DE3152972C2

DE3152972C2 - Optical system for multiple reflection of a light beam

Info

Publication number: DE3152972C2
Application number: DE3152972T
Authority: DE
Inventors: Semen M Chernin; Evgenia G Barskaya; Galina P Semenova
Original assignee: INSTITUT CHIMICESKOJ FIZIKI AKADEMII NAUK SSSR MOSKAU/MOSKVA SU
Current assignee: INSTITUT CHIMICESKOJ FIZIKI AKADEMII NAUK SSSR MOSKAU/MOSKVA SU
Priority date: 1981-09-10
Filing date: 1981-09-10
Publication date: 1989-12-28
Also published as: US4676652A; GB8311088D0; DE3152972T1; GB2117920A; WO1983000927A1; GB2117920B

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System zur Mehrfachreflexion eines Lichtstrahles, der ausgehend von einer Lichtquelle auf einen sphärischen Hohlspiegel fällt und zwischen diesem und einem Reaktor vor dem endgültigen Austritt aus dem optischen System mehrfach hin- und herreflektiert wird, wobei die optischen Achsen des Hohlspiegels und des Reflektors in einer Bezugsebene liegen und eine dieser optischen Achsen in der Bezugsebene zwecks Veränderung der Anzahl der Reflexionen schwenkbar ist.

Ein optisches System dieser Gattung ist aus der DE-OS 23 07 298 bekannt.

Aus der US-PS 38 97 132 ist bekannt, bei Polygon-Spiegelrädern für die Abtastung strukturierter Oberflächen von Prüfungsobjekten nach dem Autokollimationsprinzip eine aus zwei Planspiegeln rechtwinklig zusammengesetzte Dachkantenspiegeleinheit zu verwenden.

Aus der Zeitschrift "Journal of the Optical Society of America", Band 30, 1940, Heft 8, Seiten 338 bis 342, ist ein optisches System zur Mehrfachreflexion bekannt, in dem ein Lichtbündel von einer Beleuchtungseinrichtung durch eine Eintrittsöffnung des Gehäuses auf ein Spiegelobjektiv fällt, das um seine Achse drehbar im Lichtstrahlengang angeordnet ist, sodann in eine Zwischenbildeinheit gelangt, von wo aus das Lichtbündel erneut zum Spiegelobjektiv geleitet wird, an diesem reflektiert wird und nach der letzten Reflexion das System durch eine Austrittsöffnung des Gehäuses verläßt. In diesem System enthält die Zwischenbildeinheit zwei ebene Spiegel, die unter einem Winkel zueinander angeordnet sind. Bei diesem System ergibt sich beim Fokussieren von Zwischenbildern der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung des Systems an den ebenen Spiegelflächen eine störende Vignettierung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System der eingangs genannten Gattung im Hinblick auf eine besonders leichte Einstellbarkeit der Anzahl von Reflexionen zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüchen.

Das erfindungsgemäße optische System ermöglicht in einfacher Weise eine Einstellung der Anzahl der Reflexionen. Auch bei mehrfacher Reflexion kann eine Vignettierung des Strahlenbündels ausgeschlossen werden, wodurch die Lichtdurchlässigkeit des Systems verbessert und die Abhängigkeit der Lichtdurchlässigkeit von der Anzahl der Reflexionen verringert wird.

Bevorzugte Auführungsformen der Erfindung sind nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher beschrieben und erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems mit einer aus einem konkaven und aus einem planen Spiegel gebildeten Dachkantreflektoreinheit im Längsschnitt,

Fig. 2 den Gegenstand von Fig. 1 im Schnitt längs der Linie II-II,

Fig. 3 den Gegenstand von Fig. 1 im Schnitt längs der Linie III-III,

Fig. 4 die Dachkantreflektoreinheit gemäß Fig. 2 mit Darstellung von vier Zwischenbildern der Lichteintrittsöffnung bei zehnmaligem Durchgang des Lichtbündels durch das System,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems, bei dem die Dachkantreflektoreinheit durch zwei konkave Spiegel gebildet ist,

Fig. 6 Teile einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems in perspektivischer Darstellung und

Fig. 7 den Gegenstand von Fig. 6 im Betriebszustand eines Reflektometers.

Anhand von Fig. 1 bis 4 wird zunächst ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Systems bei sechsmaliger Reflexion des Lichtbündels zwischen einem als Spiegelobjektiv wirkenden sphärischen Hohlspiegel 6 und einer Dachkantreflektoreinheit 15 näher beschrieben.

Bei diesem optischen System gelangt das von der Beleuchtungseinrichtung 2 ausgehende Lichtbündel 1 (Fig. 1) durch eine in einem Deckel 4 eines Gehäuses 5 angeordnete Eintrittsöffnung 3 (Fig. 1 und 2) auf den Hohlspiegel 6 (Fig. 1 und 3).

Der Hohlspiegel 6 ist im Strahlengang des Lichtbündels 1 in einen Halter 7 eingespannt, der um eine Achse 8 drehbar an einem Sockel 9 befestigt ist. Am Halter 7 ist eine Leiste 10 befestigt. An der Leiste 10 liegt eine Justierschraube 11 zur Einstellung der Zahl der Reflexionen des Lichtbündels 1 an, die durch einen Deckel 12 des Gehäuses 5 geführt ist. Die Justierung geschieht durch Drehung einer Rändelmutter 13, die an der Justierschraube 10 befestigt ist. Die Lage der Leiste 10 ist durch eine flache Feder 14 fixiert, die am Deckel 12 befestigt ist.

Im Strahlengang des vom Hohlspiegel 6 reflektierten Lichtbündels 1 ist eine zusammengesetzte Dachkantreflektoreinheit 15 (Fig. 1, 2) angeordnet. Die Dachkantreflektoreinheit 15 enthält zwei Reflektoren unterschiedlicher Krümmung, von denen der eine ein ebener Spiegel 16 und der andere ein konkaver Spiegel 17 ist. Die Reflektoren 16 und 17 sind auf eine solche Weise angeordnet, daß die Einfallswinkel des Lichtbündels 1 am konkaven Reflektor 17 kleiner sind als die Einfallswinkel des Lichtbündels 1 am ebenen Reflektor 16. Die Spiegel 16 und 17 sind in einem Halter 18 angeordnet, der am Deckel 4 befestigt ist. Im Deckel 4 ist über der Eintrittsöffnung 3 eine Austrittsöffnung 19 vorgesehen, durch die das Lichtbündel 1 nach der letzten Reflexion das System verläßt. In die Öffnungen 3 und 19 sind Fenster 20 eingesetzt, die für das jeweilige Lichtbündel 1 durchlässig sind.

Der Hohlspiegel 6 erzeugt an der Oberfläche des Spiegels 17 der Dachkantreflektoreinheit 15 zwei Zwischenbilder 21 und 22 der (in der Zeichnung nicht mitabgebildeten) Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 2 bzw. der Lichteintrittsöffnung 3, die in bezug auf einen Krümmungsmittelpunkt 23 des Hohlspiegels 6 symmetrisch liegen.

Bei zehnfacher Reflexion des Lichtbündels 1 zwischen dem Hohlspiegel 6 und der Dachkantreflektoreinheit 15 (Fig. 4) erzeugt der Hohlspiegel 6 vier Zwischenbilder 24, 25, 26, 27 der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 2 am Spiegel 17 der Dachkantreflektoreinheit 15. Der Krümmungsmittelpunkt 28 des Hohlspiegels 6 liegt zwischen den Zwischenbildern 25 und 26.

Gemäß der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform des optischen Systems zur Mehrfachreflexion enthält die Dachkantreflektoreinheit 15 zwei konkave Spiegel 29 und 30 unterschiedlicher Krümmung, die in einem Halter 31 angeordnet sind, der am Deckel 4 befestigt ist. Die Reflektoren 29 und 30 sind in bezug auf das Lichtbündel 1 so angeordnet, daß die Einfallswinkel des Lichtbündels 1 am Reflektor 29, der eine größere Krümmung aufweist, kleiner sind als die Einfallswinkel der Lichtbündel 1 am Reflektor 30.

Gemäß der in Fig. 6 und 7 gezeigten weiteren Ausführungsform des optischen Systems zur Mehrfachreflexion (bei sechsfacher Reflexion des Lichtbündels 1), die zur Reflexionsmessung (Reflektormeter) dient, ist der Hohlspiegel 31 am einen Ende eines Arms 32 beweglich befestigt, während das andere Ende des letzteren auf eine zentrale Achse 33 aufgesetzt ist. Die Achse 33 ist in einer Grundplatte 34 fest gelagert. Der Halter 18 der Dachkantreflektoreinheit 15 ist auf einem stationären Arm 35 befestigt, der auf der Achse 33 über dem schwenkbaren Arm 32 feststehend angeordnet ist. Im Strahlengang des Lichtbündels 1, das durch eine Öffnung 36 einer Blende 37 im nicht dargestellten Gehäuse eintritt, ist auf der zentralen Achse 33 ein drehbarer Halter 38 angebracht, in den eine ebene Testplatte 39 (Fig. 7) zur Messung ihres Reflexionsgrades eingesetzt werden kann. Die Blende 37 (Fig. 6, 7) befindet sich auf dem stationären Arm 35.

Der stationäre Arm 35 ist mit einem Teilkreis 40 versehen, während der Halter 38 und der schwenkbare Arm 32 jeweils mit Teilkreismarkierungen 41 und 42 versehen sind. Beim Anbringen einer Testplatte 39 gemäß Fig. 7 am Halter 38 ist der Hohlspiegel 31 mittels des schwenkbaren Arms 32 längs des Bogens so weit gedreht, daß das Lichtbündel 1, nachdem es an der Testplatte 39 reflektiert worden ist, abwechselnd vom Hohlspiegel 31 und von der Dachkantreflektoreinheit 15 reflektiert und nach der letzten Reflexion unmittelbar durch die Austrittsöffnung 43 (Fig. 6, 7) der Blende 37 fällt. Am konkaven Spiegel 17 der Dachkantreflektoreinheit 15 sind Zwischenbilder 44 und 45 der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 2 sichtbar.

Das optische System mit Mehrfachreflexion arbeitet beim Einsatz für die spektralphotometrische Analyse von Gasen bei Einstellung auf sechsfache Reflexion des Lichtbündels wie folgt:

Das Gehäuse 5 der Meßküvette wird mit einem zu analysierenden Gas gefüllt. Das Lichtbündel 1 der Beleuchtungseinrichtung 2 gelangt durch das Fenster 20 der Eintrittsöffnung 3 auf den Hohlspiegel 6. Nach Reflexion am Hohlspiegel 6 und an dem ebenen Spiegel 16 und am oberen Teil des konkaven Spiegels 17 der Dachkantreflektoreinheit 15 entsteht das obere Zwischenbild 21 (Fig. 2) der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 2. Nach der Reflexion an den Spiegeln 16 und 17 wird das divergente Lichtbündel 1 erneut zum Hohlspiegel 6 geleitet, an diesem reflektiert und am unteren Teil des konkaven Spiegels 17 in Form des unteren Zwischenbildes 22 (Fig. 2) der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 2 fokussiert. Danach gelangt das Lichtbündel, nachdem es an dem ebenen Spiegel 16 reflektiert worden ist, zum Hohlspiegel 6, wird an diesem reflektiert und verläßt im letzten Durchgangszyklus das System durch die obere Austrittsöffnung 19.

Der Aufbau der Dachkantreflektoreinheit 15 gemäß Fig. 5 aus zwei konkaven Spiegeln 29 und 30 hat den Vorteil, daß gewisse Aberrationsfehler der Bilder der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 2 kompensiert werden. Das System arbeitet ähnlich dem vorstehend beschriebenen.

Erfindungsgemäß gewährleistet die Dachkantreflektoreinheit 15 eine mehrfache optische Kopplung des Hohlspiegels 6 mit sich selbst, wodurch eine Vignettierung im System verhindert wird.

Bei einer Verlagerung des Krümmungsmittelpunktes 28 (Fig. 4) durch Verdrehen des Hohlspiegels 6 (Fig. 1) in Richtung auf die Kante zwischen den Spiegeln 16 und 17 der Dachkantreflektoreinheit 15 nimmt die Zahl der Reflexionen zu. So werden beispielsweise bei zehnfacher Reflexion des Lichtbündels 1 aufeinanderfolgend vier Zwischenbilder 24, 25, 26, 27 der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung 2 (Fig. 1) erzeugt.

Der Zusammenhang zwischen der Zahl der Reflexionen n und der Zahl der Zwischenbilder z folgt ohne weiteres aus der Gleichung

n = 2z+2

oder

Das optische System mit sechsfacher Reflexion des Lichtbündels bei Verwendung als Reflektometer arbeitet bei zwei verschiedenen Lagen des Hohlspiegels 31 (Fig. 6, 7) in bezug auf die Dachkantreflektoreinheit 15, die der Messung mit der Testplatte 39 (Fig. 7) bzw. ohne dieselbe entsprechen.

Bei der Stellung des Hohlspiegels 31 gemäß Fig. 6 ohne Testplatte arbeitet das Reflektometer genau wie das im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene System. An der Austrittsöffnung 43 des Systems wird das Signal I des Lichtbündels 1 abgerufen.

Danach wird die Testplatte 39, wie in Fig. 7 gezeigt, zur Bestimmung ihres Reflexionsgrads in den Halter 38 eingesetzt und das Spiegelobjektiv 31 auf dem schwenkbaren Arm 32 wird längs eines Bogens um die zentrale Achse 33 auf eine solche Weise bewegt, daß das Lichtbündel unter Reflexion an der Oberfläche der Testplatte 39 zum Hohlspiegel 31 gelangt. Die Lage des Hohlspiegels 31 und der Testplatte 39 wird von den Anzeigern 41 und 42 am Teilkreis 40 des stationären Arms 35 festgehalten. Vom Hohlspiegel 31 gelangt das Lichtbündel erneut zur Testplatte 39 und wird an dieser reflektiert und zur Dachkantreflektoreinheit 15 geleitet, wo Zwischenbilder 44 und 45 der Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung erzeugt werden. So erfolgt auf einem jeden Hin- und Rückweg des Lichtbündels 1 zwischen dem Hohlspiegel 31 und der Dachkantreflektoreinheit 15 eine Reflexion an der Testplatte 39. Die Intensität I₁ des Signals I am Ausgang des Systems mit Testplatte 39 nimmt proportional dem Reflexionsgrad R der Oberfläche der Testplatte in einem Maß ab, das der Zahl K der Durchgänge der Lichtbündels gleich ist. Der Reflexionsgrad R ergibt sich dabei zu

Die Erfindung dient vorzugsweise zur Verbesserung der Meßempfindlichkeit in der Infrarotabsorptionsspektralphotometrie.

Die Erfindung kann ferner in schnellwirkenden hochpräzisen optisch-akustischen Gasanalysatoren ohne Anwendung von Spektralgeräten verwendet werden, insbesondere zur quantitativen Bestimmung der Atmosphärenverunreinigung, was angesichts des bestehenden Problems der Umwelterhaltung von Bedeutung ist.

Außerdem kann die Erfindung zur hochpräzisen Messung des Reflexionsgrads von ebenen Mustern bei geringen Winkeldivergenzen der Lichtbündel Anwendung finden. Das letztere hat ein beträchtliches Interesse für die Lasertechnik und für Hochenergieanlagen.

Claims

1. Optisches System zur Mehrfachreflexion eines Lichtstrahles, der ausgehend von einer Lichtquelle auf einen sphärischen Hohlspiegel fällt und zwischen diesem und einem Reflektor vor dem endgültigen Austritt aus dem optischen System mehrfach hin- und herreflektiert wird, wobei die optischen Achsen des Hohlspiegels und des Reflektors in einer Bezugsebene liegen und eine dieser optischen Achsen in der Bezugsebene zwecks Veränderung der Anzahl der Reflexionen schwenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (17; 29/16; 30) aus einem konkaven (17; 29) und aus einem zweiten planen oder konkaven (16; 30) Reflektor aufgebaut ist, die zusammen eine ortsfeste Dachkantreflektoreinheit (15) bilden, wobei der in der Bezugsebene liegende Krümmungsradius des ersten Reflektors (17; 29) kleiner ist als der in der Bezugsebene liegende Krümmungsradius des zweiten Reflektors (16; 30) und wobei die beiden Reflektoren (17; 29/16; 30) in der Bezugsebene gegenüber der optischen Achse des Hohlspiegels (6; 31) derart angeordnet sind, daß die vom Hohlspiegel (6; 31) herkommenden und auf den einen Reflektor (17; 29/16; 30) fallenden Lichtstrahlen von diesem direkt zum anderen Reflektor (16; 30/17; 29) gespiegelt werden, und daß die Lichtstrahlen am zweiten Reflektor (16; 30) unter einem größeren Winkel reflektiert werden als am ersten Reflektor (17; 29).

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System in einem Gehäuse (5) mit einer Lichteintrittsöffnung (3; 36) und einer Lichtaustrittsöffnung (19; 43) angeordnet ist.

3. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hohlspiegel (31) und der Dachkantreflektoreinheit (15) ein Halter (38) vorgesehen ist, welcher eine Testplatte (39) mit einer lokal ebenen, reflektierenden Oberfläche zwecks Vermessung des Reflexionsgrades dieser Oberfläche aufnimmt, wozu der Hohlspiegel (31) in der Bezugsebene um die Testplatte (31) derart schwenkbar ist, daß er auf der gleichen Seite der Testplatte (39) unmittelbar neben der Dachkantreflektoreinheit (15) zu liegen kommt, wobei das Meßlicht in der verschwenkten Stellung des Hohlspiegels (31) zwischen der Dachkantreflektoreinheit (15) und dem Hohlspiegel (31) in das optische System ein- und ausgekoppelt wird.