spektren im sichtbaren Bereich wurde eine Halogen-Lampe ver wendet. Für UV-Spektren wurde eine Deuterium-Entladungslampe als Lichtquelle verwendet.

Beispiel 1 Absorptionsspektrum und Dispersionskurve einer Farbstofflösung (Kupferphtalocyanin-Pigmente (CuPC) in Schwefelsäure)

CuPC-Pigmente wurde in konzentrierter Schwefelsäure (H₂SO₄) ge löst.

In den Fig. 7 und 8 sind die mit der erfindungsgemäßen Vor richtung gewonnenen Originalspektren bei Konzentrationen von 5, 15, 30 und 45 g/l bei Einstrahlwinkeln von 70° (Fig. 7) und 60° (Fig. 8) dargestellt.

Man erkennt zum einen eine bathochrome Verschiebung, wenn die Konzentration der Pigmente in der Schwefelsäure erhöht wird. Beim Vergleich der Fig. 7 und 8 erkennt man außerdem, daß diese Verschiebung auch vom Reflexionswinkel abhängt. Die unter 60° ge wonnenen Spektren sind aufgrund der größeren Eindringtiefe der evaneszenten Welle bei kleineren Winkeln mehr zu längeren Wellen längen hin verschoben. Außerdem stellt man fest, daß die Form der Absorptionsbanden nicht symmetrisch ist, wie man es für eine Transmissionsmessung erwarten würde. Außerdem erkennt man, daß die mit ATR-Messungen gewonnenen Daten eine Abweichung vom Lam bert-Beerschen Gesetzt zeigen, da die Absorbance A keine lineare Abhängigkeit von der Konzentration zeigt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde aus den in den Fig. 7 und 8 dargestellten Meßdaten das Absorptionsspektrum k(λ) der Fig. 9 und die Dispersionskurve n(λ) der Fig. 10 berechnet.

Man erkennt, daß die Absorptionsmaxima bei verschiedenen Kon zentrationen bei derselben Wellenlänge liegen. Die batochrome Verschiebung konnte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren korri giert werden. Außerdem hängt das Absorptionsmaximum im wesentlich linear von der Konzentration ab, so daß auch das Lambert-Beersche Gesetz erfüllt ist.

Das Rauschen der berechneten Spektren ist etwas stärker als das der Originalmessdaten, was jedoch durch eine höhere Rechenge nauigkeit korrigiert werden könnte.

Claims

1. Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines fluiden Medi ums mittels abgeschwächter Reflexion, mit
ersten Mitteln (14, 33) zum Einstrahlen eines ersten Lichtstrahls auf eine Grenzfläche (18) des zu analysie renden Mediums (19)
und Mitteln (22) zum Messen der Intensität des an der Grenzfläche reflektierten ersten Lichtstrahls
dadurch gekennzeichnet, daß
außerdem zweite Mittel (15, 34) zum im wesentlichen simul tanen Einstrahlen eines zweiten Lichtstrahls auf eine Grenzfläche (18) des zu analysierenden Mediums (19)
und Mittel (22) zum Messen der Intensität des zweiten re flektierten Lichtstrahls vorgesehen sind, wobei sich der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl im Einfalls winkel auf die Grenzfläche und/oder im Polarisationszu stand unterscheiden.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Lichtstrahl unter einem Winkel θ₁ und der zweite Licht strahl unter einem von dem Winkel θ₁ verschiedenen Winkel θ₂ auf die Grenzfläche (18) fällt.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der winkel θ₁ größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist, während der Winkel θ₂ kleiner als der Grenzwinkel der Total reflexion ist.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Winkel θ₁ und θ₂ jeweils größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion sind.

5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein sondenartiges, zylindrisches Gehäuse (28), an des sen freiem Stirnende ein Prisma (17) angeordnet ist, das we nigstens eine von dem zu analysierenden Medium (19) benetz bare Fläche aufweist, welche die Grenzfläche (18) für die Re flexion der beiden Lichtstrahlen bildet.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (17) durch elastische Mittel (41) gegen Dichtungsmit tel (36) gedrückt wird, die eine am Stirnende des zylindri schen Gehäuses vorgesehene Öffnung (42) umgeben.

7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch ge kennzeichnet, daß das Prisma (17) im wesentlichen kegel stumpfförmig ausgebildet ist und eine zur Grenzfläche (18) parallele Lichtein- und austrittsfläche (32), ein erstes Paar sich spiegelsymmetrisch gegenüberliegender Seitenflächen (33, 43), die mit der Grenzflächennormalen einen Winkel von θ₁/2 einschließen und ein zweites Paar sich gegenüberliegen der spiegelsymmetrischer Seitenflächen (34, 44), die mit der Grenzflächennormalen eine Winkel von θ₂/2 einschließen um faßt.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Seitenflächenpaar (33, 43) zum zweiten Seitenflächenpaar (34, 44) um 90° um eine Grenzflächennormale gedreht angeordnet ist.

9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß im Strahlengang des ersten Lichstrahls vor der Grenzfläche (18) ein Polarisator für senkrecht polari siertes Licht und/oder nach der Grenzfläche (18) ein Analysa tor für senkrecht polarisiertes Licht und im Strahlengang des zweiten Lichtstrahls vor der Grenzfläche (18) ein Polarisator für parallel polarisiertes Licht und/oder nach der Grenzflä che (18) ein Analysator für parallel polarisiertes Licht an geordnet sind.

10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß im Strahlengang des ersten und des zweiten Lichtstrahls vor der Grenzfläche (18) Polarisatoren für sen krecht polarisiertes und/oder nach der Grenzfläche (18) Ana lysatoren für senkrecht polarisiertes Licht angeordnet sind.

11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß erste Lichtwellenleiter (12, 14, 15) zum Lei ten der einfallenden Lichtstrahlen auf die Grenzfläche (18) und zweite Lichtwellenleiter (20, 21) zum Leiten der an der Grenzfläche (18) reflektierten Lichtstrahlen zu den Mitteln (22) zur Messung der Lichtintensitäten vorgesehen sind, wobei zwischen den Lichtaustrittflächen der ersten Lichtwellenlei ter (14, 15) und der Grenzfläche (18) bzw. der Grenzfläche (18) und den Lichteintrittsflächen der zweiten Lichtwellen leiter (20, 21) Kollimieroptiken (30, 35) zum Ein- bzw. Auskop peln der Lichtstrahlen angeordnet sind.