DE2652028A1

DE2652028A1 - Optische diffusionseinrichtung

Info

Publication number: DE2652028A1
Application number: DE19762652028
Authority: DE
Inventors: Byron Earl Marcus
Original assignee: Baxter Travenol Laboratories Inc
Current assignee: Baxter International Inc
Priority date: 1975-12-23
Filing date: 1976-11-15
Publication date: 1977-07-07
Also published as: IL50870A0; FR2336691A1; IT1124787B; SE7614466L; NO764347L; CA1050795A; GB1554891A; JPS5280884A; NL7614354A

Description

Optische Diffusionseinrichtung

Bei Photometereinrichtungen mit Photomultiplier-Röhren und insbesondere bei den optischen Systemen von Spektrophotometern,bei denen eine Photomultiplier-Röhre eingesetzt wird, die wechselweise oder zu verschiedenen Zeiten mit Licht aus beabstandetem Strahlenbündel! beaufschlagt wird, die durch ein Bezugsmaterial bzw. die zu untersuchende Probe hindurchgeführt sind oder aus diesen austreten, muß die unterschiedliche Empfindlichkeit der Kathode berücksichtigt werden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Einrichtung zu schaffen, die die Auswirkungen der nicht gleichförmigen Lichtempfindlichkeit über die Arbeitsfläche der Kathode eines Photomultipliers in einem Photometer eliminiert, bei dem beabstandete Strahlenbündel abwechselnd oder zu verschiedenen Zeiten die Kathode beleuchten.

Diese Aufgabe wird durch eine optische Diffusionseinrichtung gelöst, wie sie im vorstehenden Anspruch 1 beschrieben ist.

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Eine solche Einrichtung kann vorzugsweise in dem optischen System eines Spektrophotometers eingesetzt werden, bei dem auf die Photomultiplier-Röhre physikalisch getrennte Strahlungsbündel von einem Bezugsmaterial und einem Probenmaterial entweder alternativ oder zu verschiedenen Zeiten auftreffen; die Diffusionseinrichtung eliminiert die Effekte der Ungleichförmigkeit der Lichtempfindlichkeit der verschiedenen Bereiche der Kathode der Photomultiplierröhre, indem sie die Strahlen der beabstandeten Strahlungsbündel in einer Weise diffundiert derart, daß eine im wesentlichen gleichförmige Diffusion der Strahlen gegeben ist, wenn diese die Kathode erreichen. Damit wird erreicht, daß die Strahlen der einfallenden Strahlungsbündel die gleiche Arbeitsfläche der Kathode beleuchten und nicht voneinander unterschiedene und getrennte lokalisierte Bereiche. Wenn nur ein Bezugsmaterial und ein Probenmaterial vorhanden sind, fallen zwei Strahlungsbündel auf die optische Diffusionseinrichtung auf.

Mit der optischen Diffusionseinrichtung ist es auch möglich, die Auswirkungen der nicht gleichmäßigen Intensitätsempfindlichkeit und Farbempfindlichkeit der Photomultiplierröhre eines Mehrfachstrahlspektrophotometers oder eines ähnlichen Photometers zu eliminieren, bei dem beabstandete Tastbündel entweder alternativ oder zu verschiedenen Zeiten auf die Photomultiplierröhre zulaufen. Auch hier belichtet die optische Diffusionseinrichtung die Arbeitsfläche der Photomultiplierröhre für jedes Strahlungsbündel gleichmäßig, so daß es nicht erforderlich ist, Kompensationsmaßnahmen für Fehler zu ergreifen,

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die sonst durch die nichtgleichförmige Lichtempfindlichkeit an

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verschxedenen begrenzten Bereich, der Arbeitsfläche der Kathode

gegeben wären.

Mit der erfindungsgemäßen optischen Diffusionseinrichtung ist aber auch eine Einrichtung gegeben, die beabstandete, relativ begrenzte, zeitlich getrennte Meß- und Bezugsstrahlungsbündel, die in einem Spektrophotometer mit geteilten Strahlungsbündeln oder mit ähnlichen Mehrfachstrahlungsbündeln auf die Photomultiplier-Röhre auffallen, in eine Quelle gleichmäßig diffusen Lichtes umwandelt, die die Arbeitsfläche der Kathode der Photomultiplierröhre gleichmäßig und in Phase mit den beabstandeten und zeitlich getrennten Strahlungsbündeln beleuchtet. Auf diese Weise werden Fehler infolge der Unterschiede in der Intensitätsempfindlichkeit und der Farbempfindlichkeit über die Arbeitsfläche der Kathode vermieden. Die Diffusionseinrichtung ist sehr einfach im Aufbau und kann leicht installiert werden. Darüber hinaus zeigt die optische Diffusionseinrichtung ein stabiles Betriebsverhalten und es tritt nur ein minimaler Verlust an Licht durch Absorption auf. Schließlich ist die Diffusionseinrichtung hinsichtlich ihrer Fähigkeit, verschiedene Wellenlängen zu verarbeiten, nicht beschränkt.

Weitere Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen optischen Diffusionseinrichtung.

Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Figuren näher

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beschrieben werden. Es zeigt:

Figur 1 ein Diagramm eines Spektrophotometers mit geteiltem Strahlungsbündel, bei dem eine erfindungsgemäße Diffusionseinrichtung eingesetzt ist, um die Auswirkungen der nicht gleichförmigen Empfindlichkeit der Kathodenoberfläche der zugeordneten Photomultiplier-Röhre zu kompensieren;

Figur 2 einen Längsschnitt durch die Diffusionseinrichtung gemäß Figur 1 zur schematischen Darstellung der Art und Weise, in der die einfallenden und voneinander getrennten Meß- und Bezugsstrahlungsbündel diffundiert werden und die daraus resultierenden Strahlen in Lichtfelder umgewandelt werden, bei denen der Lichtfluß gleichmäßig auf der Kathode der zugeordneten Photomultiplier-Röhre verteilt ist,und

Figur 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 in Figur 2.

Die Diffusionseinrichtung 50 weist typischerweise eine Diffusions· platte 57 auf, auf die die Strahlungsbündel auftreffen, und eine Lichtstrahlenführung 51, die so angeordnet ist, daß die auf Abstand angeordneten einfallenden Strahlungsbündel zunächst durch die Diffusionsplatte 57 hindurchtreten und von ihr diffundiert werden, so daß die aus der Diffusionsplatte austretenden Strahlen eine unbegrenzte Anzahl von Austrittswinkeln mit der Platte 57 bilden. Die aus der Diffusionsplatte 57 austretenden Strahlen

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fallen auf die stark reflektierenden Innenwandungen der Lichtstrahlenführung 51 auf und werden dort reflektiert. Es schließen sich so viele innere Reflektionen an, daß die Strahlung homogen längs der Lichtstrahlenführung 51 geführt wird und somit aus ihr als im wesentlichen gleichförmiges Beleuchtungsfeld austritt. Durch dieses Beleuchtungslichtfeld wird eine dem Austrittsende der Lichtstrahlführung zugeordnete Fläche gleichmäßig beleuchtet. Unabhängig von der Anzahl der am Eintrittsende der Diffusionseinrichtung 50 auf die Diffusionsplatte 57 auffallenden Strahlungsbündel und unabhängig von deren Eintrittswinkel wird jedes der Strahlungsbündel homogen durch die Lichtstrahlführung 51 diffundiert und jedes Strahlungsbündel beleuchtet die gleiche Fläche, die von dem Austrittsende der Lichtstrahlführung überdeckt wird, gleichmäßig.

Diese Anordnung wird für die gleichmäßige Diffusion der Strahlung von beabstandetem Lichtstrahlungsbünde]/? und für die Zufuhr von diffusen Strahlen auf die lichtempfindliche Kathode einer in einem Spektrophotometer eingesetzten Photomultiplier-Röhre benutzt.

Ein Lichtdetektor, wie z.B. eine Photomultiplier-Röhre, besitzt eine lichtempfindliche Fläche, die normalerweise als "Photokathode" bezeichnet wird. Der Bereich einer solchen Photokathode ist gegenüber der auffallenden Lichtintensität oder der Wellenlänge des auffallenden Lichtes (Farbe) nicht in gleicher Weise empfindlich.Ein Teilbereich einer sctrhen Kathode kann gegenüber allen Wellenlängen des einfallenden Lichtes empfindlicher sein als ein anderer Teilbereich. Auch kann ein Teilbereich der Photo-

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kathode gegenüber einer bestimmten Wellenlänge des einfallenden Lichtes eine höhere Empfindlichkeit aufweisen als gegenüber einer anderen Wellenlänge des einfallenden Lichtes.

Ein Lichtstrahlungsbündel bestimmter Intensität und bestimmter Wellenlänge, das auf einen Teilbereich der Kathode auffällt, löst in der Photomultiplier-Röhre einen Photostrom aus, der sich gegenüber dem Photostrom deutlich unterscheidet, der von demselben Strahluhgsbündel bei Auftreffen auf einen anderen Teilbereich der Photokathode ausgelöst würde.

Wenn bisher eine Photomultiplier-Röhre für den Vergleich von zwei oder mehreren Strahlungsbündeln eingesetzt wurde, wie z.B. in einem Mehrfachstrahlspektrophotometer, war es bisher üblich und notwendig,die durch die nicht gleichförmige Lichtempfindlichkeit der Kathode der Photomultiplierröhre hervorgerufenen Fehler zu kompensieren. Diese Kompensation wurde durchgeführt, indem auf die in Frage kommenden Kathodenbereiche Lichtstrahlungsbündel gelenkt wurden, die identisch oder in bekannter Weise unterschiedlich waren, um auf diese Weise einen Standardwert oder eine Grundlinie zu bestimmen. Die bekannten Fehler wurden dann elektrisch kompensiert, wobei eine "Grundlinienkorrektur" durchgeführt wurde.

Die vorliegende Erfindung schafft nun eine Strahlungsbündeldiffusionseinrichtung, die im Strahlengang direkt vor die Kathode einer Photomultiplier-Röhre eingebracht werden kann, so daß die Strahlen aller auf die Einrichtung auffallenden Lichtstrahlungs-

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bündel, die in die Diffusionseinrichtung eintreten und ihr homogen diffundiert werden, bei Verlassen der Diffusionseinrichtung die von der Austrittsöffnung der Diffusionseinrichtung abgedeckte Fläche der Kathode in gleichförmiger Weise beleuchten. Da alle homogen verteilten Strahlen aus den einfallenden Strahlungsbündeln die gleiche Fläche der Kathode beleuchten, müssen keine Maßnahmen zur Kompensation hinsichtlich unterschiedlicher Empfindlichkeiten an unterschiedlichen Bereichen der Kathode ergriffen werden. Eine "Grundlinienkorrektur" ist daher nicht erforderlich.

In der Figur 1 ist schematisch ein typisches Spektrophotometer dargestellt, wie es z.B. in der US-PS 3 787 121 im einzelnen beschrieben ist. Wenn das Spektrophotometer mit Strahlteilung arbeitet, erzeugt es ein Meßstrahlungsbündel 24 und ein Bezugsstrahlungsbündel 25, die durch die Chopper-Scheibe 28 in zeitmultiplexer Weise erzeugt werden, wenn die genutete Scheibe 28 gedreht wird. Das Meßstrahlungsbündel 24 läuft durch das Probenmaterial in einer Probenzelle 3 0 und das Bezugsstrahlungsbündel durchsetzt eine Bezugszelle 33, die von der Probenzelle 30 einen Abstand aufweist und das Bezugsmaterial enthält. Durch die reflektierende Oberfläche der Chopper-Scheibe 28 und durch einen festen Spiegel 32 werden die Strahlungsbündel 24 und 2 5 durch die zugeordneten Zellen 30 bzw. 33 hindurch auf eine Photomultiplierröhre 31 gelenkt. Im Strahlungsgang zwischen den

^r Zellen 3 0 und 33 und der Photomultiplierröhre 31 ist die Diffu-ι sionseinrichtung 50 angeordnet.

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Wie aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich ist, gehört zu der Diffusionseinrichtung 50 ein opaker Hauptblock 51 von U-förmigem Querschnitt (vergleiche Figur 3). Der Kanal im Hauptblock 51 ist durch eine opake und sich in Längsrichtung erstreckende

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Deckplatte abgedeckt, die an den Ü-Schenkeln befestigt ist der-

-- art, daß eine sich in Längsrichtung erstreckende Lichtführung von im wesentlichen quadratischem Querschnitt definiert ist, > die sich über eine wesentliche Länge erstreckt. Auf die Innenflächen des Hauptblocks 51 sind Planspiegel 53,54 und 55 geklebt. Auf die freibleibende Innenfläche der Deckplatte 52 ist in gleicher Weise ein Planspiegel 56 aufgeklebt. Die: Spiegel 53 56 überdecken die gesamte Innenflächen der von dem Hauptblock 51 und der Deckplatte 52 gebildeten Lichtführung.

Auf das Eintrittsende des Hauptblockes 51 (d.h. das rechte Ende in Figur 2) ist die Diffusionsplatte 57 aus einem geschliffenen Glas oder einem anderen geeigneten lichtdurchlässigen und lichtdiffundierenden Material geklebt. Die Diffusionsplatte deckt den gesamten Eintrittsbereich der Lichtführung ab.

Die Abmaße des Querschnittes der Lichtführung sind so groß gewählt, daß der Hauptteil der Kathode 58 der Photomultiplierröhre '. überdeckt wird (vergleiche Figur 2) .

Die Diffusionseinrichtung 50 wird so montiert, daß das Ausj trittsende der Diffusionsführung nahe der Kathode 58 liegt und ', auf diese ausgerichtet ist; auf diese Weise werden die auf die

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Diffusionsplatte 57 auffallenden Strahlungsbündel, nämlich das Meßstrahlungsbündel 24 und das Bezugsstrahlungsbündel 25 diffun diert und die dabei entstehenden Strahlen in die Diffusionsführung unter einer unbeschränkten Anzahl von Winkeln, hineingelenkt. Die Strahlen werden im Inneren der Führung durch die Spiegel 53 bis 56 reflektiert, wobei die Zahl dieser inneren Mehrfachreflektionen sehr groß ist; auf diese Weise sind am Austrittsende der Lichtführung die Strahlen im wesentlichen gleichförmig über die Querschnittsfläche der Führung verteilt. Auf diese Weise werden die Strahlen eines jeden der beiden Strahlungsbündel 24 und 25 in ein zugeordnetes gleichförmiges Beleuchtungsfeld umgewandelt, das auf die Photokathode 58 auftrifft.

Typischerweise ist die Lichtführung 50 angenähert 3,5" lang und weist angenähert einen Querschnitt von 1,3 χ 1,3 " auf.

Die Lichtführung braucht aber nicht unbedingt einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufzuweisen; vielmehr sind andere Querschnittsformen möglich. Z.B. kann der Querschnitt ein kreisförmiger sein, so daß die Führung einfach von einem innen verspiegelten Rohr aufgebaut werden kann. Auch kann ein Quarzzylinder mit einem Überzug eingesetzt werden, der eine nach innen gerichtete spiegelnde Fläche besitzt; vergleichbar einem Lichtleiter mit einer nach innen gewandten spiegelnden Schicht. Auch können mehrere sich quer zum Strahlengang erstreckende Diffusionsplatten 57 eingesetzt werden, die längs

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der Lichtführung mit Abstand voneinander angeordnet sind.

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Claims

Patentansprüche

1. Optische Diffusionseinrichtung, gekennzeichnet durch eine längliche Lichtstrahlen einschließende "Führung (51,52) mit einem Eintrittsende und einem Austrittsende, wenigstens ein lichtdurchlässiges Diffusionselement (57) das das Eintrittsende der Lichtführung (51,52) abdeckt und durch das auf ihm auffallende Strahlungsbündel (24,25) derart gestreut werden, daß die Strahlen der Strahlungsbündel in die Lichtführung (51,52) unter einer großen Anzahl verschiedener Winkel eintreten, und

durch nach innen gewandte Spiegelflächen, die sich längs der Führung erstrecken und innere Reflektionen der Strahlen längs der Führung (51,52) hervorrufen und somit die Strahlen der einzelnen Lichtstrahlungsbündel (24,25) zu einem im wesentlichen gleichförmigen Beleuchtungsfeld am Austrittsende der Führung kombinieren.

2. Diffusionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelflächen von einer nach innen gewandten Spiegelauskleidung (53,54,55,56) gebildet sind, die an der lichtbegrenzenden Oberfläche der länglichen Lichtführung (51,52) befestigt sind und diese völlig abdecken.

3. Diffusionseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- j zeichnet, daß die Lichtführung ein opaker rohrartiger Körper (51,52) ist und auf der Innenfläche des rohrartigen Körpers die Spiegelauskleidung angebracht ist.

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ORIGINAL INSPECTED

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4. Diffusionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsformgebung der Lichtführung (51,52) polygonal ist und die Innenflächen der Lichtführung mit Planspiegeln (53,54,56) ausgekleidet sind.

5. Diffusionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Diffusionselement eine lichtdurchlässige Diffusionsplatte (57) ist, die an dem Eintrittsende der Lichtführung (51,52) angeordnet ist und deren Eintrittsende abdeckt,

6. Photometer mit einer die Photokathode besitzenden Photomultiplier-Röhre, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Photokathode (58) der Photomultiplierröhre (31) das Austrittsende einer optischen Diffusionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 angeordnet ist.

7. Photometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß optische Elemente (28,32) vorgesehen sind, um physikalisch auf Abstand gehaltene und zeitmultiplexe optische Strahlungsbündel auf das Diffusionselement (57) der Diffusionseinrichtung

(50) zu lenken.

8. Photometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das \

Photometer ein Spektrophotometer mit Strahlteilung ist, bei j

j dem auf Abstand gehaltene zeitmultiplexe optische Meß- und j Bezugsstrahlbündel (24,25) erzeugt werden, und die beab- ' standeten Strahlungsbündel auf die Photokathode (58) gelenkt |

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werden und daß in den Strahlungsgängen des Meßstrahlbündels (24) und des Bezugsstrahlbündels (25) eine Probezelle (24) bzw. eine Bezugszelle (25) angeordnet sind.

9. Photometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Meßstrahlungsbündel und Bezugsstrahlungsbündel (24,25) im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und daß die optische Diffusionseinrichtung (50) zwischen der Probenzelle (30) und der Bezugszelle (33) einerseits und der Photomultiplierröhre (31) andererseits unter Ausfluchtung auf Meßstrahlungsbündel und BezugsStrahlungsbündel angeordnet ist.

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