DE3144860A1

DE3144860A1 - Vorrichtung und verfahren zur nichtabbildenden energieuebertragung

Info

Publication number: DE3144860A1
Application number: DE19813144860
Authority: DE
Inventors: Anthony C. 02035 Foxboro Mass. Gilby
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1980-11-12
Filing date: 1981-11-11
Publication date: 1982-06-09
Also published as: FR2493998B1; IT1145464B; GB2087097B; DE3144860C2; IT8149665A0; JPS57108721A; CA1162414A; FR2493998A1; NL8105029A; US4382656A; GB2087097A; JPH0345329B2

Description

Henkel Kein, Mtor & HSnzel

"ζ-

IHHQUU

Patentanwälte Registered Representatives

before the

European Patent Office

The Foxboro Company Foxboro, Mass., V.St.A. Möhlstraße 37 D-8000 München 80

Tel.: 089/932085-87 Telex: 0529802 hnkl d Tetegramme: ellipsoid

IfI. Nov. 1981

Vorrichtung und Verfahren zur nichtabbildenden Energieübertragung

a O +

.: .3.1Λ486: 11. Nov. BSI

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf optische Systeme, insbesondere auf optische Systeme bei Geräten für die Übertragung von optischer Energie zwischen räumlich getrennten Stellen, und betrifft speziell eine Vorrichtung und ein Verfahren zur nichtabbildenden (non-imaging) Energieübertragung.

Optische Energieübertragungsvorrichtungen oder -systeme aus einer Kombination.von Linsen und Spiegeln sind seit vielen Jahren bekannt. Tatsächlich spielten solche Vor-· richtungen eine große Rolle bei der industriellen Entwicklung bestimmter analytischer Instrumente und Geräte. Ein Beispiel für ein solches Gerät ist ein Spektrometer, das einen Lichtstrahl durch eine Probenzelle leitet, um das Absorptionsspektrum eines unbekannten Gases in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich zu messen.

Zwei wesentliche Eigenschaften von optischen Systemen der beschriebenen Art bestehen darin, daß diese Systeme in der Lage sein müssen, die f-Zahl des Strahls bei seinem Durchgang durch das System zu ändern, dabei aber gleichzeitig den optischen Durchsatz (etendue) vom einen Teil des Gerätesystems zum anderen im wesentlichen anzupassen, um Energieverluste durch Vignettierung zu vermeiden. Dies

ist von besonderer Wichtigkeit bei den derzeitigen on

handelsüblichen bzw. industriellen optischen Geräten, bei denen Größen- und Kosteneinschränkung stark variieren-de optische Erfordernisse zwischen räumlich getrennten Stellen im Gerät bedingen.

Im speziellen Beispielsfall eines Infrarotspektrometers ist es wünschenswert, mit der verfügbaren Quellenleistung den größtmöglichen Signalpegel zu erzielen, ir..dem mogX:.e*v viel Infrr vfcenergie durch den Monochromator schlitz :-.π

V-

das System geleitet wird. Zu diesem Zweck wird ein Eingangsstrahl mit einem möglichst großen Raumwinkel·, der die spektrale Auflösung nicht beeinträchtigt · (z.B. t/1,5 für ein auf einem kreisförmigen, variablen Filter basierendes Spektrometer), benutzt, um die erste Abbildung (Strahlenbündel) der Lichtquelle am Schlitz zu bilden". Die Divergenz des Strahls bei seinem. Durchgang durch die Ze^e ist jedoch aufgrund von optischen Aberrationen und praktischen Größenerfordernissen der Absorptionszelle selbst sowie der zugeordneten Optik stärkeren Einschränkungen unterworfen. Typischerweise besitzt der in die Ze^e eintretende und aus ihr austretende Strahl die f-Zahl 4,5.

Das Produkt aus der Schlitzfläche und dem Raumwinkel des Strahls .am Schlitz bestimmt den optischen Durchsatz (etendue) des Spektrometersystems. Zur Gewährleistung bester Geräteleistung sollte diese Größe in anderen Abschnitten des. Systems, etwa in der Absorptionszelle, jeweils gleich groß sein, damit der Energiedurchsatz maximiert wird, auch wenn die f-Zahl-Erfordernisse in weitem Maße variieren. Zur weitgehenden Verminderung von Vignettierverlusten sollten die Pupillenabmessungen in den betreffenden Abschnitten erhalten (preserved) werden, während die erheblich verschiedenen Raumwinkel der Strahlen in den verschiedenen Abschnitten des Geräts gleichzeitig angepaßt werden.

^O . Die bisherigen optischen Energieübertragungss.ysteme sind mit bestimmten Nachteilen behaftet. Insbesondere dann, wenn sehr weite Winkel oder "lichtstarke" Strahlen' im Spiel sind, erfordert ein bisheriges Linsen/Spiegelsystem starke Linsen (d.h. solche mit kurzer Brennweite),

um die angestrebte f-Zahl-Änderung mit minimaler Vignettierung zu erreichen. Solche Linsen ergeben aber Aberrationen (Abbildungsfehler) und Fresnelsche Reflexionen,' so daß diese Linsen selbst Ursachen für Energie-

3H486Ü

verlust im System darstellen. Außerdem nehmen diese Linsen viel Einbauraum ein, wobei Feldlinsen und Fokussierlinsen die angestrebten Ergebnisse liefern müssen; alle diese.Umstände tragen zur Gesamtgröße und zum Gewicht des Geräteaufbaus bei.

Die Erfindung ermöglicht die Ausschaltung der Mangel des Stands der Technik durch Schaffung eines sich verjüngenden bzw. konischen Lichtleitrohrs mit zugeordneter Feldlinse als "zentralem" Energieübertragungsmechanismus bei einer nichtabbildenden Energieübertragungsvorrichtung. Das konische Lichtrohr soll dabei im Zentrum des optischen Systems angeordnet sein, weil es bei der Energieübertragung vorr • einen Abschnitt des Systems zum anderen an seinen Enden Strahlen unterschiedlicher f-Zahl-Erfordernisse aufeinander abstimmt. Gleichzeitig mit der Übertragung der Strahlenbrennpunkte paßt die Kombination aus konischen Lichtrohr und Linse die Pupillen im engen Endabschnitt an die Pupillen im weiten Endabschnitt an.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus' den in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmalen. .25 '

In bevorzugter, zu beschreibender Ausfuhrungsform der Erfindung verwendet ein Infrarotspektrometer ein konisches Lichtrohr reckteckigen Querschnitts als ein Element des optischen Verbindungsglieds zwischen der

^O (Strahlungs-)Quelle der monochromatischen Infrarot-■ ' energie und der Probenabsorptionszelle. Ein Strahlenbündel (beam focus) der Quelle wird durch einen lichtstarken (fast) Strahl an der als Filterbestimmungsschlitz dienenden schmalen Endöffnung des Lichtrohrs erzeugt.

³^ Der aus dem weiten Ende des Lichtrohrs austretende Str-ai.: ist in seinem Raumwinkel ausreichend verkleinert, um a-troptischen Erfordernissen der Zelle zu genüge·:, d:.e in wesentli-' -n durch die Fläche der Begr^nsungspupillr --ι

W ι r - ι w

-40-

Zelle (Objektspiegel), die Fläche des Strahlenbündels am weiten Ende des Lichtrohrs und den Trennabstand dazwischen vorgegeben sind. Diese Größen bestimmen den op-

c t.der. Absorptionszelle. Der Durchsatz /

° tischen Jurcnsatz (etenauejf des guexlen/Monochromatorabschnitts ist mit derselben gleichbleibenden Größe ausgelegt.

Die Grenzpupille (limiting pupil) wird gleichzeitig durch ein zwe.ites optisches Element, nämlich eine Feldlinse am weiten Ende des Lichtrohrs, zur anderen Seite des Lichtrohrs übertragen. Diese Linse gewährleistet in Verbindung mit einer zweckmäßig gewählten Verjüngung (Kegelwinkel) des Lichtrohrs eine im wesentlichen totale Energieüber- · tragung zwischen den Pupillen, wobei der optische Durchsatz (etendue) durch das System auf gleichbleibende Größe ge^halten wird. Zusätzlich vermeidet die Verwendung eines sich verjüngendes Lichtrohrs die Funktion zweier starker Linsen (oder äquivalenter Spiegel) in einer vergleichbaren

Linsen/Spiegelkonstruktion. Hierdurch wird eine vereinfachte, kompaktere Konstruktion erreicht, die.den Bau eines tragbaren Geräts begünstigt.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ■ eine schematische· ' ' Darstellung eines ·

bisherigen optischen Energieübertragungssystems 30

zur Verwendung bei einem Spektrometer,

Fig. 2 eine schematische · Darstellung einer bevorzugten Ausfuhrungsform einer ebenfalls zur

Verwendung bei einem Spektrometer vorgesehenen 35

optischen Energieübertragungsvorrichtung mit

Merkmalen nach der Erfindung,

3.1 A 4 8 6 O

Pig. 3 eine perspektivische Darstellung eines sich

verjüngenden bzw. konischen Lichtrohrs für die Vorrichtung nach Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen optischen Energieübertragungsvorrichtung zur Veranschaulichung von Kombination aus konischen) Lichtrohr und Linse zur Gewähr-2Q leistung eines maximalen optischen Durchsatzes,.

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Strahlenverlaufs .' (ray trace) durch die Lichtrohr/Linsenkombination bei der Vorrichtung nach Fig. 2 und

· ·

Fig. 6 eine schematische optische Darstellung der

Energieübertragungsvorrichtung nach Fig. 2 in Kombination mit einem Mehrfachinnenreflexionskristall.

· ■ Zum besseren Verständnis von Konstruktion und Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zunächst bisherige optische Energieübertragungssysteme bzw. -vorrichtungen für Spektrometer erläutert. Fig. 1 veranschaulicht schematisch ein bisheriges Infrarotspektrometer 10, das aus drei Hauptbaugruppen besteht, nämlich einem Gerätekopf 12, einer Probenabsorptionszelle 14 und einem pyroelektrisehen Detektor 16. Das optische . j Übertragungssystem des Spektrometers umfaßt (transcends) jj

alle drei Baugruppen. j

Der Gerätekopf 12 enthält eine Lichtquelle 20, einen Lichtquellen-Spiegel 21 und ein kreisförmiges, variables Filter 22; diese Teile erzeugen ein erstes Bild S- ',

der Lichtquelle mit zweckmäßiger Infrarotwellenlänge an- einem rechteckigen Austrittsschlitz 23. Weiterhin vorgesehen ist der übliche umlaufende Unterbrecher (chopper) 24, welcher den ununterbrochenen Strahl in

eine Reihe von,Impulsen aufbricht, um den Detektor und die zugeordnete Signalverarbeitungseinrichtung auf Änderungen der diese Teile erreichenden Energie ansprechen zu lassen, dabei aber gleichzeitig einen großen Teil des elektrischen Störsignals im. System zu unterdrücken.

Zwischen dem Gerätekopf und der Probenzelle ist eine Silberbromid-Fokussierlinie 26 angeordnet, die ein zweites Bild S_ der Lichtquelle an einem Eintrittsfenster 28 der Probenzelle erzeugt. Das Eintrittsfenster besteht tatsächlich aus einer Feldlinse, die ein Bild P eines am abgewandten Ende der Zelle angeordneten Objekt-¹^ spiegeis 30 so auf die Fokussierlinse wirft, daß der

Objektspiegel durch den aus dem Eintrittsfenster austretenden Strahl voll beleuchtet wird. Der Objektspiegel ist die Grenzpupille P₁ der Probenzelle, und er bestimmt zusammen mit dem· zugeordneten Strahlenbündel (beam focus) *® am Zelleneintrittsfenster den optischen Durchsatz (entendue) des gesamten optischen Systems.

Der Objektspiegel 30 reflektiert sodann den Strahl auf das Zellenaustrittsfenster 29, wo .ein drittes Bild S, . der Lichtquelle gebildet wird. Der aus der Zelle 14 austretende Strahl wird schließlich auf eine Detektorlinse 3 2' gerichtet, um am Detektor 16 ein viertes Lichtquellen-Bild S. zu erzeugen. Das durch dieses Bild erzeugte Signal (response) wird dann in an sich bekannter Weise

verarbeitet, um eine Spektralanalyse des in der Zelle enthaltenen Probengases zu liefern.

Der in die Zelle 14 eintretende und aus ihr austretende Strahl besitzt eine wesentlich größere f-Zahl (z.B. ·

f/4,5) als der durch den Schlitz 23 fokussierte Strahl (z.B. £/1,5). In diesem Fall erfolgt die Strahlwinkelanpassung für die Energieübertragung durch die

3U4860

Fokussierlinse 26. Bei der dargestellten Anordnung besitzt die Linse 26 eine sehr kurze Brennweite, und sie ist als solche mit chromatischer Aberration und anderen Aberrationen sowie Oberflächenreflexionen behaftet, die sämtlich zu einem Energieverlust im System und zu einem entsprechend schlechteren Signal/Rauschverhältnis ("Rauschabstand") bei vorgegebener Eingangsleistung führen.

Außerdem ist ersichtlich, daß unabhängig von der Tatsache, daß das Bild P der Grenzpupille P.. durch die FeIclinse 28 auf die Fokussierlinse 26 aus der Zelle 14 herausgeführt wird, das Pupillenbild nicht auf den Ein-

*5 gangsteil (d.h. den Gerätekopf 12) der Vorrichtung übertragen wird, wie dies durch den rückprojizierten Rand- ' strahl 33 dargestellt ist, der nicht auf den·Lichtquellen-Spiegel trifft. Im Übertragungssystem gehen ■ somit zahlreiche Strahlen verloren. Sofern nicht .eine

^Q weitere Feldlinse am Schlitz 23 angeordnet oder die Größe des Lichtquellen-Spiegels 21 beträchtlich vergrößert wird, geht optischer Durchsatz verloren. In der Praxis ist es nicht möglich, diese unerwünschte Vignettierung mittels solcher Maßnahmen auszuschalten, weil durch die sehr kurzen Brennweiten der betreffenden optischen Bauteile weitere, noch stärkere Verluste eingeführt werden würden.

Fig. 2 verdeutlicht die optische Energieübertragungs-

Vorrichtung gemäß der Erfindung. Fig. 2 zeigt die Vorrichtung in Kombination mit einem Spektrometer, und zur besonderen Hervorhebung bestimmter Vorteile der erfindungsgemäßen Energieübertragungsvorrichtung sind beide Spektrometer mit Probenabsorptionszellen gleicher Länge

ausgelegt, wobei die Abmessungen der restlichen Teile des Geräts auf diese Länge abgestimmt sind. Es ist besonders auf den Teil des Strahls vom Unterbracher/ Filter nets · tIc bis zum Zelleneintrittsfenster 28

hinzuweisen. Der restliche Teil der Vorrichtung, mit Ausnahme der noch zu beschreibenden Detektoroptik, entspricht der vorstehend beschriebenen Konstruktion, weshalb zur Erleichterung des Vergleichs die betreffenden Teile in den Fig. 1 und 2 mit jeweils gleichen Bezugsziffern bezeichnet und daher im folgenden nicht mehr näher erläutert sind.

Gemäß Fig. 2 ist ein sich verjüngendes bzw. konisches Licht(leit)rohr 40 im Strahlengang zwischen dem Geräte- · kopf 12 und der Absorptionszelle 14 angeordnet. Konische Lichtrohre verschiedener Konfigurationen werden seit geraumer Zeit als Energiekollektoren oder -konzentratoren ' verwendet, wobei in den meisten Fällen das weite Ende die Lichtstrahlen von einer Lichtquelle abnimmt und die optische Energie durch interne Reflexionen im Lichtrohr auf einen unmittelbar am schmalen Ende angeordneten Detektor fokussiert wird. Weitere Einzelheiten bezüglich der Eigenschaften und des Aufbaus solcher konischer LicMrohre finden sich in einem Artikel "Cone Channel Condenser Optics" von D.E. Williamson, veröffentlicht in "Journal of the Optical Society of America", Band bzw. Jahrgang 42, Nr. 10, 1952. Was dieser Artikel und •25 . andere bezüglich konischen Licht(leit)rohren vorschlagen, ist, daß diese Lichtrohre als ein Endpunkt eines optischen Systems, nicht aber als Teil einer Energieübertragungsmechanismus zweckmäßig sind. Bei der dargestellten Ausführungsform bildet dagegen das Lichtrohr, das einen hohlen inneren Durchgang 46 von rechteckigem Querschnitt aufweist (vgl. Fig. 3), einen geschlossenen Durchgang oder Kanal im Zentrum des optischen Systems, wobei sein schmales Ende 42 mit einem Strahlenbrennpunkt im Gerätekopf koinzidiert und sich sein weites Ende 44 am Strahlenbrennpunkt oder -bündel (beam focus) der Zelle befindet. Insbesondere reicht das schmale Ende des Lichtrohrs bis dicht an das Filter 22 heran, so daß es lagenmäßig mit einem Strahlenbrennpunkt (Lichtquellenbild S-) koinzidiert.

Außerdem ist die Fläche der kleinen Endöffnung dem Querschnitt dieses Strahlenbrennpunkts angepaßt, so daß sie als Filterbestimmungsschlitz dient. Das weitere f. Ende stößt andererseits (stumpf) gegen die Zelleneintrittsfenster/Feldlinse 28 an , die ebenfalls Strahlenbrennpunkt bzw. -bündel einer Querschnittsfläche entsprechend derjenigen der weiteren Endöffnung darstellt.

Nach dem Durchgang durch die Absorptionszelle 14 und der Reflexion vom Objektspiegel 30 wird der Strahl auf das Zellenaustrittsfenster 29 geworfen, welches die Strahlen auf ein zweites sich verjüngendes bzw. konisches Licht-(leit)rohr 50 konzentriert, das mit seinem weiten Ende

j5 54 das Austrittsfenster bedeckt. Dieses Lichtrohr besitzt einen ähnlichen Aufbau wie das Lichtrohr 40, doch weist es wegen der kürzeren Strecke zwischen dem Austrittsfenster und dem Detektor 16 ein stärkere Verjüngung auf. Es ist auch zu erwähnen, daß sich der Detektor unmittelbar am schmalen bzw..kleineren Ende 52 des Lichtrohrs befindet. Dieses konische Lichtrohr wirkt mithin als Energiekollektor· bzw. -sammler der vorher erwähnten und im oben genannten Artikel näher erläuterten Art.

Ein Vergleich der Fig. 1 und 2 zeigt, daß es neben dem Verzicht auf starke Fokussierlinsen möglich ist, den Abstand zwischen dem Gerätekopf 12 und der Zelle 14 zu verkleinern. Derart kompakte Abmessungen begünstigen nicht nur die Auslegung als tragbares Gerät, sondern, verringern auch atmosphärische Interferenz durch Bildung kürzerer optischer Strahlengänge außerhalb der Absorptionszelle. Neben der Verkleinerung der linearen Abmessungen bietet die Erfindung - wie noch näher erläutert werden wird - den weiteren Vorteil einer Maxiraierung der Energieübertragung zwischen der Lichtquelle 20 und der Absorptionsaelle.

\J I

Fig. 3 veranschaulicht die Einzelheiten der Konstruktion des konischen Licht(leit)rohrs 40. Dieses besteht aus vier Teilen aus 6,35 ram dickem, klarem thermoplastischen Kunstharz,, nämlich zwei identischen oberen und unteren Teilen 4OA sowie zwei ebenfalls identischen* sich verjüngenden Seitenwandteilen 4OB. Ober- und Unterteil 4OA weisen jeweils eine zentral angeordnete Leiste oder

"Feder" 43 auf, die sich über die Gesamtlänge des be-10

treffenden Teils erstreckt und die sich verjüngenden Seitenwandteile paßgenau (matingly) so festzulegen vermag, daß im zusammengesetzten Zustand der hohle, innere Durchgang oder Kanal 46 gebildet wird und die Außenflächendes Lichtrohrs jeweils glatt, und unterbre-

chungsfrei sind. Die den Durchgang festlegenden Innenwände der vier Teile sind vergoldet , um Reflexionsverluste zu verringern und dadurch den Energieübertragungswirkungsgrad des Lichtrohrs zu verbessern. Das Verhältnis zwischen den Höhen der Öffnung an beiden Enden und den jeweiligen Breiten, welches die Vergrößerung M und damit die Größe der mit dem Lichtrohr erzielbaren Änderbarkeit der f-Zahl bestimmt, bleibt durchwegs konstant. Bei der dargestellten Ausführungs-

2g form besitzt die Öffnung am weiteren Ende 44 eine Größe von 20 χ 5 mm, und die Öffnung am schmalen Ende 42 besitzt eine Größe von 5 χ 1,25 mm, so daß M=4 gilt. Das Lichtrohr nimmt somit einen Lichtstrahl von f/1,5 ab ■und bewirkt eine vierfache Erhöhung der f-Zahl unter Umbildung des Lichtstrahls zu f/6 am weiteren Ende.

Fig. 4 veranschaulicht schematisch Konstruktionsbedingungen für die Anwendung einer Kombination aus konischem Lichtrohr und Feldlinse auf eine optische Energieübertragungsvorrichtung für die Paarung (to match) der optischen Lagrangschen Differentialgleichung und Durchsatzparameter des Systems. Auf diese Weise wird eine maximale Energieübertragung durch das System gewährleistet, während auch eine unerwünschte Strahlaufweitung

:-Π 4 'λ 8 R O

vermieden wird. Fig. 4 veranschaulicht ein konisches Lichtrohr (TLP) und eine Feldlinse im Zentrum zwischen einem Strahlenbrennpunkt bzw. -bündel"und der Pupille P, an der rechten Seite der gestrichelten Linie A-A (schmaler Endabschnitt des Lichtrohrs) sowie einem Strahlenbrennpunkt bzw. -bündel S und einer Pupille P-an der linken Seite der gestrichelten Linie B-B (weiteres Ende des Lichtrohrs). Der Abstand zwischen den optischen Bauteilen und ihre Größen sind in der Darstellung angegeben. Die Flächen der Strahlenbrennpunkte bzw. -bündel und der Pupillen (z.B. A„, A_ usw.) werden zur Bestimmung des optischen Durchsatzes (etendue) benutzt. Da der Abstand zwischen Strahlenbrennpunkt und Pupille in den beiden Abschnitten verschieden ist, sind auch die f-Zahl-Bedingungen in jedem Abschnitt verschieden. (Es ist darauf hinzuweisen, daß obgleich die Abbildungseigenschaften des Brennpunkts aufgrund der Bündelung (scrambling) der Strahlen durch das konische Lichtrohr nicht durch das System übertragen werden, das Merkmal der Energie-flußkonzentration zur Erzeugung der gewünschten Strahlfokussierung erhalten bleibt.

Der optische Durchsatz (etendue) (E) für das System bzw. die Vorrichtung bestimmt sich durch die von der Lichtquelle verfügbare, über den Strahlenbrennpunkt am schmäleren Ende des konischen Leitrohrs in die Vorrichtung eintretende Energiemenge und läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken:

^Ap ₌ ^As * ^ap

(U-L) ²

Darin bedeutet E₀^₀ den optischen Durchsatz (etendue) des schmalen Endabschnitts, während die entsprechenden Abstände denen nach Fig. 4 entsprechen.

Wenn angenommen wird, daß der weitere Endabschnitt der Vorrichtung geometrische .und/oder optische Begrenzungen enthält (z.B. ist P. eine Grenzpupille des Systems), so sollte dasoptische System für beste Leistung 'eine zugehörige (conjugate) Pupille in diesem Abschnitt bilden, die mit der Pupille P im schmäleren Endabschnitt koinzidiert. Zunächst sei der Fall betrachtet, in welchem nur die Feldlinse in der dargestellten Lage angeordnet und das konische Lichtrohr in der Vorrichtung nicht vorgesehen ist; hierbei wird ersichtlicherweise ein Bild der Pupille Pj bei P gebildet, so daß entsprechend gilt:

■» -κ AA

S₂ ρ S₂

(2)

u² ν²

S * P

wobei die Definition des Ausdrucks 2 1_

—————

den optischen Durchsatz des weiteren v Endabschnitts (E_T„_) darstellt.

Wenn das konische Lichtleitrohr so gewählt wird, daß seine Spitze bzw. sein Scheitel (d.H. der Punkt, an welchem sich Verlängerungen seiner Seiten treffen wurden) in der Ebene von P liegt, ergibt sich:

A_s 2 - A A

2 = oder durch Umordnung 2 1 ■ ⁼

A_s (U-L)² . u² (U-L)²

Bei Kombination von Gleichungen (2) und (3) erhält man folgende Gleichung:

3144660

^As_x ' ^Ap

^ELES ⁼ r ^{= E}SES (4)

(U-L) ²

Die Energie wird mithin zum Punkt P₁ praktisch ohne jede Vignettierung übertragen, und der optische Durchsatz ist über die verschiedenen Abschnitte der Übertragungsvorrichtung hinweg angepaßt.

Fig. 5 veranschaulicht die Anwendung der Kombination aus konischem Lichtrohr und Feldlinse auf das Spektrometer system bei der dargestellten Ausführungsform sowie den

Verlauf von drei Strahlen rückwärts von der ünterkante des Objektspiegels 30. Unter Anwendung der von Williamson im oben genannten Artikel beschriebenen Mehreck-Auffalttechnik (polygon unfoldung technique) können diese reflektierten Strahlen als eine Reihe gerader Linien

wiedergegeben (redrawn) werden. Dies schließt selbstverständlich sowohl virtuelle Strahlen (dünne ausgezogene Linien) als auch reelle Strahlen (dickere ausgezogene Linien) ein, die tatsächlich das Lichtrohr

durchlaufen. Der Strahlenverlauf zeigt deutlich, daß mit 25

dem an der Spitze des Lichtrohrs angeordneten Lichtquellenspiegel 21 die Energiekonzentration auf dieser Pupille mit symmetrisch angeordneten (verteilten) Punkten auf dem Objektspiegel übereinstimmt (is conjugate), und daß mithin praktisch die gesamte Energie zwischen dem Objektspiegel und dem Lichtquellenspiegel übertragen wird. Aufgrund des Bündelungseffekts erscheinen Strahlen von diesem einen Punkt auf dem Objektspiegel in dieser zweidimensionalen Darstellung tatsächlich auf zwei in

einer gemeinsamen Ebense liegenden Punkten auf dem 35

Lichtquellenspiegel, doch sind alle diese Strahlen (reell und virtuell) unabhängig von der Zahl von Reflexionen innerhalb des Lichtrohrs an diesen beiden Punkten fokussiert. Die auf diese Weise erfolgende

vJ I *f

Einhaltung der Pupillenabmessungen ermöglicht die Konstruktion von Spiegeln mit kleinsten Abmessungen ohne Verlust an Strahlen zum System durch Vignettierung. Wenn andererseits ein kleiner Grad einer Vignettierung zulässig ist (vgl. das System gemäß Fig. 1), kann der Lichtquellenspiegel näher am schmalen Ende der konischen Lichtrohrs angeordnet sein, so daß die Gesamtgröße des Geräts weiter verkleinert wird.

Fig. S zeigt zudem, daß die Länge des Lichtrohrs • geändert werden kann, während die Spitze bzw. der Scheitelpunkt und die Lage des weiteren Endes unver-

, _ ändert- bleiben,und damit die Brenngröße (focus size) ο

des schmäler.en Endes und das f-Zahl-Verhältnis an weiterem und schmälerem Ende geändert werden.

Fig. 6 veranschaulicht die Anwendung der erfindungs- · gemäßen Energieübertragungsvorrichtung in Kombination mit eir.em Mehrfachinnenreflexionskristall (MIR) 60 zur Durchführung gedämpfter Totalreflexionsmessungen. Dieser Kristall besitzt im wesentlichen .den Aufbau gemäß der US-PS 4 175 864, nur mit dem Unterschied, daß

oc im vorliegenden Fall seine Eintrittsfläche konvex ist. Der kompakteste Strahlengang durch den Kristall, und mithin die geringste Größe des Kristalls für einen vorgegebenen optischen Durchsatz (etendue), wird erzielt, wenn ein Lichtquellenbild am einen Ende des Kristalls und eine Pupille an seinem anderen Ende vor-. · gesehen werden. Dies kann durch Verwendung eines konischen Licht(leit)rohrs in Verbindung mit einem Mehrfachinnenreflexionskristall mit konvexer-Eintrittsfläche erreicht werden. Lichtquellenspiegel und Aus- trittsschlitz bilden die Pupille P bzw. das Lichtquellenbild S. am schmäleren Endabschnitt der Vorrichtung, während Einfalls- oder Eintrittsfläche und Austrittsfläche 64 des Kristalls das Lichtquellen-

31U86Q

bild S₂ bzw. die Pupille P₁ im weiteren Endabschnitt darstellen. Die Energie wird von der Lichtquelle zur Austrittsfläche des Kristalls übertragen,, wobei gemäß den vorstehend erörterten Prinzipien die Höhe des aus dem JKristall austretenden Strahls kontrolliert wird, um eine Energieübertragung praktisch ohne jede Vignettierung zu ermöglichen. Eine Krümmung der Austrittsfläche und die Anordnung eines energiesammelnden ¹^ konischen Lichtrohrs der von Williamson vorgeschlagenen Art ermöglichen eine höchst wirksame Energieübertragung zu einem am Ende dieses konischen Lichtrohrs angeordneten Detektor 66.

Ersichtlicherweise läßt sich die vorstehende Schilderung des Strahlenbrennpunkts bzw. der Strahlenbündelung und der Pupillenflächen zur Anpassung (to match) des optisehen Durchsatzes (etendue) zwischen verschiedenen Teilen eines optischen Systems auch in Form von Lagran-

gesehen· Differentialgleichungen ( Lagrangians) ausdrücken. Es ist somit möglich, einen Astigmatismus aufweisende optische Systeme mit solchen ohne Astigmatismus zu paaren,· indem ein konisches Lichtrohr mit einer Spitze bzw. einem Scheitel in einer Ebene verwendet wird, die .nicht mit seiner Spitze bzw. seinem Scheitel in der orthogonalen Ebene koinzidiert.

Es wird angenommen, daß vorstehend zahlreiche der Vorteile der erfindungsgemäßen Energieübertragungsvor-30

richtung gegenüber den bisherigen Linsensystemen aufgezeigt werden konnten, beispielsweise die folgenden:

1. Eine äquivalente Vorrichtung, die mindestens drei

Linsen erfordert, von denen zwei starke Linsen 35

sind, wird zu einem System mit einer Linse niedriger Leistung und mit einem konischen Licht(leit) rohr vereinfacht.

ό Ί 4 4 b b U

2. Die Pupillenabmessungen bleiben erhalten, wodurch die Abmessungen der Bauteile verkleinert werden und gleichzeitig unerwünscht Vignettierung ausgeschaltet wird.

3. Die Kombination aus dem konischen Lichtrohr und der Linse ist kompakter als das nur aus Linsen bestehende System, so daß sie die Konstruktion eines tragbaren Geräts begünstigt.

Selbstverständlich sind dem Fachmann verschiedene Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß vom Rahmen der Erfindung abgewichen wird. Während bei- *° spielsweise vorstehend lediglich konische Lichtrohre mit hohlen Durchgängen beschrieben sind, sind die beschriebenen Prinzipien gleichermaßen auf sich verjüngende bzw. konische Licht(leit)rohre aus massivem dielektrischen Material und effektiv auch auf das sich schnell erweiternde Gebiet der Faseroptik anwendbar. Die vorstehende Beschreibung soll daher die Erfindung lediglich erläutern und keinesfalls einschränken.

Abschließend sei noch darauf verwiesen, daß die f-Zahl, ' einer

wie üblich, das Verhältnis der Brennweite/Lmse

zum Durchmesser von deren Eintrittspupille darstellt, während unter dem optischen Durchsatz das Produkt aus der Fleche eines Lichtstrahls senkrecht zu dessen Aus-■ breitungsrichtung und dem Raumwinkel dieses Lichtstrahls zu verstehen ist.

Claims

-i-

11. Nov.

Patentansprüche

J"Vorrichtung zur nichtabbildenden Energieübertragung mi-:. einer optischen Energiequelle (20), zwei räumlich voneinander getrennten Abschnitten (12, 14), zwischen denen die optische Energie übertragen werden soll, und in jedem Abschnitt angeordneten Einrichtungen (20, 21, . 22, 28, 30) zur Festlegung eines Strahlenbrennpunkts (Strahlenbündelung) sowie einer zugeordneten Pupille unter Bestimmung einer f-Zahl-Bedingung darin, wobei der erste Abschnitt eine kleine f-Zahl-Bedirtung und der zweite Abschnitt eine höhere f-Zahl-Bedingung be- " sitzen, gekennzeichnet durch ein im optischen Strahlengang zwischen den beiden Abschnitten (12, 14) angeordnetes, sich verjüngendes bzw. konisches Licht(leit)rohr (40), dessen schmäleres Ende (42) am Strahlenbrennpunkt bzw. -bündel· (beam focus) im ersten Abschnitt und dessen weiteres Ende (44) am Strahlenbrennpunkt im zweiten Abschnitt angeordnet sind, wobei die Pupille (P) im ersten Abschnitt mit einer durch die Spitze bzw. den Scheitel des konischen Lichtrohrs (40) verlaufenden Ebene koinzidiert und wobei das Lichtrohr

(40) so angeordnet ist, daß es mindestens einen Teil der betreffenden Strahlenbrennpunkte vom einen Abschnitt zum anderen überträgt, wobei das Produkt aus der Fläche des übertragenen Teils und dem Raumwinkel des Strahls an jedem Ende des Lichtrohrs gleich (groß) ist, so daß

^Q der optische Durchsatz (etendue) in jedem Abschnitt.

gleich ist, und durch einen zwischen dem weiteren Ende (44) und der Pupille (P-) des zweiten Abschnitts angeordnete Fokussiereinrichtung (28) zur Übertragung der Energie zwischen den beiden Pupillen praktisch ohne

" . Vignettierungsverlust.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenbrennpunkt und die Pupille im ersten Abschnitt jeweils eine ähnliche Form wie ihreGegenstücke im zweiten Abschnitt besitzen, sich jedoch von letzteren in Querschnittsfläche und Abstand unterscheiden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das konische Lichtrohr Wände aufweist, die einen

hohlen inneren Durchgang zum Hindurchleiten von optischer Energie festlegen, welcher sich über die Gesamtlänge des Lichtrohrs erstreckt und sich an dessen weiteren und schmäleren Enden öffnet. 15

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang eine konstante Querschnittsform besitzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang eine rechteckige Querschnittsform besitzt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, ^ daß die Wände des Lichtrohrs zur Verringerung von Reflexionsverlusten beim Durchtritt der optischen Energie durch d.as Lichtrohr vergoldet ist.

QQ T. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung eine am weiteren Ende des Lichtrohrs angeordnete Feldlinse ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das konische Lichtrohr aus einem massiven Werkstoff hergestellt ist.

,31A 48 Τ;

9. Energieübertragungsvorriehtung zur Verwendung bei einem

Infrarotspektrometer mit einer Infrarotenergiequelle - und einer Absorptionszeile mit Eintritts- und Austrittsg fenstern/ wobei die Zelle und die. Energiequelle getrennte (distinct) Abschnitte bilden, zwischen denen optische Ener"gie übertragen werden soll, wobei jeder Abschnitt Einrichtungen zur Bestimmung jeweiliger Strahlenbrennpunkte bzw. -bündel und zugeordnete Pupillen aufweist, jQ so daß in jedem Abschnitt eine f-Zahl-Bedingung bestimmt

wird* wobei" die f-Zahl-Bedingung im Zellenabschnitt von """"""" derjenigen im'Energiequellenabschnitt verschieden ist, insbesondere-nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein im optischen Strahlengang * zwischender Energiequelle und der Zelle angeordnetes, ^c * sich verjüngendes' bzw. konisches Licht (leit) rohr,

dessen schmäleres Ende am Strahlenbrennpunkt im Energiequellenabschnitt angeordnet ist, während sich sein wei-■ * ■ ~ teresι Ende amStxahlenbrennpunkt in der Zelle befindet, "wobei die Pupille-im-Energiequellenabschnitt mit einer durch die Spitze bzw. den Scheitel des konischen Lichtrohrs verlaufenden Ebene koinzidiert, um zumindest einen ' 'Teil der jeweiligen Strahlenbrennpunkte bzw.. -bündel ''zwischen'aeh Abschnitten zu übertragen, und wobei das ¹^ Produkt/aus - der Querschnittsflache des übertragenen Teils und dem Raumwirikel des Strahls-an den jeweiligen Enden des Lichtrohrs gleich groß ist, so daß der optische Durchsatz (etendue) in der Zelle, derselbe ist wie derjenige im Energiequellenabschnitt, und durch eine zwischen dem weiteren Ende und der Pupille im

Z eilenabschnitt angeordnete Fokussiereinrichtung, ■--.-.;-;-. so daß. die Energie zwischen den Abschnitten praktisch ; ;_:; : \- ohne; Vignettierungsverlust übertragbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Pupille im Zellenabschnitt ein Objektspiegel ist und daß die Pupille im Energiequellenabsc°-nitt ein (Licht-) Qi'.ellenspiegel ist.

ο ι ·+ η- υ υ υ

11. Vorrichtung nach Anspruch 1O, dadurch gekennzeichnet, daß der Quellenspiegel auf der Spitze bzw. dem Scheitel des Lichtrohrs angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

daß die Fokussiereinrichtung eine am weiteren Ende des Lichtrohrs angeordnete Feldlinse ist.

TQ 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldlinse das Eintrittsfenster der Zelle dar-, stellt und daß das weitere Ende des Lichtrohrs un-. mittelbar neben dem Eintrittsfenster angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, . daß das Lichtrohr eine sich über seine Gesamtlänge ■ erstreckende hohle Innenkammer aufweist, die sich sowohl an weiterem als auch an schmälerem Ende "öffnet, und daß die Öffnung am schmäleren Ende als Filterbe-Stimmungsschlitz des Spektrometers dient.

15. Verfahren zur Übertragung von Energie zwischen zwei räumlich voneinander getrennten Abschnitten einer optischen Vorrichtung, wobei jeder Abschnitt einen Strahlenbrennpunkt bzw. -bündel und eine zugeordnete Pupille zur Festlegung sowohl einer f-Zahl-Bedingung als auch eines optischen Durchsatzes (etendue) in jedem Abschnitt aufweist, wobei die f-Zahl-Bedingungen in jedem Abschnitt verschieden, die optischen Durchsätze (etendue) dagegen jeweils gleich sind, dadurch gekennzeichnet,daß im optischen Strahlengang zwischen den Abschnitten ein sich verjüngendes bzw. konisches Licht(leit)rohr so angeordnet wird, daß seine Enden lagenmäßig mit den betreffenden Strahlenbrennpunkten koinzidieren und seine projizierte Sp itze bzw. Scheitel mit der Pupille am schmäleren Ende des Lichtrohrs

bzw. Kopplung kolnzidiert, und daß eine Entsprechung/(conjugate) der Pupille des ersten Abschnitts im zweiten Abschnitt

-δ-1

geformt wird.