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Die Erfindung betrifft ein Spektralphotometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiges Spektralphotometer ist aus FR-PS 14 65 448 bekannt. Die Blitzlichtlampe ist hier innerhalb einer Photometerkugel angeordnet und beleuchtet die zu untersuchende Probe und eine Bezugsprobe (Remissionsstandard) mit pulsierendem Licht. Das aus der Photometerkugel austretende Licht gelangt durch ein Blendenrad auf einen Photodetektor. Die nacheinander von der Bezugsprobe und der zu untersuchenden Probe erzeugten Signale werden elektronisch ausgewertet und miteinander verglichen. Statt einer Remissionsmessung ist im Prinzip auch eine Transmissionsmessung möglich. Hierzu werden in den Strahlengang zwischen der Photometerkugel und dem Photodetektor eine Standardprobe und die zu untersuchende Probe eingebracht. Dazu sind umfangreiche Justierarbeiten erforderlich. Da außerdem nur ein einziger Photodetektor verwendet wird, kann eine gleichzeitige Ausmessung der Probe und des Bezugsnormals nicht erfolgen; d. h. es kann dabei nicht der gleiche Lichtimpuls zugrundegelegt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Spektralphotometer zu entwickeln, das sich relativ leicht von Remissions- auf Transmissionsmessungen umstellen läßt und bei dem in der betrieblichen Praxis keine Nacheichungen durch geschultes Personal erforderlich sind. Außerdem soll der zugrundeliegende Strahlengang eine relativ kompakte Konstruktion des Gerätes zulassen, damit es leicht transportiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Merkmalskombination gelöst:
- a) eine außerhalb der Photometerkugel angeordnete, gepulste Blitzlichtlampe;
- b) getrennte, von der Photometerkugel ausgehende Lichtwege mit separaten Photoempfängern für das Meß- und Vergleichslicht;
- c) zwei in den Meßlichtweg einsetzbare Module zur alternativen Messung der Remission der festen Probe oder der Transmission der in den Meßlichtweg eingebrachten flüssigen Probe.
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Zweckmäßig sind die beiden Module zu einem von Remission auf Transmission umstellbaren Doppelzweck-Modul zusammengefaßt.
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Vorzugsweise besitzt die Blitzlichtlampe eine Farbtemperatur von mindestens 5000°K und erzeugt einen Lichtimpuls mit einer Dauer von 1 bis 100 µs.
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Eine weitere Verbesserung besteht darin, daß bei der Transmissionsmessung die Probenöffnung für die Aufnahme einer festen Probe mittels eines Stopfens verschlossen ist, dessen innere Stirnfläche ein ähnlich hohes Remissionsvermögen besitzt wie die Innenfläche der Photometerkugel.
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Wird das Gerät zur Messung des Remissionsvermögens benutzt, so ist es insbesondere geeignet, die spektrale Remission analytischer Probenträger zu messen, z. B. von saugfähigen Trägern, die mit chemischen Reagenzmassen getränkt sind. Ferner ermöglicht es das Gerät, in einfacher Weise die spektrale Lichtdurchlässigkeit einer flüssigen, in einer Küvette befindlichen Probe zu messen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
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Fig. 1 eine partielle Seitenansicht des Spektralphotometers bei der Messung des Remissionsvermögens;
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Fig. 2 eine partielle Seitenansicht des Spektralphotometers bei der Messung des Transmissionsvermögens;
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Fig. 3 einen Teilschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die es ermöglicht, nach Bedarf das Remissionsvermögen oder die Lichtdurchlässigkeit zu messen;
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Fig. 4 und 5 Teilschnitte weiterer Ausführungsformen der Erfindung.
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Im einzelnen besteht das Spektralphotometer 10 auf einer Photometerkugel 13 zur gleichmäßigen Verteilung des Lichtes und einer Kammer 3, die dazu dient, einen Einschub 28 aufzunehmen, in den ein optisches Filter 25 eingebaut ist. Außerhalb der Photometerkugel 13 ist die Blitzlichtquelle 12 angeordnet. Das Gehäuse 2 weist an einer entsprechenden Stelle eine Öffnung 4 auf, durch die das Licht von der Lichtquelle in die Photometerkugel 13 gelangen kann.
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Der Blitzlichtquelle 12 wird elektrische Energie über nicht dargestellte Leitungen zugeführt. Sie erzeugt weißes Licht mit abgestimmten Farbtemperaturen oder Spektraleigenschaften, wie sie für einen schwarzen Körper typisch sind, der sich auf einer Temperatur von 20 000°K befindet. Zumindest soll aber eine Farbtemperatur von 5000°K erreicht werden. Die Impulsdauer der Lichtquelle liegt zwischen etwa 1 und 100 µs. In besonderen Fällen kann jedoch auch mit einer kürzeren oder längeren Impulsdauer gearbeitet werden.
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Die Photometerkugel 13 hat die Aufgabe, das Licht der Blitzlichtquelle 12 gleichmäßig zu verteilen. Die Innenfläche der Photometerkugel 13 soll eine hohe Remission aufweisen, z. B. durch Beschichtung mit Magnesiumoxid, Bariumsulfat oder Polytetrafluorethylenharz. Die Größe der Photometerkugel ist nicht von ausschlaggebender Bedeutung. Es hat sich als ausreichend erwiesen, eine Photometerkugel zu verwenden, die nicht größer ist als ein Tischtennisball.
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Das Gehäuse 2 weist ferner eine Einrichtung zum Positionieren einer Probe an einer Probenaufnahmestation auf. Die Einrichtung besteht aus einer Öffnung 14, der aus dem Innenraum der Photometerkugel 13 Licht zugeführt werden kann, um die Probe 15 zu beleuchten, die nur über eine kleine Strecke in die Photometerkugel 13 hineinragen soll. Die aus Fig. 1 ersichtliche Spektralphotometer- Anordnung ist insbesondere dazu geeignet, das Remissionsvermögen von Proben zu messen, die aus einem Reagenzstreifen bestehen, der vorher in eine zu untersuchende Flüssigkeit eingetaucht wurde und dessen Verfärbung beurteilt werden soll.
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Wird die Vorrichtung 10 benutzt, um das Farbremissionsvermögen einer Probenfläche zu ermitteln, die z. B. aus einem relativ dünnen Blutglucose-Teststreifen gemäß US-PS 32 98 789 besteht, so wird der Teststreifen gegenüber der Öffnung 14so angeordnet, daß die die Probe tragende Fläche 15 in der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise nach oben gerichtet ist. Der erwähnte Teststreifen weist z. B. verschiedene Farbremissionswerte auf, die unterschiedlichen Werten des Glucosegehalts des Blutes entsprechen und mit Hilfe des erfindungsgemäßen Spektralphotometers ziemlich genau gemessen werden können.
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Das Gehäuse 2 und der Einschub 28 sind mit Durchlässen versehen, durch die voneinander getrennte Lichtübertragungswege 17 und 18 abgegrenzt werden, welche sich von der Photometerkugel 13 aus zu voneinander getrennten Photodetektoren 20 und 21 erstrecken, die in das Gehäuse 2 eingebaut und gegenüber der Kammer 3 angeordnet sind. Der Lichtübertragungsweg 17 verläuft im wesentlichen tangential von einer Seite der Photometerkugel 13 aus und führt Licht aus der Photometerkugel 13 zu dem Vergleichsphotodetektor 20. Der Lichtübertragungsweg 18 erstreckt sich dagegen von der Probe 15 aus in diametraler Richtung durch die Photometerkugel 13 und dient dazu, das von der Probe remittierte Licht auf direktem Wege zu dem Photodetektor 21 zu führen.
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Der Lichtweg 17 wird durch gleichachsige, zylindrische Kanäle 5 und 6 in dem Gehäuse 2 bzw. in dem Einschub 28 gebildet, während der Lichtweg 18 durch ein kegelstumpfförmiges Rohr 7 und einen gleichachsig dazu angeordneten, zylindrischen Kanal 8 im Einschub 28 gebildet wird. Das Rohr 7 wird in einer kugelstumpfförmigen Bohrung 9 gehaltert, die gleichachsig mit dem Kanal 8 angeordnet ist und eine Verbindung zwischen der Kammer 3 und der Photometerkugel 13 herstellt. Gemäß Fig. 1 und 2 ist das Rohr 7 mit in axialer Richtung voneinander getrennten, nach innen ragenden, ringförmigen Flanschen oder Lichtabschirmungen 22 und 23 versehen, die gleichachsig angeordnete, runde Öffnungen aufweisen, deren Durchmesser annähernd gleich dem Durchmesser der Öffnung am unteren Ende des Rohres 7 ist. Diese Maßnahme trägt dazu bei, das hindurchfallende Licht parallel auszurichten.
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Anstelle des kegelstumpfförmigen Rohres 7 gemäß Fig. 1 und 2 könnte man natürlich auch ein Rohr von anderer Gestalt verwenden. Die Wandflächen der Kanäle 5, 6 und 8 sowie die Innenflächen des Rohres 7 sind vorzugsweise mit einem matt-schwarzen Anstrich oder Überzug versehen, damit sie Streulicht bzw. nicht parallel gerichtete Lichtstrahlen absorbieren. Das Gehäuse 2, der Einschub 28 und das Rohr 7 können aus einem beliebigen geeigneten Material, wie z. B. Metall oder Kunststoff, hergestellt sein. Beispielsweise kann man das Rohr 7 als Formteil aus weißem Kunststoff oder Metall herstellen und es auf der Innenseite mit einem matt-schwarzen Anstrich oder Überzug versehen.
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Durch Vergleich der von den Photodetektoren 20 und 21 erzeugten elektrischen Signale (siehe Fig. 1 oder Fig. 3) kann man die Intensität des von der Probe 15 remittierten Lichtes bei der durch das Filter 25 festgelegten Wellenlänge genau ermitteln. Sodann kann man diesen Wert mit einem Wert vergleichen, der mit Hilfe eines Remissionsnormals (Weißstandard) bestimmt worden ist, um das prozentuale Remissionsvermögen der Probe zu erhalten.
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In manchen Anwendungsfällen ist es erwünscht, die Vorrichtung so auszugestalten, daß das zum Bezugsphotodetektor 20 gelangende Licht nicht durch ein Filter geleitet wird; d. h. daß in diesem Fall im Lichtweg 17 kein Filter angeordnet ist. Hierbei kann der Photodetektor 20 die gesamte Lichtmenge messen, die für die zu untersuchende Probe zur Verfügung steht. Durch Auswahl eines geeigneten Filters, das im Lichtweg 18 angeordnet wird, und durch Messung der von der Probe abgegebenen Lichtmenge ist es möglich, zwischen den Ausgangssignalen der beiden Photodetektoren ein solches Verhältnis einzustellen, daß sich das gewünschte Ergebnis erzielen läßt.
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Das Spektralphotometer 10 nach Fig. 1 kann gemäß Fig. 2 auch dazu benutzt werden, um die Lichtdurchlässigkeit zu messen. Zu diesem Zweck ist das Gehäuse 2 mit zylindrischen Kanälen 27, 30 und 31 versehen. Der Kanal 27 mündet in radialer Richtung in die Photometerkugel 13, während der Kanal 31 an einer Seitenwand in die Kammer 29 mündet. Gemäß Fig. 2 sind an den Schnittpunkten der Kanäle 27 und 30 sowie der Kanäle 30 und 31 Spiegel 35 und 36 angeordnet, die zusammen mit den Kanälen einen im wesentlichen U-förmigen Teil eines Lichtübertragungswegs 32 bilden. Gemäß Fig. 2 durchsetzt der Kanal 31 eine Aussparung 34, in der sich eine Küvette 33 befindet, so daß an einer zweiten Probenstation eine Probe eingesetzt werden kann.
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Soll die Vorrichtung 10 dazu benutzt werden, um die Lichtdurchlässigkeit zu messen, ersetzt man den Einschub 28 gemäß Fig. 1 durch den Einschub 29 gemäß Fig. 2. Der Einschub 29 weist einen zylindrischen Kanal 6 a auf, der sich gleichachsig mit dem Kanal 5 anordnen läßt. Dabei treten anstelle des Kanals 8 des Einschubs 28 bei dem Einschub 29 die zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden, miteinander verbundenen Kanäle 38 und 47 , an deren Kreuzungspunkt ein Spiegel 37 angeordnet ist, um das sich längs des Weges 32 fortpflanzende Licht dem Photodetektor 21 zuzuführen. Wird der Einschub 29 benutzt, so kann kein Licht von der Photometerkugel 13 aus, längs des Weges 18, zu dem Photodetektor 21 gelangen.
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Die Spiegel 35, 36 und 37 reflektieren an ihren Außenflächen. Die Wände der Kanäle 47, 38, 31, 30 und 27 sind mit einem matt-schwarzen Anstrich oder Überzug versehen.
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Die Küvette 33 kann aus einem beliebigen geeigneten Material, wie Glas, Quarz oder Kunststoff, z. B. einem Acrylharz, bestehen, welches das sich längs des Weges 32 fortpflanzende Licht nur in einem minimalen Ausmaß zurückhält. Die Küvette dient zum Aufnahmen einer Probe 39 eines Mediums, dessen Lichtdurchlässigkeit gemessen werden soll. Wird das Spektralphotometer 10 zur Messung der Lichtdurchlässigkeit benutzt, so wird die Probenöffnung 14 mittels eines Stopfens 40 verschlossen, dessen innere Stirnfläche 41 ein ähnlich hohes Remissionsvermögen besitzt wie die Photometerkugel 13.
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Bei der Benutzung des Spektralphotometers 10 nach Fig. 2 zur Messung der Lichtdurchlässigkeit pflanzt sich Licht von der Photometerkugel 13 aus, längs des Weges 17, zu dem Photodetektor 20 und längs des Weges 32 zu dem Photodetektor 21 fort. Längs des Weges 32 durchläuft das Licht die Küvette 33 und die Probe 39. Das zu dem Photodetektor 21 gelangende Licht wird mit dem zu dem Vergleichsphotodetektor 20 gelangenden Licht verglichen. Durch Vergleichen des Verhältnisses zwischen den Ausgangssignalen der Photodetektoren 20 und 21 mit einem Wert, der sich ergibt, wenn die Küvette 33 destilliertes Wasser enthält, kann man die prozentuale Lichtdurchlässigkeit ermitteln.
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Anstelle der beiden Einschübe 28 und 29 kann man auch einen (nicht dargestellten) Doppelzweck-Einschub benutzen, der so ausgebildet ist, daß seine Querschnittsform in der senkrechten Ebene von Fig. 1 und Fig. 2 die gleiche ist wie bei dem dargestellten Einschub 28, wenn die eine Gebrauchsstellung vorgesehen ist, und daß bei der Umrüstung in die andere Gebrauchsstellung, z. B. durch Drehen oder andere Weise, die dem Einschub 29 in Fig. 2 entsprechende Querschnittskonfiguration hergestellt wird. Damit ist es zur Umstellung des Spektralphotometers vom Remissionsmodus in den Transmissionsmodus nur erforderlich, den Doppelzweck-Einschub aus der einen Gebrauchsstellung in die andere zu überführen, statt den Einschub 28 in der beschriebenen Weise durch den Einschub 29 zu ersetzen.
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Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform. Das Spektralphotometer 10 a nach Fig. 3 ähnelt dem Spektralphotometer 10 nach Fig. 1 und 2, abgesehen davon, daß sich das Licht sowohl beim Messen der Remission als auch beim Messen der Transmission längs der gleichen Wege 17 a und 18 a fortpflanzt. Fig. 3 veranschaulicht die Messung der Transmission einer Probe 39 a in einer Küvette 33 a, welche in einer Vertiefung 34 a angeordnet ist, die von dem Lichtweg 18 a durchsetzt wird. Soll die Remission gemessen werden, wird die Küvette 33 a aus der Vertiefung 34 a entfernt, und der Stopfen 40 a wird durch eine nicht dargestellte, diffus reflektierende Probe ersetzt. Die Signale der Photodetektoren 20 a und 21 a können von Anzeigegeräten 51 und 52 abgelesen werden, denen die Ausgangssignale über Verstärker 42 a und 43 a sowie Spitzendetektor- und Halteschaltungen 44 a und 45 a zugeführt werden. Der Lichtübertragungsweg 18 a verläuft nicht wie bei der Anordnung nach Fig. 1 durch ein kegelstumpfförmiges Rohr 7, sondern durch ein zylindrisches Rohr 47. Anstelle des einzigen Filters gemäß Fig. 1 sind getrennte Filter 48 und 49 vorhanden, die in den Lichtweg 17 a bzw. 18 a eingeschaltet sind.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Das Gehäuse 2 b der Vorrichtung 10 b ist mit einer kugelförmigen Kammer 58 versehen, von dem zylindrische Kanäle 5 b und 66 in radialen Richtungen ausgehen. Der Kanal 66 endet an einer Öffnung 14 b zum Aufnehmen einer Probe. Ein zylindrischer Kanal 68 erstreckt sich von dieser Öffnung zu einem Kanal 67, der parallel zu dem Kanal 5 b verläuft. An der Verbindungsstelle zwischen den Kanälen 68 und 67 ist ein Spiegel 70 mit einer reflektierenden Außenfläche angeordnet. Die Lichtquelle 12 b ist in der Kammer 58 so angeordnet, daß in der Kammer nicht die hohen Anforderungen an die gleichmäßige Lichtverteilung wie bei den der Photometerkugeln 13 und 13 a nach Fig. 1 bis 3 erfüllt zu werden brauchen. Bei der Anordnung nach Fig. 4 wird eine Streuung des Lichtes durch Diffusorelemente 60 und 61 herbeigeführt, die nahe der Kammer 58 in den Kanälen 5 b und 66 angeordnet sind, aus mattiertem Glas, Zelluloseacetat oder dergleichen bestehen können und dazu dienen, das von der Lichtquelle 12 b aus in die Kanäle 5 b und 66 eintretende Licht zu streuen. Die Wände der Kanäle 5 b, 66, 68 und 67 sind mit einem matt-schwarzen Anstrich versehen, so daß sie das Streulicht absorbieren, das von den Diffusorelementen 60 und 61 aus in die Kanäle eintritt. Ebenso wie bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 bis 3 bewirkt die Streuung des Lichtes der Lichtquelle und die Absorption des Streulichtes in den Lichtübertragungskanälen eine Verringerung der Intensität des von der Lichtquelle durch die Kanäle fallenden Lichtes, da sich längs der Achsen der Kanäle im wesentlichen nur parallel gerichtete Strahlen fortpflanzen können.
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Beim Gebrauch des Spektralphotometers 10 b nach Fig. 4 wird ein Teststreifen 15 b über der Öffnung 14 b angeordnet, so daß das Licht der Lichtquelle 12 b auf die Probe fällt, nachdem es das Diffusorelement 61 durchlaufen hat. Das von der Probe remittierte Licht pflanzt sich längs des Weges 18 b in den Kanälen 68 und 67 fort, um nach dem Passieren des Filters 25 b zu dem Photodetektor 21 b zu gelangen. Außerdem gelangt Licht von der Lichtquelle 12 b aus durch das Diffusorelement 60, längs des Lichtweges 17 b und über das Filter 25 b zu dem Photodetektor 20. Man erhält den Wert des Remissionsvermögens der Probe, indem man das vom Detektor 21 b erfaßte Licht mit dem vom Detektor 20 b erfaßten Licht vergleicht, wie es weiter oben beschrieben ist.
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Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Das Gehäuse 2 c des Spektralphotometers 10 c gemäß Fig. 5 ist mit einer Kammer bzw. einem parabolischen, reflektierenden Lichtquellen-Gehäuse 59 versehen, in dem eine Lichtquelle 12 c angeordnet ist. Parallele, zylindrische Kanäle 5 c und 47 c verlaufen parallel zur Richtung der Lichtstrahlen, die durch die Lichtquelle 12 c erzeugt und durch die parabolische Innenfläche der Kammer 59 zurückgeworfen werden. Die Kanäle sind gleichachsig mit zugehörigen Photodetektoren 20 c und 21 c versehen. Das Licht der Lichtquelle 12 c wird ihnen über ein einziges Diffusorelement 62 zugeführt. Der Kanal 47 c durchsetzt eine Küvette oder Probenzelle 33 c, die in einer dazu passenden Öffnung 34 c des Gehäuses 2 c angeordnet ist. Die Küvette dient zum Aufnehmen eines die Probe bildenden Mediums 39 c, dessen Lichtdurchlässigkeit gemessen werden soll.
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Bei Verwendung der Vorrichtung gemäß Fig. 5 tritt das Licht der Lichtquelle 12 c in die Kanäle 5 c und 47 c ein, nachdem es das Diffusorelement 62 durchlaufen hat. Es pflanzt sich dann längs der Wege 17 c und 32 c in Richtung auf die Lichtdetektoren 20 c und 21 fort, wobei das Licht längs des Weges 32 c auch durch die Probe 39 c geleitet wird. Um den Wert der Lichtdurchlässigkeit der Probe 39 c zu erhalten, vergleicht man das vom Photodetektor 21 c erfaßte Licht mit dem vom Photodetektor 20 c erfaßten Licht in der oben beschriebenen Weise. Ebenso wie bei der Ausführungsform nach Fig. 4 bewirkt das Diffusorelement 62 in Verbindung mit dem schwarzen Anstrich der Wände der Kanäle 5 c und 47 c, daß von der Lichtquelle 12 c aus im wesentlichen nur parallel gerichtetes Licht in Richtung der Achsen der Kanäle zu den Photodetektoren gelangen kann.