DE19920184A1

DE19920184A1 - Verfahren für die gleichzeitige Erfassung von diffuser und specularer Reflexion von Proben, insbesondere undurchsichtiger Proben, sowie Reflektanz-Meßsonde

Info

Publication number: DE19920184A1
Application number: DE19920184A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Henrik Mittenzwey; Gert Sinn
Original assignee: Optosens Optische Spektroskopie und Sensortechnik GmbH
Current assignee: Optosens Optische Spektroskopie und Sensortechnik GmbH
Priority date: 1999-05-03
Filing date: 1999-05-03
Publication date: 2000-11-30
Anticipated expiration: 2019-05-04
Also published as: DE19920184C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reflektanz-Meßsonde für die synchrone Ermittlung der diffus und specular reflektierten Anteile insbesondere undurchsichtiger Proben (3). Dabei wird Strahlung definierter Wellenlänge über Lichtwellenleiter (6) und eine Linse (8) auf die Probe und über dieselbe Linse die diffus remittierten und specular reflektierten Anteile auf zwei rückwärtig lokalisierte optoelektronische Empfänger (4, 5) geleitet. Zur separaten Ermittlung der diffusen Remission und specularen Reflexion sind die Lichtwellenleiterendflächen zur optischen Achse (9) der Linse (8) versetzt angeordnet. Die Meßsonde ist multifunktional und für verschiedene Betriebsweisen geeignet: Auflage-Sonde für Festkörper, Durchflußkammer-Meßsonde für Flüssigkeiten, Tauchkammer-Meßsonde für Flüssigkeiten mit Eignung für den Prozeßbetrieb.

Description

Technisches Gebiet Analytik, Umwelt-, Qualitäts- und Prozeßüberwachung, Spektroskopie, Remission, Reflexion Stand der Technik

Die Reflektanz einer undurchsichtigen und nicht selbstleuchtenden Probenoberfläche setzt sich aus der diffusen Remission und der specularen Reflexion zusammen. Eine Oberfläche ist matt, wenn die diffuse Remission dominiert. Bei einer glänzenden Oberfläche hat die speculare Reflexion einen wesentlichen Einfluß.

(a) Remission

Die Remission R ist die diffuse Reflexion von Strahlung an Materie (Probe). Sie ist ein Maß für die Intensität der entgegen der Einfallsrichtung remittierten Photonen. Das sind im klassi schen Sinne gestreute Photonen. Die Remission wird durch die Streufähigkeit (Streukoeffizient S) und Absorptionsfähigkeit (Absorptionskoeffizient K) der Probe bestimmt. Zur mathemati schen Beschreibung der Remission dient die Theorie von Kubelka und Munk. Danach ist die Kubelka-Munk-Funktion F, die aus der gemessenen diffusen Reflexion berechnet wird, dem Quotienten aus Absorptions- und Streukoeffizient proportional,

F ~ K/S (1).

Analytische Beispiele sind:
Feststellung des physiologischen Zustandes von Vegetation.
Ermittlung von Feuchte und Struktur von Böden.
Ermittlung der Farbe von Kunststoffen.

(b) Reflexion

Bei der specularen Reflexionsspektroskopie wird die von einer Oberfläche oder Grenzfläche direkt reflektierte Strahlung analysiert (Reflexionsgesetz), die Auskunft über das spektrale Reflexionsvermögen liefert. Die speculare Reflexion R_G ist u. a. von der Brechzahl n der Probe abhängig. Da in vielen Fällen die Probe absorbiert, wird die für die Reflexion maßgebliche Brechzahl neben der Brechkraft auch von dem Absorptionsvermögen der Probe bestimmt. Die Brechzahl setzt sich aus einem Realteil und einem Imaginärteil zusammen (komplexe Zahl):

R_G = ((n-1)/(n+1))² (2)

mit n = n_Real + n_Imaginär. Die Formel (2) ist eine vereinfachte Darstellung für die Grenzfläche Luft/Probe bei senkrechter Einstrahlung. Die Brechzahl wird praktisch als Realteil goniome trisch oder interferometrisch ermittelt.

Analytische Beispiele sind:
Ermittlung des Zuckergehaltes in Flüssigkeiten.
Kontrolle von Mischungsverhältnissen binärer Systeme.
Ermittlung des Glanzes von Lack, Papier und Kunststoffen.
[1]-[10].

Problem/Aufgabe

Entwicklung einer einfachen Reflektanz-Meßsonde zur synchronen Ermittlung der diffus und specular reflektierten Anteile undurchsichtiger Proben, die multifunktional und für verschiede ne Betriebsweisen geeignet ist: Auflage-Sonde für Festkörper, Durchflußkammer-Meßsonde für Flüssigkeiten, Tauchkammer-Meßsonde für Flüssigkeiten mit grundsätzlicher Eignung für den Prozeßbetrieb.

Lösung Definitionen

Empfängerebene: Ebene, in der die lichtempfindlichen Flächen der Empfänger (

4

,

5

) sowie die Endflächen (

6

a) (Lichtaustrittsflächen) der Lichtwellenleiter (

6

) angeordnet sind.
Optikebene: Ebene, in der abbildende Elemente angeordnet sind. Parallel zur Empfänger ebene.
Meßgerade: Linie, entlang derer die Komponenten Sensorkopf (

1

) - Tubus (

2

) - Probe (

3

) an geordnet sind.
Empfängergerade: Linie, entlang derer die beiden Empfänger (

4

,

5

) und die Lichtwellenleiter endflächen (

6

a) angeordnet sind, wobei die Linie durch die Flächenmittelpunkte der Empfän ger (

4

,

5

) verläuft. Diese Linie verläuft dabei auch durch den Flächenmittelpunkt des Raumes zwischen beiden Empfängern (

4

,

5

) - an diesem Flächenmittelpunkt bzw. in dessen Umgebung sind die Endflächen der Lichtwellenleiter (

6

) lokalisiert.

Gemäß Anspruch 1 wird Strahlung definierter Wellenlänge in den Raum zwischen Empfän ger- und Optikebene, z. B. über Lichtaustrittsflächen von Lichtwellenleiter, eingekoppelt (Ein koppelstrahlung). Diese aus der Empfängerebene kommende Einkoppelstrahlung breitet sich in Richtung der Optikebene aus und trifft auf ein abbildendes Element in der Optikebene. Dieses Element kann z. B. eine Linse sein. Linse und Strahlungsquelle sind so zueinander ausgerichtet, daß die Einkoppelstrahlung nach Passieren der Linse parallelisiert ist. Die Parallelstrahlung trifft auf die zu untersuchende Probe, z. B. eine feste und undurchsichtige Oberfläche, die vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Linse lokalisiert ist. Die von der Probe specular reflektierte Strahlung I_S und ein Teil der von der Probe diffus remittierten Strahlung I_D durchdringen entgegen der Einfallsrichtung der Einkoppelstrahlung die Linse und gelangen auf die in der Empfängerebene lokalisierten optoelektronischen Empfänger. Dabei wird die I_S auf einen der beiden Empfänger gerichtet. Das gelingt beispielsweise dadurch, daß die divergente Strahlungsquelle (Lichtwellenleiterendflächen) und die Empfängerebene in der Brennebene der Linse angeordnet sind. Die Strahlungsquelle befindet sich dabei außerhalb der optischen Achse der Linse. Es entsteht ein umgekehrtes Bild der Strahlungsquelle in der Empfängerebene. An diesem Bildort ist der eine Empfänger lokalisiert und registriert die von der Probe specular reflektierte Strahlung I_S. Die diffus remittierte Strahlung I_D gelangt dagegen auf beide Empfänger. Das gelingt beispielsweise dadurch, daß die Probe ausreichend nah an der Linse lokalisiert ist, so daß die Linse keine abbildende Wirkung auf I_D ausübt. Damit werden der eine Empfänger mit der Summe E1 = I_S + I_D und der andere Empfänger mit E2 = I_D beaufschlagt. Diese beiden Gleichungen bilden ein Gleichungssystem, das nach den beiden gesuchten Größen I_S und I_D aufgelöst werden kann. I_S und I_D können somit separat, in einem Meßvorgang, ermittelt werden.

Zur Durchführung dieses Verfahrens wird eine Vorrichtung vorgestellt. Gemäß Anspruch 2 (Abb. 1) sind ein Sensorkopf (1), ein zylindrischer Tubus (2) und die zu untersuchende Probe (3) nacheinander auf der gemeinsamen Meßgeraden angeordnet. Der Sensorkopf enthält zwei optoelektronische Empfänger (4, 5), Lichtwellenleiter (6) zur Einkopplung von Strahlung in den Tubus und einen optischen Filter (7) zur Unterdrückung von störendem Umgebungs licht. Die Lichtwellenleiter sind zum einen mit im Sensorkopf lokalisierten Strahlungsquellen optisch verbunden. Zum anderen können auch externe Strahlungsquellen über Lichtwellenleiter mit dem Sensorkopf verbunden werden. Der Tubus dient der Aufnahme des Sensorkopfes und einer Linse (8). Die zu untersuchende Probe ist in unmittelbarer Nähe des Tubus lokalisiert. Die lichtempfindlichen Flächen der Empfänger (4, 5) liegen in der gemeinsamen Empfänger ebene. Die Empfänger weisen einen definierten Abstand zueinander auf. Die Empfänger liegen mit ihren Flächenmittelpunkten auf der gemeinsamen Empfängergeraden. Diese Gerade ist senkrecht zur Meßgeraden ausgerichtet. Dabei steht die Meßgerade senkrecht auf der Empfän gerebene. Zwischen den beiden Empfängern sind Endflächen von Lichtwellenleitern (6) angeordnet, die Strahlung in den Tubus einkoppeln. Es können ein einziger oder mehrere Lichtwellenleiter angeordnet sein. Die Endflächen der Lichtwellenleiter liegen in der Empfän gerebene. Dabei können diese vorzugsweise im Mittelpunkt des Raumes zwischen beiden Empfängern bzw. in dessen Umgebung lokalisiert sein. Der optische Filter (7) ist direkt am Sensorkopf montiert und befindet sich somit in unmittelbarer Nähe des Empfängerebene. Der Filter ist für das Licht der Strahlungsquellen und für das Reflektanzlicht durchlässig und soll Strahlung anderer Wellenlängen blocken. Damit wird die auf die Empfänger fallende Intensität von Umgebungsstrahlung oder Fremdlicht reduziert. Anstelle der Lichtwellenleiterendflächen können auch Strahlungsquellen direkt angeordnet werden.

Der Tubus (2) ist hohl, also optisch durchlässig. Der Tubus ist mit seiner einen Seite am Sensorkopf lichtdicht montiert. Die andere Seite nimmt eine Linse (8) auf, deren Abstand von den Lichtwellenleitern und Empfängern der Brennweite entspricht. Das heißt, die Empfänger ebene liegt in der Brennebene dieser Linse. Die Linse wird von den Lichtwellenleitern mit Einkoppelstrahlung und die Empfänger mit Probenstrahlung (Reflektanz der Probe (3)) beauf schlagt. Die Linse gibt Parallelstrahlung auf die zu untersuchende Probe. Die optische Achse (9) der Linse steht senkrecht auf der Empfängerebene.

Der Linse (8) ist die zu untersuchende Probe (3) in definierter Weise vorgelagert. Es werden grundsätzlich zwei Fälle unterschieden. Im ersten Fall ist die zu untersuchende Probe in einem definierten Abstand von der Linse entfernt (einige mm bis cm). Im zweiten Fall sind Probe und Linse direkt miteinander kontaktiert. Diese beiden Fälle werden weiter unten näher erläutert (Ansprüche 3 bis 6).

Beim Meßvorgang wird die Probe (3) über die Linse (8) mit Parallelstrahlung beaufschlagt. Dabei ist die Probenoberfläche parallel zur Empfängerfläche angeordnet bzw. m. a. W. die optische Achse der Linse steht senkrecht auf der Probenoberfläche. Die auf die Probe treffende Strahlung wird entsprechend den spektralen Absorptions- und Streueigenschaften der Probe verändert. Es entsteht das Reflektanzlicht der Probe, von dem ein Teil durch die Linse (8) auf die Empfängerebene mit den Empfängern (4, 5) gelangt. Dabei treffen auf den einen Empfän ger ausschließlich Photonen der diffusen Remission und auf den anderen Empfänger Photonen der diffusen Remission und specularen Reflexion. Dazu ist die optische Achse (9) der Linse (8) zu den Lichtwellenleiterendflächen (6a) in der Weise versetzt angeordnet, daß diese zwar die Empfängergerade durchstößt, aber entlang dieser Geraden zu einem der beiden Empfänger (4 oder 5) verschoben ist. Die optische Achse (9) durchstößt also nicht den Mittelpunkt des Raumes zwischen den beiden Empfängern. Da die Empfänger in der Brennebene der Linse lokalisiert sind, werden die von der Probe ausgehenden specularen Reflexe in der Brennebene abgebildet. Wegen der Versetzung der Linse passiert die Abbildung jenseits der optischen Achse auf einem der beiden Empfänger. Die Signale der beiden Empfänger werden mitein ander verknüpft und so diffuse Remission und speculare Reflexion in einfacher Weise ermittelt.

In den Ansprüchen 3-6 werden zwei verschiedene Einsatzfälle dokumentiert. In dem einen Fall ist die Probe (3) in einem definierten Abstand von der Linse (8) entfernt (Anspruch 3 und 4). Hierbei kann der Sensor in einiger Entfernung von der Probe (z. B. Schüttgut) befestigt werden ohne dabei die Probe zu berühren. Oder der Tubus (2) kann in einen Aufnahmeblock montiert werden, der gleichzeitig als Auflage auf der Probenoberfläche dient (z. B. plane Festkörperflächen). Darüberhinaus kann der Tubus selbst als Auflage ausgebildet sein. Der Auflage- bzw. Aufnahmeblock berührt die Probe. Die Linse (8) hat keinen Kontakt zur Ober fläche. Die Linse (8) im Tubus (2) ist eine Bikonvexlinse, die die Probe mit Parallelstrahlung beaufschlagt, die diffuse Remission auf beide Empfänger (4, 5) richtet und die die speculare Reflexion auf nur einen Empfänger abbildet. In den Aufnahmeblock kann zusätzlich ein Planfenster eingesetzt werden, was bei der Untersuchung von Flüssigkeiten (oder Gase) hilfreich ist.

In dem anderen Fall ist die Linse (8) direkt mit der Probe (3) kontaktiert (Anspruch 5 und 6). Das ist insbesondere bei der Untersuchung von flüssigen Medien günstig. Dabei ist der Tubus (2) in einem Aufnahmeblock befestigt. Ein solcher Aufnahmeblock kann beispielsweise ein marktübliches Rohr-T-Stück sein, das zwei Öffnungen für die hindurchfließende Flüssigkeit und eine Öffnung zur Aufnahme des Sensors aufweist. Die Linse (8) ist eine Plankonvexlinse, wobei die plane Seite der zu untersuchenden Flüssigkeit zugewandt ist. Die Planseite und die Flüssigkeit bilden eine gemeinsame plane Grenzfläche fest/flüssig. Dabei wird von dieser Grenzfläche specular reflektierte Strahlung auf einen der beiden Empfänger gelenkt, wo die Lichtwellenleiterendflächen (6a) durch die Linse (8) abgebildet werden. Dieser Empfänger wird außerdem mit diffuser Remission beaufschlagt. Der andere Empfänger registriert aus schließlich diffuse Remission. Die Linse (8) hat in diesem Fall neben einer abbildenden Funktion auch die Aufgabe, die reflektierende Probenoberfläche zu gestalten.

Praktische Anwendung: + synchrone Erfassung von Absorption, Streuung und Brechzahl von Flüssigkeiten + Erfassung von Farbe und Glanz fester Oberflächen.

Die Lichtwellenleiter (6) können in einer Zeile, zentrisch oder in mehreren übereinanderliegen den Lagen angeordnet sein. Jeder einzelne Lichtwellenleiter wird separat von einer Strahlungs quelle mit Strahlung versorgt. Das können z. B. Leuchtemitterdioden LED sein, die sich im Sensorkopf (1) befinden. Dabei werden die Strahlungsquellen nacheinander Licht in die Licht wellenleiter (6) einkoppeln, so daß stets nur eine Strahlungsquelle definierter Wellenlänge aktiv ist. Über einen Anschluß mit Lichtwellenleiter kann auch eine externe Strahlungsquelle an den Sensorkopf angeschlossen werden. Anstelle der Lichtwellenleiter kann am Ort der Lichtwellenleiterendflächen auch direkt eine Strahlungsquelle montiert sein (z. B. eine LED). Anspruch 7.

Gemäß Anspruch 8 kann der Sensor als klassischer Reflektanzsensor auch ohne Linse (8) ausgeführt werden. Damit eine Separierung zwischen specularer Reflexion und diffuser Remission erreicht werden kann, werden in der Empfängerebene Polarisationsfilter in spezieller Weise angeordnet.

Der vorgestellte Reflektanzsensor läßt sich nicht nur für undurchsichtige Proben verwenden. Unter bestimmtem Bedingungen und Voraussetzungen ist der Sensor grundsätzlich auch für Proben geeignet, bei denen die Strahlung tiefer in das Probenvolumen eindringt.

Bezugszeichen Abb. 1

1

Sensorkopf

2

Tubus

3

Probe

4

optoelektronischer Empfänger

5

optoelektronischer Empfänger

6

Lichtwellenleiter

6

a Lichtwellenleiterendfläche

7

optischer Filter

8

Linse

9

optische Achse der Linse

Literatur

[1] BERGMANN und SCHAEFER: Lehrbuch der Experimentalphysik. Optik. Berlin-New York, Walter de Gruyter, 1993.
[2] SCHMIDT, W.: Optische Spektroskopie. Weinheim-New York-Basel-Cambridge-Tokyo VCH Verlagsgesellschaft, 1994.
[3] KORTÜM, G.: Reflexionsspektroskopie. Berlin-Heidelberg-New York, Springer Verlag, 1969.
[4] COLWELL, R. N.: Manual of remote sensing. Falls Church, The Sheridan Press, 1983.
[5] WO 96/34 258
[6] EP 0 837 313 A2
[7] EP 0 772 345 A2
[8] EP 08 37 318 A2
[9] EP 0 758 083 A2
[10] EP 0 818 675 A2.

Claims

1. Verfahren für die Erfassung von diffuser und specularer Reflexion undurchsichtiger Proben, gekennzeichnet dadurch, daß Strahlung in den Raum zwischen einer, aus mindestens zwei optoelektronischen Empfän gern bestehenden Empfängerebene und einer, aus mindestens einem abbildenden Element bestehenden und zur Empfängerebene parallelen Optikebene von der Empfängerebene aus - eingekoppelt wird, diese Einkoppelstrahlung das abbildende Element beaufschlagt und durch dringt, die Einkoppelstrahlung durch das abbildende Element parallelisiert wird und auf die Probe trifft, die von der Probe specular reflektierte Strahlung I_S und die diffus remittierte Strahlung I_D dasselbe abbildende Element entgegen der Einfallsrichtung der Einkoppelstrahlung durchdringen, die Strahlung I_S durch das abbildende Element auf einen der in der Empfän gerebene lokalisierten Empfänger gerichtet wird, die Strahlung I_D auf beide Empfänger trifft, so daß der eine Empfänger ausschließlich mit I_D und der andere Empfänger mit I_D und I_S beaufschlagt ist, sowie I_D und I_S über ein Gleichungssystem bestehend aus zwei Gleichungen separat ermittelt werden.

2. Vorrichtung für die Erfassung von diffuser und specularer Reflexion undurchsichtiger Proben mit Strahlungsquellen, optoelektronischen Empfängern, Lichtwellenleiter, Filter und Linse, gekennzeichnet dadurch,
daß ein Sensorkopf (1) mit Empfänger (4, 5), Filter (7) und Strahlungsquellen mit Licht wellenleitern (6), ein Tubus (2) mit Linse (8) sowie eine zu untersuchende Probe (3) nachein ander auf einer gemeinsamen Meßgeraden angeordnet sind,
im Sensorkopf (1) zwei optoelektronische Empfänger (4, 5) mit ihren Empfängerflächen in einer gemeinsamen Empfängerebene lokalisiert sind und sich dabei mit den Empfänger flächenmittelpunkten auf einer gemeinsamen und zur Meßgeraden senkrecht ausgerichteten Empfängergeraden befinden und die Meßgerade senkrecht auf der Empfängerebene steht, zwischen beiden Empfängern (4, 5) Endflächen (6a) von Lichtwellenleitern (6) angeordnet sind, wobei die Lichtwellenleiterendflächen in der Empfängerebene liegen und ein Filter (7) zur Unterdrückung von Umgebungslicht in unmittelbarer Nähe vor der Empfängerebene montiert ist,
der Tubus (2) mit der einen Stirnseite am Sensorkopf (1) montiert ist, die andere Stirnseite eine Linse (8) aufnimmt, so daß sich Empfängerebene und Optikebene mit Linse (8) im Innern des Tubus (2) gegenüberstehen, wobei die optische Achse (9) der Linse (8) senkrecht auf der Empfängerebene steht und die Empfängerebene in der Brennebene der Linse (8) lokalisiert ist, der Linse (8) die zu untersuchende Probe (3) vorgelagert ist, wobei Linse (8) und Probe (3) einen definierten Abstand aufweisen oder die Probe (3) mit der Linse (8) direkt kontaktiert ist, sowie die Probenoberfläche parallel zur Optikebene ausgerichtet ist,
wobei zur separaten Erfassung von diffuser Remission und specularer Reflexion die Licht wellenleiter (6) die Linse (8) und die Probe (3) mit Strahlung beaufschlagen, der eine Empfän ger mit specularer Reflexion plus diffuser Remission und der andere Empfänger ausschließlich mit diffuser Remission der Probe (3) beaufschlagt werden, wozu die optische Achse (9) der Linse (8) die Empfängergerade durchstößt und die Lichtwellenleiterendflächen (6a) außerhalb, entweder jenseits oder diesseits der optischen Achse (9) lokalisiert sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die im Tubus (2) lokalisierte Linse (8) eine Bikonvexlinse und der Tubus an einen Auf nahmeblock linsenseitig montierbar ist, der einen definierten und konstanten Abstand der Linse zur Probe realisiert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß im Fall einer flüssigen Probe zwischen Linse (8) und Probe (3) ein Schutzfenster an geordnet ist, das mit der Probe direkt kontaktiert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die im Tubus (2) lokalisierte Linse (8) eine Plankonvexlinse und der Tubus an einen Auf nahmeblock linsenseitig montierbar ist, der einen direkten Kontakt der Linse mit der Probe realisiert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Planseite der Plankonvexlinse direkt mit der Probe kontaktiert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß über die Lichtwellenleiter (6) Licht verschiedener Wellenlängen nacheinander die Probe (3) beaufschlagt oder anstelle der Lichtwellenleiterendflächen (6a) eine Strahlungsquelle angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß in der Optikebene keine Linse (8) angeordnet ist sowie Empfänger oder/und Strahlungs quelle mit einem Polarisationsfilter belegt sind oder nicht.