-
OPTISCHES SYSTEM MIT MEHRFACHER REFLEXION
-
Die vorliegende BrSindung bezieht sich auf den optischen Gerätebau
und betrifft insbesondere optische Systeme mehrfacher Reflexion.
-
Die vorliegende Erfindung kann am vorteilhafsten in der Infrarot-Spektralphotometrie
angewandt werden. Darüber hinaus kann die Erfindung boi optischen Gasanalysatoren,
wie sie zur schnellen Analyse komplizierter Gasgemische eingesetzt werden, ihre
Anwendung finden, insbesondere zur quantitativen Bestimmung der Luftverschmutæung,
die im Zusammenhang mit dem aktuell gewordenene Problem des Umweltschutzes besonders
an Bedeutung gewonnen hat.
-
Es ist zur Zeit bekannt, die li;mpfindlichkeit der auf dem Absorbtionsprinzip
beruhenden Meßverfahren in der Sektral£jhotometrie dadurch zu erhöhen, daß man die
Strahlung mehrfach durch die absorbierende Schicht mit geringsten Verlusten überträgt.
Hierzu verwendet man veischiedene Spiegelkombinationen, die den von einer Lichtquelle
erzeugten Lichtstrom durch das absorbierende Medium mit geringsten Verlusten leiten.
Der Anwendungsbereich der Spiegelsysteme mit mehrfacher Reflexion ist außerordentlich.
weit und erstreckt sich von einmaligen Hochtemperatut-Meßeinrichtungen zur Untersuchung
schwerflüchtiger Verbindungen bis zu . serienmäßig hergestellten Spektralapparaten.
-
Zu modernen kompletten Infrarot-Spektralphotometern
aller
Arten gehören heute Küvetten mit großer optischer Weglänge, die zur Untersuchung
von Gase eingesetzt werden, die in sehr kleinen Konzentrationen auftreten oder sehr
schwache Absorptionslinien aufweisen. Solche Süvetten sind sowohl zur qualitativen
als auch zur quantitativen Gasanalyse geeignet.
-
Es ist ein optisches Mehrgangsystem bekannt, das ein Objektivspiegel
mit der Brennweite 9 an einer Seite, zwei schräg zueinander stehende Feldspiegel
an der gegenüberliegenden Seite sowie die sich an diesen anschließende Eintritts-
und Austrittsspalt enthält (siehe, beispielsweise J.Opt.Soc. Am. 1940. V30, p.338).
Als Feldspiegel werden Planspiegel eingesetzt. Der Obaektivspie gel wird im Abstand
der zweifachen Brennweite von den Planspiegeln angeordnet.
-
Bei diesem optischen System werden die äußeren Bündel bei der Fokussierung
der Zwi-schenbilder auf den ebenen Flächen nicht konvergiert, so daß ein beträchtlicherTeil
der Strahlung nach mehrfacher Reflexion außerhalb der Objektivspiegelkanten zerstreut
wird (Vignettierung der schiefen Bündel).
-
s ist weiterhin ein optisches System mehrfacher Reflexion mit gegenüberliegenden
Spiegelelementen bekannt, bei dem sich an einem der Reflexionselemente der-Ein-
und der Austrittsspalt anschließen, während die anderen Reflexionselemente aus zwei
Konkavspiegel gebildet
werden. Das Reflexionselement, an dem sich
der Bin- und der Austrittsspalt anschließen, ist ebenfalls als ein Konkavspiegel
ausgebildet, wobei alle Spiegel die gleiche Brennweite haben und der Abstand zwischen
den gegenüberliegenden Spiegeln die zweifache Brennweite der Spiegelbeträgt. Dieses
bekannte optische System erzeugt ein System zusarfirnenhängender Bilder auf den
Reflexionsflächen. Bei einem vierfachen Durchgang der Strahlen überträgt der erste
im Strahlengang liegende Konkavspiegel das Bild des durch eine Lichtquelle beleuchteten
Eintrittsspaltes auf die Fläche des gegenüberliegen Konkavspiegels. Dieser Spiegel
bildet den ersten Konkavspiegel auf den sich an ihn anschließenden zweiten Konkavspiegel
ab, der das Zwischenbild des Bintrittsspaltes seinerseits von dem gegenüberliegenden
Konkavspiegel auf den Austrittsspalt des System zurückwirft.
-
Bei einer fAfnderung des Winkels zwischen den dem Ein-und dem Austrittsspalt
gegenüberliegenden Spiegeln wird im System ein mehrfacher (mehr als vierfacher)
Strahlendurchgang erzielt. Dieses System versagt aber schon bei geringen Störungen
der Justierung.
-
Außerdem reicht die Lichtstärke des bekannten Systems für die meisten
Untersuchungen im Infrarotbereich des Spektrums nicht aus, da die dem B;in- und
dem Austrittsspalt gegenüberliegenden Konkavspiegel bei ihm gleich sind und
die
Lichtstärke im direkten Zusammenhang mit den geometrischen Abmessungen des ersten
im Strahlengang liegenden Konkavspiegels steht.
-
Das Ziel der Erfindung ist es, die Lichtstärke des Systems zu erhöhen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System mit
mehrfacher Reflexion zu schaffer, dessen Lichtstärke durch besondere konstruktive
Gestaltung der dem Ein- und dem Austrittsspalt gegenüberliegenden Konkavspiegel
erhöht wird.
-
Das gestellte Ziel wird dadurch erreicht, daß bei einem optischen
System mit mehrfacher Reflexion, das gegenüberliegende Reflexionselemente enthält,
und bei dem sich an einem Reflexionselement der Ein- und der Austrittsspalt anschließen
und die anderen Reflexionselemente aus zwei Konkavspiegel bestehen, die Konkavspiegel
verschiedene gesmetrische Abmessungen haben und das Reflexionselement, an dem sich
der Bin- und Austrittsspalt anschließen, aus zwei gleichen Spiegeln besteht, die
eine symmetrisch gegenüber dem einen der Spalte liegende Spiegelgruppe bilden, und
der Abstand zwischen des Gruppe ausgleichen Spiegeln und den Konkavspiegeln sowie
die Brennweite des kleineren Konkavspiegels etwa um das 1 ,5-Eache größer als die
Brennweite des größeren Konkavspiegels ist, Das erfindungsgemäße optische System
hat eine höhere Lichtsträrke und geringere Aberration. Dieses optische System
läßt
weiterhin optische Weglängen erreichen, die um das 1,5-fache größer sind als diejenigen
bei Küvetten mit gleichbleibendem Strahlendurchgang und vorgegebenen Abmessungen
in Anwendung an üblichen Infrarot-Spektralphotometern.Die günstige Spiegelanordnung
ermöglicht es, die Küvetten aus üblichen zylIndrischen Rohrstücken anstatt aus Kammern
mit komplizierter Gestaltung herzustellen.
-
Dies ist besonders wichtig für die Gasküvetten, die unter Überdruck
arbeiten sollen. Weiterhin wird bei dem erfindungsgemäßen optischen System der ganze
Querschnitt der Küvette vollständig mit den Lichtbündeln ausgefüllt. Das optische
System nach der Erfindung kann als eine universell anwendbare Mehrgangküvette bei
verschiedenartigen Infrarot-Spektrophotometern eingesetzt werden.
-
Das Gegenstand der Erfindung wird nachstehend an einem konkreten
Ausführungsbeispiel und anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1
eine erfindungsgemäße Küvette mit mehrfacher Strahlenreflexion im Längsschnitt,
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Küvette der Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt
nach der Linie lII-IlI der Küvette der Fig. 1.
-
Das optische System mit mehrfacher Reflexion wird im folgenden am
Beispiel einer mehrfach reflektierenden Küvette näher beschrieben.
-
Die Kuvette mit mehrfacher Reflexion enthält zunächst Reflexionselemente
(Fig. 1), die gegenüberliegend angeordnet werden. An einem Reflexionselement schließen
sich der Eintrittsspalt 1 und der Austrittsspalt 2, während die anderen Reflexionselemente
aus ae einem Konkavspiegel 3 bzw. 4 gebildet werden. Die Konkavspiegel 3, 4 sind
geometrisch verschieden groß. So sind die geometrischen Abmessungen des Konkavspiegels
3 beträchtlich größer als die entsprechenden Abmessungen des Spiegels 4, dessen
Brennweite aber etwa wn das 1,5fache größer ist als die B:ennweite des Spiegels
3. Die Spiegelsflächen der Konkavspiegel 3, 4 sind kugelförmig, sie können aber
auch asphärisch sein.
-
Das Reflexionselement, an dem sich der Eintrittsspalt 1 und der Austrittsspalt
2 anschließen, besteht aus zwei ebenen Spiegeln 5, 6, die eine symmetrische gegenüber
dem Austrittsspalt 2 angeordnete Spiegelgruppe bilden. Zur Kompensation des auftretenden
geringen Astigmatismus im System können die Spiegel eine Sonderform haben, zum Bei6pi.el
zylinder- oder torusförmig sein. Der geometrische Mittelpunkt des Konkavspiegel
3 und der Mittelpunkt des Austrittsspaltes 2 befinden sich auf einer Geraden, die
die optische Achse des Systems bildet. Der Abstand zwischen der Gruppe aus den gleichen
Spiegeln 5, 6 und den Konkavspiegeln 3, 4 ist etwa um das 1,5-fache größer als die
Brennweite des Konkavspiegel 3. Jeder der Spiegel 3,4,5,6 ist in entsprechend Fassungen
7,8,9,10 be.
-
festigt und enthält eine übliche Justierungvorrichtung 11.
-
Das System aus Spiegeln 3,4,5,6 ist in einen luft,dichten Gehäuse
angeordnet, das aus einem Zylinderteil 12 und zwei Deckeln 13, 14 besteht. Gegenüber
dem Ein- und dem Austrittsspalt 1, 2 sind im Deckel 13 Fenster 15, 16 vorgesehen.
-
Die Spiegeln 5, 6 (Fig. 2) sind rechteckig und fügen sich gut in
den Querschnitt des Zylinderteiles 12 des Gehäuses ein. Der Ein- und der Austrittsspalt
1, 2 sind gleich bemessen.
-
Die Konkavspiegel 3, 4 (Fig. 3) haben ebenfalls eine Rechteckform
und sind im Gehäuse weitgehend günstig angeordnet: Der Spiegel 3 fügt sich völlig
in den Querschnitt des Zylinderteils 12 des Gehäuses ein, wld der Spiegel 4 beansprucht
den restlichen Teil des saumes.
-
Die Küvette mit mehrfacher Reflexion funktioniert wie folgt.
-
Die Strahlen eincr in der höhe ausgedehnten Lichtquelle (in der Zeichnung
nicht sichtbar) treten durch das Fenster 15 (Fig. 1) und den Eintrittsspalt 1 in
die Küvette ein, fallen auf den Konkavspiegel 3 und werden von diesem auf dcn ebenen
Planspiegel 5 zurückgeworfen. Dieser reflektiert seinerseits die Strahlen in Richtung
zum anderen Konkavspiegel 4. Der Konkavspiegel 3 erzeugt ein vergrößertes Bild des
Eintrittsspalt 11 auf der Fläche des Konkavspiegels 4.
-
Die von dem Konkavspiegel 4 zurückgeworfenen Strahlen treffen
auf
den ebenen Spiegel 6 auf, der sie wiederum zum Konkavspiegel 3 reflektiert. Die
zum letzten Mal reflektierten Strahlen werden in der Ebene des Austrittsspaltes
2 in ursprünglichen Abmessungen fokussiert. Durch das Fenster 16 verlassen die Strahlen
die Küvette1 Da das optische System umkehrbar ist, können die Strahlen uch durch
den Austrittsspalt 2 (Fig. 2) in die Küvette einfallen und durch den i,intrittsspalt
1 diese verlassen. Die Funktionsweise der lLiivette bleibt dabei die gleiche.
-
Der Konkavspiegel 4 (Fig. 3) sorgt für ille genaue Übereinstimmung
des reflektierten Bildes des Konkavspiegels 3 auf seiner eigenen Fläche; dabei werden
die Strahlen außerhalb der Kanten des Konkavspiegels 3 nicht verstreut.
-
Dadurch wird die Vignettierung schiefer Bündel vermieden.
-
Da sich der Konkavspiegel 3 in der Küvette völlig in den Querschnitt
des zylindrischen Gehäuseteils 12 einfügt, ist die erreichte Lchtstärke des Systems
auch di.e maximal mögliche.
-
Die konstruktiven Besonderheiten der optischen Küvette mit mehrfacher
Reflexion ermöglichen eine einfache und sichere Justierung der Spiegel 3, 4, 5,
6 in getrennten aufeinanderfolgenden Handgriffen. Deswegen wirken sich geringe Störungen
in de£: Justierung kaum auf der Ftuiktions tüchtigkeit des Systems aus.
-
Aus deu obigen Darlegungen ist zu sehen, daß das vorgeschlangene
optische System mit mehrfacher Reflexion eine erhöhte Licrltstärke, geringere Aberationsfehler,
ein:Eachere Justierung und erhöhte Zuverlässigkeit der Spiegel während der Arbeit
aufweist.
-
Kurz umrissen enthält das erfindungsgemäße optische System mit mehrfacher
Reflexion gegenüberliegende Reflexionselemente, wobei sich an einem Reflexionselement
der Eintrittsspalt 1 und Austrittsspalt 2 anschließen.
-
Dieses Element ist aus zwei gleichen Spiegeln 5, 6 gebildet, die eine
synunetrische zu einem der Snalte liegende Spiegelgruppe bilden. Die ander&nReflexionselemente
sind aus zwei Konkavspiegeln 3, 4 mit verschiedenen geometrischen Abmessungen hergestellt.
Der Abstand zwischen der Gruppe gleicher Spiegel 5, 6 und den Konkavspiegeln 3,
4 sowie die Brennweite des kieineren Konkavspiegels 4 sind um das 1,5-fache größer
als die Brennweite des größeren Konkavspiegels 3.
-
Die Erfindung kann mit Vorteil In der infrarot-Spektrophotometrie
angewandt werden.