EP2513617A1

EP2513617A1 - Ringleuchte, insbesondere für optische spektrometer

Info

Publication number: EP2513617A1
Application number: EP10794898A
Authority: EP
Inventors: Torsten BÜTTNER; Werner Hoyme; Felix Kerstan; Thomas Keune; Jens Mondry; Jörg Wagner
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2012-10-24
Also published as: DE102009060310A1; WO2011072870A1

Abstract

1. Ringleuchte, insbesondere für optische Spektrometer 2.1. Mit herkömmlichen Ringleuchten ist es nur mit großem Aufwand und auch nur mit begrenzter Genauigkeit möglich, das Beleuchtungslicht als Referenz für eine Messung heranzuziehen. Die Erfindung soll die Aufnahme von Referenzstrahlung mit geringerem Aufwand ermöglichen. 2.2. Zu diesem Zweck sind in dem mindestens einen Eintrittsbündel (4) der Ringleuchte (1) zusätzlich Eintrittsenden (3.1) einer Vielzahl von Referenzlichtwellenleitern (3) angeordnet sind, deren Austrittsenden (3.2) abseits des Rings (9) zu mindestens einem Referenzbündel (7) zusammengefasst sind. 2.3. Optische Spektrometer

Description

Rinqleuchte. insbesondere für optische Spektrometer

Die Erfindung betrifft eine Ringleuchte, insbesondere Spaltringleuchte, mit einer Vielzahl von Beleuchtungslichtwellenleitern, deren Austrittsenden in Form eines Rings angeordnet sind und deren Eintrittsenden zu mindestens einem Eintrittsbündel zusammengefasst sind. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Messkopf für ein optisches Spektrometer und ein optisches Spektrometersystem mit einer solchen Ringleuchte.

Die Anordnung in Form eines Rings bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die Austrittsenden so angeordnet sind, dass parallele Projektionen ihrer Austrittsflächen zwischen zwei Ovalen, insbesondere zwischen zwei Ellipsen oder zwischen zwei Kreisen, liegen. Im Innenbereich des Rings sind keine Austrittsenden angeordnet. Die Austrittsenden können gegeneinander verkippt sein, so dass die optischen Achsen der Beleuchtungslichtwellenleiter ringseitig nicht parallel sind.

Ringleuchten werden beispielsweise in der Mikroskopie, in der Fotographie und in der optischen Spektroskopie zur gleichmäßigen Beleuchtung verwendet. Dadurch kann beispielsweise bei geringen Entfernungen zwischen Objektiv und beleuchtetem Objekt der Schattenwurf vermindert werden.

Ein Spektrometer ist ein wellenlängenselektiver Detektor. Ein mit zwei Spektrometern ausgerüstetes Spektrometersystem kann im sogenannten Zweistrahlbetrieb messen. Beim Zweistrahlbetrieb empfängt das erste Spektrometer im sogenannten Messkanal von der Probe remittiertes Licht, der zweite im sogenannten Referenzkanal empfängt simultan direktes Licht von der Lichtquelle. Für die Auswertung wird der Quotient der Detektorsignale aus Mess- und Referenzkanal (statt nur des Messkanals im

Einstrahlbetrieb) herangezogen. Im Quotienten sind zumindest ein Teil der

Schwankungen der Strahldichte der Lichtquelle und Detektorempfindlichkeit nicht mehr enthalten. Räumliche Änderungen der Lichtquellenposition können sich in Mess- und Referenzkanal unterschiedlich auf die Strahldichte auswirken, so dass nur ein Teil der Lichtquellenschwankung durch die Quotientenbildung kompensiert wird. Das erste Spektrometer empfängt nur einen Teil der von der Probe remittierten Strahlung (von einer bestimmten Beobachtungsfläche und aus einem beobachteten Raumwinkel). Die auf das Spektrometer fallende Lichtleistung, ist dabei das Integral der remittierten Strahldichte über die beobachtete Fläche und Raumwinkel. Die von der Probe remittierte Strahlung ist annähernd (bei idealem Lambertstrahler genau) proportional der unter einem bestimmten Winkel auf die Probe fallenden

Lichtleistung. Die vom Referenzspektrometer empfangene Lichtleistung ist hingegen das Integral der Strahldichte der Lichtquelle über die vom Referenzspektrometer erfasste Fläche und Raumwinkel der Lichtquelle. Die Zweistrahlmessung nutzt dies zur Kompensation der Schwankung der Strahldichte der Lichtquelle, in dem der Quotient aus den Signalen von Referenz- und Messdetektor gebildet wird. Die Kompensation erfordert, dass der Referenzdetektor Licht von der gleichen Fläche und Raumwinkel der Lichtquelle wie die Probe empfängt. Dass Probe und

Referenzdetektor genau gleiche Fläche und Raumwinkel der Lichtquelle erfassen, ist jedoch nicht möglich. Dies erfordert einen technischen Kompromiss.

Ein möglicher Kompromiss ist die Anordnung einer Teilerplatte zur Auskopplung der Referenzstrahlung. Ein derartiges Spektrometersystem zur Erfassung der von einer Messfläche remittierten Strahlung ist aus EP 0 279 191 B1 (Carl Zeiss) bekannt. Hier haben die Beleuchtungs- und die Messeinrichtung eine gemeinsame Mittelachse, die senkrecht auf der Messfläche steht. Die Beleuchtungsanordnung weist dabei mindestens drei Beleuchtungslichtwellenleiter auf, deren optische Achsen an den Austrittsenden auf einem zur Mittelachse konzentrischen Konus angeordnet sind und die Messfläche unter einem Winkel von 45° zur Messflächennormalen beleuchten. Die Messeinrichtung nimmt Licht unter einem Winkel von 0° zur Normalen der Messfläche auf (sogenannte 4570°-Messgeometrie). Zwischen der Lichtquelle und den Eintrittsenden der Beleuchtungslichtwellenleiter ist eine Teilerplatte zur

Auskopplung von Referenzstrahlung in einen Referenzlichtwellenleiter angeordnet.

Die Teilerplatte erfordert zunächst eine aufwendige Justage der Lichtwellenleiter, um in Mess- und Referenzkanal eine identische Abbildung der Lichtquelle zu erzielen. Sie hat den weiteren Nachteil, dass die Aufnahme und Auswertung der

Referenzstrahlung empfindlich von der Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle abhängt. Eine Veränderung derselben, beispielsweise durch Schwankungen der Lichtquellenposition aufgrund von Temperaturveränderungen, wirkt sich in dem Referenzkanal anders als in dem Messkanal aus. Dadurch wird die mit der internen Referenzierung beabsichtigte Kompensation der Veränderungen der Lichtquelle im Messkanal beeinträchtigt oder sie wirkt sich sogar als Störeffekt aus. Weiterhin kann es insbesondere bei einem Wechsel des Leuchtmittels zu einem stark

unterschiedlichen Verhältnis der auf die beiden Kanäle übertragenen

Strahlungsleistungen kommen.

Auch in anderen Anwendungsgebieten von Ringleuchten wie der Mikroskopie oder der Ophthalmologie besteht teilweise die Notwendigkeit, das Beleuchtungslicht als Referenz für eine Messung heranzuziehen. Auch in der Fotographie sind

Anwendungen mit Referenzierung des Beleuchtungslichts denkbar. Mit

herkömmlichen Ringleuchten ist das nur mit großem Aufwand und auch dann nur mit begrenzter Genauigkeit möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ringleuchte anzugeben, die die Aufnahme von Referenzstrahlung mit geringerem Aufwand ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch eine Ringleuchte, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in dem mindestens einen Eintrittsbündel zusätzlich Eintrittsenden einer Vielzahl von Referenzlichtwellenleitern angeordnet sind, deren Austrittsenden abseits des Rings zu mindestens einem Referenzbündel zusammengefasst sind. Insbesondere bei Weitbereichsspektrometersystemen mit mehreren Spektrometern für verschiedene Wellenlängenbereichen können die Referenzlichtwellenleiter auf mehrere Referenzbündel verteilt sein

(Weitbereichsspektrometersystem mit interner Referenzierung/Zweistrahl- Weitbereichsspektrometersystem). Alternativ kann eines von mehreren

Referenzbündeln für eine integrale (wellenlängenunabhängige) Messung genutzt werden. Die erfindungsgemäße Abzweigung eines Teilbündels des Eintrittsbündels als Referenzbündel ermöglicht die Aufnahme von Referenzstrahlung ohne zusätzliche Hilfsmittel wie Teilerplatten oder sonstigen Reflektoren, also mit geringem Aufwand bei hoher Effizienz. Es werden lediglich diejenigen optischen Mittel benötigt, die ohnehin zur Einkopplung in die Beleuchtungslichtwellenleiter erforderlich sind.

Zudem wird eine robuste interne Referenzierung ermöglicht. Ein weiterer Vorteil ist die Flexibilität bei der Konstruktion eines Spektrometers mit einer

erfindungsgemäßen Ringleuchte. Lichtwellenleiter lassen sich beliebig führen, die Ankopplung an die anderen Teile eines Messkopfes und besonders auch der Einsatz in einem Kompaktspektrometersystem sind mit geringem Aufwand möglich.

Vorteilhafterweise können in dem Eintrittsbündel beispielsweise 14596

Beleuchtungslichtwellenleiter und 164 Referenzlichtwellenleiter zusammengefasst sein, so dass das Eintrittsbündel insgesamt 14760 Eintrittsenden aufweist.

Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen die Eintrittsenden der Referenzlichtwellenleiter oder lokale Gruppen von Eintrittsenden über den

Querschnitt des Eintrittsbündels statistisch gleichverteilt oder zumindest im

wesentlichen gleichverteilt angeordnet sind. Besonders bevorzugt sind auch

Ausführungsformen, in denen in flächengleichen, insbesondere kongruenten, Abschnitten eines Querschnitts des Eintrittsbündels jeweils eine identische oder zumindest im wesentlichen identische, von Null verschiedene Anzahl

Referenzlichtwellenleitern oder lokalen Gruppen von Referenzlichtwellenleitern endet, insbesondere mit statistisch gleichverteilter oder zumindest im wesentlichen gleichverteilter Anordnung der Eintrittsenden der Referenzlichtwellenleiter über den Querschnitt des Eintrittsbündels. Vorzugsweise sind die Abschnitte einfach zusammenhängende Flächen. Beispielsweise kann es sich um Kreisringsektoren oder Rechtecke handeln. Lokale Gruppen von Referenzlichtwellenleitern bestehen aus unmittelbar benachbarten Referenzlichtwellenleitereintrittsenden, die

beispielsweise bei der Herstellung bündelweise in das Eintrittsbündel eingebracht werden.

In solchen Ausführungsformen sind die Referenzlichtwellenleiter gleichmäßig oder zumindest im wesentlichen gleichmäßig über das Eintrittsbündel verteilt. Ein mögliches Kriterium für die Abweichung von der Gleichverteilung kann beispielsweise die Standardabweichung des mittleren Abstands der Eintrittsenden der Referenzlichtwellenleiter voneinander im Querschnitt des Eintrittsbündels sein. Die Anordnung ist als im wesentlichen gleichverteilt anzusehen, wenn sie maximal 20% von der idealen Gleichverteilung abweicht, wenn also die Standardabweichung maximal 20% des mittleren Abstands beträgt.

Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen, in denen die Eintrittsenden der

Referenzlichtwellenleiter oder lokale Gruppen von Eintrittsenden eine vorgegebene Standardabweichung ihres mittleren Abstands voneinander aufweisen, insbesondere mit einem vorgegebenen mittleren Abstand. Insbesondere kann die Vorgabe in einer maximalen Standardabweichung bestehen. Vorzugsweise weisen die Eintrittsenden der Referenzlichtwellenleiter einen mittleren Abstand zwischen 5% und 25% des Durchmessers des Eintrittsbündels, insbesondere zwischen 10% und 20% des Durchmessers des Eintrittsbündels, auf, insbesondere mit einer Standardabweichung von maximal 5% des Durchmessers des Eintrittsbündels, weiter insbesondere von maximal 2% des Durchmessers des Eintrittsbündels. Bei einem beispielhaften Durchmesser des Eintrittsbündels von 9 mm entspricht das einem mittleren Abstand von 0,45 mm bis 2,25 mm, insbesondere von 0,9 mm bis 0,18 mm, und einer Standardabweichung von maximal 0,45 mm, insbesondere von maximal 0,18 mm. Bei diesen Werten können trotz hoher Beleuchtungseffizienz lokale

Strahldichteschwankungen mit hoher Genauigkeit bei der Referenzierung

berücksichtigt werden.

Alternativ zur Beschreibung durch den mittleren Abstand kann der Grad der

Gleichverteilung der Referenzlichtwellenleiter als Quotient der Anzahl N der

Referenzlichtwellenleiter und der Gesamtfläche A des Eintrittsbündels beschrieben werden (Flächendichte). Bei differentieller Betrachtung ist in einem Flächenstück dA eine Anzahl dN von Lichtwellenleitern enthalten. Bei einer ideal gleichmäßigen Verteilung gilt an jedem Ort des Querschnitts dN/dA=N/A. Eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung ist in dieser Darstellung gegeben, wenn die lokale

Flächendichte ΔΝ/ΔΑ bei Aufteilung des Bündelquerschnitts in N gleichgroße Flächenstücke in keinem Flächenstück um mehr als 20% von der mittleren

Flächendichte Ν/Α abweicht. Bei Verwendung mehrerer Referenzfasern wird die maximal mögliche Unterdrückung der Schwankungen der Strahldichte der Lichtquelle erreicht, wenn die Fasern vollkommen gleichmäßig im Bündel angeordnet wären. Diese ideale

Anordnung der Referenzfasern im Bündel ist bei tausenden Einzelfasern nur mit sehr hohem Aufwand realisierbar. Zu Darstellung der möglichen Unterdrückung der Strahldichteschwankungen der Lichtquelle mit einer realen Faseranordnung wird vereinfachend angenommen, dass die Lichtquelle zumindest näherungsweise ein Lambertstrahler ist, d.h. die emittierte Strahldichte nicht vom Winkel, sondern nur vom Ort (x, y) der Abstrahlung abhängt. Die Betrachtung lässt sich jedoch ohne weiteres auch auf den Fall der Winkelabhängigkeit der Strahldichte erweitern. Die von der Lichtquelle emittierte Strahldichte, die an sich eine Zufallsfunktion ist, kann durch eine Gaußfunktion angenähert werden. Dann kann die Fehlerfortpflanzung der Lichtquellenschwankung auf die Schwankung des Quotienten aus Mess- und

Referenzsignal durch einen Fehlerfortpflanzungsfaktor beschrieben werden, der auch als Fehlerunterdrückungsfaktor bezeichnet werden kann.

Bei ideal gleichmäßig verteilten Fasern ergibt sich der minimal mögliche

Fehlerfortpflanzungsfaktor näherungsweise zu

mit

E = Fehlerfortpflanzungsfaktor

Rbundei = Radius des Faserbündels und

KF = Radius der Autokorrelationsfunktion (AKF) der Lichtquelle.

Bei vollständig unkorrelierten Strahldichteschwankungen des Quotienten gegen unendlich(rAKF = 0) geht die Schwankung des Quotienten gegen unendlich. Bei vollständig korrelierten Schwankungen (Lichtleistung der Quelle ändert sich nur als Ganzes) geht die Standardabweichung des Quotienten gegen 0. Bei einer beliebigen Verteilung der Referenzfasern im Bündel ergibt sich folgender

Fehlerfortpflanzungsfaktor:

mit

wobei Integration über Fläche des Faserbündels erfolgt.

Dabei sind

dA = Flächenelement innerhalb der Faserbündels

TAKF = Radius der Autokorrelationsfunktion der Lichtquelle

(x,y) = Koordinaten im Faserbündel, über die Integriert werden soll

w(x,y) = Überlappungswahrscheinlichkeit (Wahrscheinlichkeit für Gleichlauf der

Strahldichten) und

(Xi.y,) = Koordinaten der Referenzfasern.

Diese Formel kann zur Überprüfung einer realen Faserverteilung auf genügend kleinen Fehlerfortpflanzungfaktor eingesetzt werden. Zur Berechnung des

Fehlerfortpflanzungsfaktors kann folgendes Verfahren verwendet werden:

1. Bestimmung der Autokorrelationsfunktion der Lichtquelle. Bei Bestimmung der AKF müssen alle möglichen Ursachen, die zu Schwankungen der Lichtenergie führen können, berücksichtigt werden.

2. Referenzfasern werden rückseitig beleuchtet. Bildaufnahme des Fasereingangs, Bestimmung der Position(en) (Xj.yj) der leuchtenden Referenzfaser(n) mit bekannten Methoden der Bildverarbeitung,

3. Berechnung des Fehlerfortpflanzungsfaktors nach obigen Formeln

4. Vergleich des ermittelten Fehlerfortpflanzungsfaktors mit vorgegeben Maximalwert bei Überschreitung muss für gleichmäßiger Faserverteilung oder mehr

Referenzfasern gesorgt werden

Als Maximalwert könnte beispielsweise das Doppelte des minimalen

Fehlerfortpflanzungsfaktors E_min festgelegt werden. Dazu müssen der Radius der Autokorrelationsfunktion der Lichtquelle und die Position aller Referenzfasern bekannt sein.

Fig. 1 zeigt zufällig erzeugte Gleichverteilungen von Fasern über einen kreisförmigen Bündelquerschnitt. Horizontal weisen die Verteilungen gleiche Faseranzahlen auf, vertikal steigt die Faserzahl nach unten hin von 10 auf 150 Fasern an (Schrittweite 10). Die dargestellten Faserverteilungen sind die Grundlage für die Berechnung des Fehlerfortpflanzungsfaktors in Fig. 2. Dargestellt ist jeweils der quadratisch gemittelte Fehlerfortpflanzungsfaktor der zehn Verteilungen in einer Zeile von Fig. 1. Die resultierenden Fehlerfortpflanzungsfaktoren sind näherungsweise gleich und nahezu ideal, obwohl der visuelle Eindruck eine ungleichmäßige Verteilung zu vermitteln scheint.

Die einzusetzende Mindestfaserzahl hängt von Halbwertsbreite der

Autokorrelationsfunktion AKF der Lichtquelle ab. Bei Bestimmung der AKF müssen alle möglichen Ursachen, die zu Schwankungen der Lichtenergie führen können, berücksichtigt werden. Eine große Halbwertsbreite der AKF ist generell günstig für den Gleichlauf der Lichtleistung in Beleuchtungs- und Referenzlichtleitern, ist jedoch nicht bei jeder Lichtquelle gegeben.

Alternativ oder zusätzlich zu einer gleichmäßigen Verteilung der

Referenzlichtwellenleiter kann im optischen Pfad zwischen der Lichtquelle und dem Eintrittsbündel ein die Strahlung homogenisierender Körper angeordnet sein, was jedoch einen größeren Bauraum erfordert. Auch mit einem solchen Körper können lokale Schwankungen der Strahldichte einer räumlich ausgedehnten Lichtquelle bei der Referenzierung berücksichtigt werden, da sie durch den homogenisierenden Körper gleichmäßig auf die Beleuchtungs- und Referenzlichtwellenleiter verteilt werden, auch wenn die Referenzlichtwellenleiter ungleichmäßig über das

Eintrittsbündel verteilt sind.

Bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen das Eintrittsbündel mindestens 1000, insbesondere mindestens 5000, weiter insbesondere mindestens 8000, separate Lichtwellenleiter aufweist, wovon mindestens 1 %, insbesondere mindestens 10%, Referenzlichtwellenleiter sind. Diese Ausführungsformen ermöglichen eine hohe Beleuchtungs- und Referenzierungseffizienz, insbesondere bei einem Durchmesser der Lichtwellenleiter von 70 μιη.

Vorteilhafterweise kann das Eintrittsbündel einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Dies bewirkt eine hohe Effizienz der Strahlungsübertragung,

beispielsweise in Verbindung mit Glühlampen oder Leuchtdioden als Lichtquellen. Bei anderen Lichtquellen wie Bogenlampen kann ein runder Bündelquerschnitt vorteilhafter sein.

Zweckmäßigerweise sind die Austrittsenden der Beleuchtungslichtleiter unter 45° zu einer Mittelachse des Rings angeordnet, wobei ihre optischen Achsen die

Mittelachse schneiden oder zumindest näherungsweise schneiden. Eine solche Beleuchtungsanordnung ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit einem

Spektrometer (45 0°-Messgeometrie). Die Messung der diffusen Reflexion ist dann signifikant weniger von Glanz und Struktur der Oberfläche abhängig als bei kollinearer Anordnung von Beleuchtungs- und Beobachtungsstrahlengang.

Vorzugsweise sind die Austrittsenden der Beleuchtungslichtwellenleiter dicht gepackt. Unter der dichten Packung ist die abstandslose (lückenlose) Anordnung der Austrittsenden zu verstehen. Es ist nicht notwendig, die Austrittsenden zu diesem Zweck aneinanderzupressen. Eine drucklose Einfassung der

Beleuchtungslichtwellenleiter im Bereich der Austrittsenden ist ausreichend. Die sich aus der lückenlosen Anordnung der Beleuchtungslichtwellenleiter zum Ring ergebende Form der Beleuchtung wird im Sinne der Erfindung als zirkulär

bezeichnet, wohingegen die Beleuchtung mit voneinander beabstandeten

Beleuchtungslichtwellenleitern als annular bezeichnet wird. Die zirkuläre Beleuchtung hat den Vorteil, in guter Näherung rotationssymmetrisch zu sein, so dass die

Aufnahme von remittiertem Licht einer Probe unabhängig von deren Orientierung ist. Dadurch können Proben mit anisotropen Remissionseigenschaften auch ohne Bewegung spektroskopisch korrekt vermessen werden. Eine besonders hohe

Genauigkeit wird erreicht, wenn die Eintrittsenden der Beleuchtungslichtwellenleiter im Eintrittsbündel stochastisch verteilt sind, wenn also - mit anderen Worten - der Ort der Austrittsenden im Ring nicht mit dem Ort der Eintrittsenden im Eintrittsbündel korreliert. Dadurch werden lokale Variationen der Strahldichte einer ausgedehnten Lichtquelle nahezu isotrop auf der Probe verteilt.

Vorteilhafterweise ist vor den Austrittsenden der Beleuchtungslichtwellenleiter oder vor einer Untermenge davon eine Zylinderlinse in Form eines Torussegmentes angeordnet. Dadurch gelingt mit geringem Aufwand eine Fokussierung des

Beleuchtungslichts auf eine Ringfläche, so dass in einem scharf begrenzten Raumbereich eine hohe Lichtintensität erzielt werden kann. Vorzugsweise ist die Zylinderlinse ringförmig, so dass sie eine zentrale Ausnehmung aufweist. Auf separate Optiken für verschiedene Beleuchtungslichtwellenleiter kann verzichtet werden, es ist aber auch denkbar die Zylinderlinse aus mehreren Torussegmenten zu einem Ring zusammenzusetzen. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung einer torischen Zylinderlinse hoher Dichte der Austrittsenden der

Beleuchtungslichtwellenleiter, insbesondere bei dicht gepackten Austrittsenden, da die Übertragungseffizienz deutlich höher ist als bei Einzeloptiken. Im Sinne der Erfindung schließt der Begriff des Torussegmentes auch Körper mit ein, bei denen an ein Torussegment im eigentlichen Sinne nahtlos ein Plankörper angeschlossen ist.

Die Erfindung umfasst unabhängig vom Einsatzgebiet auch eine Linse in Form eines Rotationskörpers, der mindestens eine optisch wirksame Oberfläche und eine zentrale Ausnehmung aufweist. Mit anderen Worten, die Form der Linse entspricht einem Körper, der als Einhüllende einer Rotation einer an sich bekannten optischen Linse um eine Achse, die außerhalb der Linse liegt, entsteht. Die Linse kann aus für Linsen an sich bekanntem Material bestehen.

Die Erfindung umfasst daneben insbesondere einen Messkopf für ein optisches Spektrometersystem, aufweisend ein Gehäuse mit einer Lichtdurchlassöffnung und eine erfindungsgemäße Ringleuchte, in deren Eintrittsbündel neben

Beleuchtungslichtwellenleitern zusätzlich Referenzlichtwellenleiter, deren

Austrittsenden abseits des Rings zu einem Referenzbündel zusammengefasst sind, angeordnet sind, wobei der Ringleuchtenring um die Lichtdurchlassöffnung herum angeordnet ist, insbesondere mit paralleler Ausrichtung einer Mittelachse des

Ringleuchtenrings und einer Längsachse der Lichtdurchlassöffnung. In einem solchen Messkopf ist die Verwendung einer Ringleuchte besonders vorteilhaft, da sie die Vermessung von Proben mit beliebigen optischen Eigenschaften bei einer Lichtaufnahmerichtung von 0° zur Probenoberflächennormalen erlaubt. Hierbei ist die einfache interne Referenzierung mittels eines abgezweigten

Referenzlichtwellenleiterbündels besonders vorteilhaft. Die Lichtdurchlassöffnung setzt sich dabei vorzugsweise tunnelförmig in das Gehäuse hinein fort. Vorteilhafterweise kann vor dem Austrittsbündel der Referenzlichtwellenleiter ein optisches Koppelelement angeordnet sein, insbesondere zur Einkopplung in ein Spektrometer oder in mindestens einen weiteren Lichtwellenleiter. Dadurch ist der Messkopf universell verwendbar. Das gilt insbesondere für modular

zusammengesetzte Spektrometersysteme, in denen das zur Referenzmessung vorgesehene Spektrometer mittels des weiteren Lichtwellenleiters vom eigentlichen Messkopf abgesetzt ist. Es ist auch möglich, das Koppelelement außerhalb des Messkopfs anzuordnen, beispielsweise in einem separaten Modul wie einem

Beleuchtungsmodul. Unabhängig vom Ort des Koppelelements kann sie einen optisch homogenisierenden Körper umfassen, so dass ein Querversatz im

Strahlengang weniger problematisch ist.

Zur modularen Zusammensetzung ist es insbesondere zweckmäßig, in dem

Gehäuse in oder hinter der Lichtdurchlassöffnung ein optisches Koppelelement für durch die Lichtdurchlassöffnung einfallendes Licht zur Einkopplung desselben in mindestens einen Messlichtwellenleiter oder in ein Spektrometer anzuordnen.

Dadurch ist der Messkopf universell verwendbar. Das gilt insbesondere für modular zusammengesetzte Spektrometersysteme, in denen das zur Messung vorgesehene Spektrometer mittels des Messlichtwellenleiters vom eigentlichen Messkopf abgesetzt ist. Bei Ausführungsformen ohne Messlichtwellenleiter kann das Messlicht zwischen dem Koppelelement und dem Spektrometer beispielsweise frei propagieren und insbesondere durch Spiegel abgelenkt werden. Dadurch wird eine hohe

Übertragungseffizienz für Messstrahlung erzielt.

Vorzugsweise ist der Messkopf so ausgebildet, dass der optische Weg zwischen den Eintrittsenden der Referenzlichtwellenleiter und dem Koppelelement frei ist von diffus reflektierenden Flächen und frei ist von spiegelnden Flächen, beispielsweise

Referenzkörpern wie Weiß-Standards. In Verbindung mit einer statistisch

gleichmäßigen Verteilung der Eintrittsenden der Referenzlichtwellenleiter im

Eintrittsbündel ist die Referenzierung auch ohne Weiß-Standard mit hoher

Genauigkeit möglich.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen, in denen die Lichtdurchlassöffnung und die Ringleuchte gemeinsam in einem Modul angeordnet sind und die Austrittsenden der Referenzlichtwellenleiter und die Eintrittsenden der Referenzlichtwellenleiter und der Beleuchtungslichtwellenleiter parallel enden. Das Messkopfmodul kann dann flexibel mit einem Beleuchtungsmodul und/oder mit einem Spektrometermodul verbunden werden, in denen sich weitere Lichtwellenleiter oder unmittelbar eine Lichtquelle beziehungsweise ein oder mehrere Spektrometer befinden.

Die Erfindung umfasst insbesondere ein Spektrometersystem mit einem optischen Spektrometer und einem Messkopf, der die oben beschriebenen Eigenschaften einzeln oder in Kombination aufweist.

Vorzugsweise ist der Messkopf als Modul ausgebildet und mit einem

Beleuchtungsmodul verbunden oder verbindbar, wobei in dem Beleuchtungsmodul eine Lichtquelle und Mittel zur Einkopplung von Licht der Lichtquelle in das

Eintrittsbündel der Ringleuchte angeordnet sind. Dies ermöglicht die flexible Auswahl von Lichtquellen und Spektrometern und erlaubt gleichzeitig die wirtschaftlich günstige Vorhaltung vorkonfektionierter Module. Als Lichtquelle können

beispielsweise Halogenlampen, Deuteriumlampen, Kurzbogenlampen, Leuchtdioden und Laser oder Kombinationen davon verwendet werden.

Vorteilhafterweise können die Austrittsenden der Referenzlichtwellenleiter mit dem Spektrometer verbunden oder verbindbar sein und es kann mindestens ein

Messlichtwellenleiter oder eine Freistrahloptik einen Lichtaufnehmer in der

Lichtdurchlassöffnung optisch mit dem Spektrometer verbinden. Optional kann dem Spektrometer ein Schalter vorgeordnet sein, mittels dessen die Verbindung zum Spektrometer zwischen den Referenzlichtwellenleitern und dem Lichtaufnehmer in der Lichtdurchlassöffnung umschaltbar ist. Zur Umschaltung kann ein

einschwenkbarer Spiegel oder ein Strahlteiler mit schaltbaren Eingängen oder ein Multiplexer angeordnet sein. Alternativ zur Umschaltung können im Referenzkanal und im Messkanal separate Spektrometer angeordnet sein.

Insbesondere kann das Beleuchtungsmodul neben der Lichtquelle

Zusatzreferenzlichtwellenleiter zum Anschluss an die Referenzlichtwellenleiter und Messlichtwellenleiter zur Aufnahme von Messlicht aus der Lichtdurchlassöffnung des Messkopfmoduls umfassen, die die betreffende Strahlung an entsprechende Koppelstellen weiterleiten. An ein solches Beleuchtungsmodul kann dann zweckmäßigerweise ein Spektrometermodul so angeschlossen werden, dass die Mess- beziehungsweise Referenzsstrahlung von den Koppelstellen zu einem oder mehreren Spektrometern geleitet werden. Zu diesem Zweck können weitere

Lichtwellenleiter im Spektrometermodul angeordnet sein. An den Koppelstellen der Module können Koppeloptiken zum Auskoppeln und Wiedereinkoppeln der betreffenden Strahlung angeordnet sein. Anstelle von Lichtwellenleitern kann das betreffende Licht (Referenzlicht oder Messlicht) im Beleuchtungsmodul und/oder im Spektrometermodul beispielsweise frei propagieren (Freistrahloptik). Zur Ablenkung zu den Koppelstellen sind beispielsweise Spiegel vorzusehen.

Wie oben beschrieben kann das Spektrometersystem zwischen der Lichtquelle und dem Eintrittsbündel der Referenzlichtwellenleiter und Beleuchtungslichtwellenleiter ein Mittel zur optischen Homogenisierung von auf die Mittel treffendem Licht enthalten, um eine lokal variierende Strahldichte einer ausgedehnten Lichtquelle in gleicher Weise über den Messkanal wie über den Referenzkanal zu dem einen oder mehreren Spektrometern zu übertragen. Zusätzlich können im Referenzkanal Mittel zur Homogenisierung angeordnet sein.

In bevorzugten Ausführungsformen eines Spektrometersystems weist die Lichtquelle im Verhältnis zu einem Radius des Eintrittsbündels einen relativen

Autokorrelationsfunktionsradius von mindestens 0,1 und die Anordnung der

Eintrittsfasern der Referenzlichtwellenleiter im Eintrittsbündel einen

Fehlerfortpflanzungsfaktor E auf, der höchstens ein Zweifaches eines minimal möglichen Fehlerfortpflanzungsfaktors E_min ist.

In vorteilhaften Ausgestaltungen ist der Messkanal im Messkopf frei von

Lichtwellenleitern, insbesondere in Verbindung damit, dass im Spektrometersystem der gesamte optische Weg zwischen der Lichtdurchlassöffnung und dem

Spektrometer frei von Lichtwellenleitern ist. Zur Lichtaufnahme und -ablenkung zum Spektrometer ist dann ausschließlich Freistrahloptik vorgesehen. Durch den Einsatz von Freistrahloptik im Messkanal wird eine signifikant höhere spektrale

Energieeffizienz ermöglicht als beim Einsatz von Lichtwellenleitern. Das gilt insbesondere in Fällen, in denen das Spektrometer so angeordnet ist, dass durch die Lichtdurchlassöffnung einfallendes Messlicht ohne Richtungsänderung zum

Spektrometer gelangt.

Das erfindungsgemäße Spektrometersystem kann insbesondere ein

Kompaktspektrometersystem sein. Ein Kompaktspektrometersystem im Sinne der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Lichtquelle, die

Referenzlichtwellenleiter, die Beleuchtungslichtwellenleiter und das Spektrometer im Innenraum eines gemeinsamen Gehäuses angeordnet und dort gegenüber der Umgebung abgeschirmt sind. Vorzugsweise weist das Gehäuse den Schutzgrad IP65 gemäß DIN EN 60529 auf, schützt seinen Innenraum also vollständig vor Berührung, Staubeintritt und Strahlwasser. Darüber hinaus kann das Gehäuse den Schutzgrad IP67 aufweisen, also seinen Innenraum zusätzlich vor Flüssigkeitseintritt bei zeitweiligem Untertauchen schützen. Das gemeinsame Gehäuse braucht dabei nicht einstückig ausgeführt zu sein, sondern kann aus mehreren Teilen bestehen, die den gemeinsamen Innenraum mittels Dichtungen gegenüber der Umgebung abschirmen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 simulierte Faserverteilungen in einem runden Eintrittsbündel,

Fig. 2 Fehlerfortpflanzungsfaktoren der simulierten Faserverteilungen,

Fig. 3 eine Ringleuchte mit Referenzabzweigung in pseudoperspektivischer

Darstellung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Eintrittsbündels in Draufsicht,

Fig. 5 ein modular zusammengesetztes Spektrometersystem und

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Beleuchtungsmoduls mit

Homogenisierungskörper. In allen Zeichnungen tragen übereinstimmende Teile gleiche Bezugszeichen.

Fig. 3 zeigt eine Ringleuchte 1 , die eine Vielzahl von

Beleuchtungslichtwellenleitern 2 mit Eintrittsenden 2.1 und Austrittsenden 2.2 umfasst. Es handelt sich beispielsweise um 7165 Glasfasern mit einer Dicke von jeweils 70 μηη, von denen der Übersicht halber nur wenige abgebildet sind. Daneben weist die Ringleuchte 1 eine kleinere Anzahl von

Referenzlichtwellenleitern 3 mit Eintrittsenden 3.1 und Austrittsenden 3.2 auf. Auch hier handelt es sich beispielsweise um Glasfasern, im gezeigten Fall um 800 Stück.

Die dicht gepackten Eintrittsenden 2.1 und 3.1 beider Lichtwellenleiterarten bilden zusammen das Eintrittsbündel 4, das einen rechteckigen Querschnitt mit

beispielsweise 89 Reihen ä abwechselnd 90 und 89 Eintrittsenden 2.1 und 3.1 aufweist und von einer entsprechend rechteckigen Fassung 5 gehalten wird. Die Austrittsenden 2.2 der Beleuchtungslichtwellenleiter 2 sind dicht zu einem Ring 9 gepackt, wobei sie beispielsweise parallel in eine kreisförmige Fassung 6

eingespannt sind. Aufgrund der großen Anzahl von Beleuchtungslichtwellenleitern 2 ist der Ring 9 näherungsweise rotationssymmetrisch. Die Austrittsenden 3.2 der Referenzlichtwellenleiter 3 sind ebenfalls dicht zu einem Austrittsbündel 7 mit rechteckigem Querschnitt gepackt, das durch eine rechteckige Fassung 8 gehalten wird.

Im abgebildeten Fall sind die Eintrittsenden 3.1 der Referenzlichtwellenleiter 3 so über das Eintrittsbündel verteilt, dass sie aufgrund der dazwischenliegenden Eintrittsenden 2.1 der Beleuchtungslichtwellenleiter 2 voneinander einen mittleren Abstand von etwa 20 Durchmessern der Lichtwellenleiter, also etwa 1 ,4 mm, aufweisen. Dabei ist die Standardabweichung des mittleren Abstands von Null verschieden, sie beträgt etwa 5 Durchmesser der Lichtwellenleiter, also etwa 0,35 mm. In anderen Ausführungsformen (nicht abgebildet) können die

Einrittsenden 3.2 der Referenzlichtwellenleiter 3 im Eintrittsbündel 4 äquidistant angeordnet sein. Das Eintrittsbündel 4 kann auf eine Lichtquelle (nicht dargestellt) oder auf eine zwischengeschaltete Einkoppeloptik (nicht dargestellt) ausgerichtet werden, so dass Strahlung der Lichtquelle in die Lichtwellenleiter 2, 3 eintritt, durch die

Lichtwellenleiter 2, 3 - im Falle von Glasfasern aufgrund von Totalreflexion - zu den Austrittsenden 2.2 und 3.2 geleitet wird und dort wieder austritt. Im abgebildeten Fall wird das austretende Licht jedes Lichtwellenleiters 2, 3 beispielsweise kegelförmig mit einem ebenen Winkel von 45° aufgefächert. Die optischen Achsen der

Austrittsenden 2.2 der Beleuchtungslichtwellenleiter 2 verlaufen parallel zueinander, ebenso die optischen Achsen der Austrittsenden 3.2 der Referenzlichtwellenleiter 3. In anderen Ausführungsformen (nicht abgebildet) schneiden die optischen Achsen der Austrittsenden 2.2 der Beleuchtungslichtwellenleiter 2 einander beispielsweise in einem gemeinsamen Punkt auf der Mittelachse M des Rings 9 oder sind unter einem gleichen ebenen Winkel, beispielsweise von 45°, zur Mittelachse M ausgerichtet.

In anderen Ausführungsformen (nicht dargestellt) können die Austrittsenden 2.2 zum Zwecke einer annularen Beleuchtung voneinander beabstandet sein, so dass jedes Austrittsenden 2.2 für sich befestigt sein muss. Alternativ zur rechteckigen Form können die Fassungen 5 und 8 und entsprechend die Bündel 4 und 7 auch jede andere Form haben. Insbesondere können sie oval, insbesondere elliptisch sein. Die Fassung 5 und das Bündel 4 können eine andere Form aufweisen als die Fassung 8 und das Bündel 7.

In Fig. 4 ist die geometrisch gleichmäßige Verteilung von Referenzlichtwellenleitern 3 (schwarz dargestellt) zwischen Beleuchtungslichtwellenleitern 2 (weiß dargestellt) in einem rechteckigen Eintrittsbündel 4 schematisch dargestellt. Der besseren

Übersicht halber ist stellvertretend nur eine sehr geringe Anzahl von

Lichtwellenleitern 2, 3 bei einem geringen mittleren Abstand der

Referenzlichtwellenleiter 3 dargestellt. Erkennbar ist die näherungsweise

gleichmäßige Verteilung der Referenzlichtwellenleiter 3. Alternativ können die Referenzlichtwellenleiter 3 Im Eintrittsbündel 4 äquidistant angeordnet sein (nicht dargestellt). Runde oder andersförmige Eintrittsbündel können entsprechend hergestellt werden. Fig. 5 zeigt einen modularen Messkopf 10 als lösbares Teil eines

Spektrometersystems 1. In Teilfigur 3A ist das Spektrometersystem 1 im

Querschnitt und Teilfigur 3B in Draufsicht aus Richtung der Probe S dargestellt. Im Messkopfmodul 10, das von einem Gehäuse 12 mit einer Lichtdurchlassöffnung 13 umgeben ist, ist eine Ringleuchte 1 angeordnet, die weitgehend der in Fig. 3 beschriebenen Ausführungsform entspricht. Die Abweichungen sind nachstehend beschrieben. Das Spektrometersystem 11 weist neben dem Messkopfmodul 10 ein Spektrometermodul 14, ein Beleuchtungsmodul 17 und einen Steuerrechner (nicht abgebildet) auf.

Das Spektrometermodul 14 ist mechanisch mit dem Beleuchtungsmodul 17 verbunden und umfasst einen optischen Umschalter 15, der einen Strahlteiler 15.1 und zwei optische Verschlüsse 15.2 aufweist, und ein polychromatisches

Spektrometer 16 mit einem abbildenden Beugungsgitter 16.1 und einer

Detektorzeile 16.2, die mit dem nicht abgebildeten Steuerrechner verbunden ist. Das Beugungsgitter 16.1 spaltet das durch den Eintrittsspalt 16.3 einfallende Licht in bekannter Weise räumlich-spektral auf und fokussiert es wellenlängenabhängig auf unterschiedliche Detektorelemente der Detektorzeile 16.2. Die Detektorzeile 16.2 ist beispielsweise ein ortsauflösender optischer Halbleitersensor aus Silizium. Es ist auch möglich, Detektorelemente aus unterschiedlichen Materialien mit

unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten je nach Ort und damit zu

detektierender Wellenlänge auf der Detektorzeile 16.2 einzusetzen, beispielsweise Si-Detektorelemente für VIS und NIR und InGaAs-Detektorelemente für

längerwelliges Licht. Alternativ können für unterschiedliche Spektralbereiche verschiedene Spektrometer angeordnet sein, die über Farbteilerspiegel oder Y- Lichtwellenleiter angebunden sind.

Das Messkopfmodul 10 ist mechanisch mit dem Beleuchtungsmodul 17 verbunden. In dem Beleuchtungsmodul 17 sind eine Lichtquelle 18, beispielsweise eine

Halogenglühlampe, und Mittel 19, beispielsweise ein Ellipsoidreflektor 19.1 und eine Sammeloptik 19.2 mit hoher numerischer Apertur, zum Einkoppeln von von der Lichtquelle 18 emittiertem Licht in das Eintrittsbündel 4 der Ringleuchte 1

angeordnet. Bei bestehender Verbindung von Messkopfmodul 10 und

Beleuchtungsmodul 17 können auf diese Weise etwa 50% des von der Lichtquelle 18 emittierten Lichts in das Eintrittsbündel 4 der Ringleuchte 1 eingekoppelt werden. Die elektrischen Zuleitungen zur Lichtquelle sind der Übersicht halber nicht dargestellt.

Die Ringleuchte 1 weist im abgebildeten Fall einen näherungsweise

rotationssymmetrischen Ring 9 aus Austrittsenden 2.2 von 7165

Beleuchtungslichtwellenleitern auf, deren optische Achsen jeweils unter 45° zur Längsachse L der Lichtdurchlassöffnung 13, die hier beispielsweise mit der

Mittelachse M des Rings 9 zusammenfällt, angeordnet sind. Vor den ringförmig um die Lichtdurchlassöffnung 13 angeordneten Austrittsenden 2.2 ist eine

rotationssymmetrische Zylinderlinse 20 in Form eines Torussegmentes angeordnet, die das aus den Beleuchtungslichtwellenleitern 2 divergent austretende

Beleuchtungslicht zu einem Lichtspalt mit einem ebenen Öffnungswinkel von beispielsweise 22,5° bündelt.

In der Lichtdurchlassöffnung 13 ist eine Sammeloptik als Lichtaufnehmer 21 angeordnet, welche von der Probe remittiertes Licht auf eine Öffnung im Gehäuse 12 fokussiert, über die das Beleuchtungsmodul 17 dieses Messlicht mittels

Koppelelementen 22, beispielsweise Sammeloptiken, an das Spektrometermodul 14 weiterleitet. Das Austrittsbündel 7 der Referenzlichtwellenleiter 3 ist parallel zum Eintrittsbündel 4 angeordnet und mündet an einer Öffnung des Gehäuses 12 senkrecht zu dessen Oberfläche. Das Beleuchtungsmodul 17 leitet das hier austretende Referenzlicht ebenfalls mittels Koppelelementen 22 zum

Spektrometermodul 14 weiter. Eine gemeinsame Schutzscheibe 23, beispielsweise aus Saphirglas, verhindert mechanische Einwirkungen auf das Innere des

Messkopfes 10, insbesondere auf die optischen Einrichtungen 9, 2, 20 und 21. Der optische Weg von der Lichtquelle 18 bis zur Probe S wird als

Beleuchtungsstrahlengang bezeichnet.

In der abgebildeten Ausführungsform sind der Messkanal, also der optische Weg von der Probe S bis zum Spektrometer 16 - auch als Messstrahlengang bezeichnet - und alternativ der Referenzkanal, also der optische Weg von der Lichtquelle 18 bis zum Spektrometer 16, mittels des Umschalters 15 mit dem Spektrometer 16 verbindbar. In dem abgebildeten Schaltzustand ist der Referenzkanal mit dem Spektrometer 16 verbunden. Ein beispielhafter Strahlengang von an der Lichtquelle 18 emittiertem Licht ist mit unterbrochenen Linien dargestellt.

Das Beleuchtungsmodul 17 kann bei minimalem Bauraumbedarf einfach gegen ein anderes Modul mit entsprechender Anordnung von Lichtquelle 18 und

Freistrahloptiken als Koppelelementen 22 oder Lichtwellenleitern ausgetauscht werden. Entsprechendes gilt für das auch das Spektrometermodul 14.

In alternativen Ausführungsformen (nicht abgebildet) kann der Lichtaufnehmer 21 als Koppeloptik zum Einkoppeln des remittierten Messlichts in einen oder mehrere Messlichtwellenleiter (nicht abgebildet), die optisch mit einem Spektrometer 16 verbunden sind, ausgebildet sein. Wenn auch im Referenzkanal weitere

Lichtwellenleiter an das Austrittsbündel 7 angeschlossen sind, kann das

Spektrometermodul beispielsweise räumlich vom Messkopf 10 und vom

Beleuchtungsmodul 17 getrennt angeordnet werden. Insbesondere kann auch das Beleuchtungsmodul 17 über ein reines Beleuchtungslichtwellenleiterbündel, dass an das Eintrittsbündel 4 des Messkopfs 10 anschließbar ist, vom Messkopf 10 abgesetzt werden. Dies kann beispielsweise bei temperaturempfindlichen Anwendungen oder bei geringem verfügbarem Bauraum erforderlich sein. In diesen Fällen kann das Spektrometermodul 14 ausschließlich über die zusätzlichen Lichtwellenleiter oder, entsprechend der Abbildung, über das Beleuchtungsmodul 17 mit dem Messkopf 10 verbunden sein. Insbesondere beim Anschluss von Lichtwellenleiterbündeln an den Messkopf 10 ist es sinnvoll, jeweilige Koppeloptiken im Messkopf 10 anzuordnen, so dass von außen nur Kabel in die betreffenden Koppelstellen einzustecken sind. Es sind aber auch Varianten ohne Koppeloptiken möglich, so dass interne

Lichtwellenleiterbündel des Messkopfs 10 unmittelbar auf die externen

Lichtwellenleiterbündel stoßen.

Der Umschalter 15 kann alternativ auch als beweglicher Spiegel ausgeführt sein, der je nach Stellung entweder den Referenzkanal zum Spektrometer 16 spiegelt und dabei den Messkanal blockiert oder aber den Referenzkanal blockiert und den der Messkanal zum Spektrometer 16 durchlässt. Generell können das oder die Spektrometer 16 und optional auch die Lichtquelle 18 im Gehäuse 12 des Messkopfs 10 angeordnet sein. Dadurch ist eine besonders kompakte Bauweise möglich. Ein einzelnes Spektrometer 16 kann vorteilhafterweise in der oder am Ende der Lichtdurchlassöffnung angeordnet sein, zweckmäßigerweise hinter dem Lichtaufnehmer 21. Auch der Steuerrechner kann im Gehäuse 12 integriert sein, beispielsweise bei Ausführung als„Microcontroller" oder„System-on- Chip".

In Fig. 6 ist ein alternatives Spektrometersystem 11 dargestellt. Die Module 14 und 17 können beispielsweise in einem Spektrometersystem 11 gemäß Fig. 5 eingesetzt werden und umgekehrt, da die Koppelstellen 27 und 28 und die

mechanischen Verbindungselemente identisch sind. Die Messkopfmodule 0 sind in diesen Beispielen identisch.

Im Beleuchtungsmodul 17 ist zwischen der Lichtquelle 18 und dem Eintrittsbündel 4 ein optisch homogenisierender Körper, beispielsweise ein holographischer Diffusor (engl,„holographic diffuser"), als Mittel 24 zur optischen Homogenisierung der in Abhängigkeit der Eigenschaften der Lichtquelle 18 und des Reflektors 19.1 anisotropen Strahlung der Lichtquelle 18 angeordnet. Auf eine gleichmäßige

Verteilung der Referenzlichtwellenleiter 3 im Eintrittsbündel 4 kann dann verzichtet werden, sie schadet aber auch nicht. Ein zusätzlicher Homogenisator kann in allen Ausführungsformen im Referenzkanal zwischen den Austrittsenden 3.2 der

Referenzlichtwellenleiter und dem Spektrometer 16 angeordnet sein.

In der abgebildeten Ausführungsform sind die Austrittsenden 3.2 der

Referenzlichtwellenleiter 3 über ein Bündel 25 von Zusatzreferenzlichtwellenleitern optisch mit einem ersten Spektrometer 16A verbunden. Ein Bündel 26 von

Messlichtwellenleitern verbindet den Lichtaufnehmer 21 in der

Lichtdurchlassöffnung 13 optisch mit einem zweiten Spektrometer 16B.

In einer alternativen Ausgestaltung (nicht abgebildet) kann das

Spektrometermodul 14 mittels zusätzlicher Lichtwellenleiter vom

Beleuchtungsmodul 17 abgesetzt werden. Die Koppelstelle 27 für das Referenzlicht und die Koppelstelle 28 für das Messlicht können dann beispielsweise so angeordnet sein, dass sie über einen gemeinsamen Stecker für die

Zusatzreferenzlichtwellenleiter 25 die Messlichtwellenleiter 26 und mit dem

Spektrometermodul 14 verbunden werden können. Vorzugsweise können auch die elektrischen Zuleitungen für die Lichtquelle 18 mit diesem Stecker angeschlossen werden. Dann ist beispielsweise nur ein einzelnes Kabel zur betriebsbereiten

Verbindung von Spektrometermodul 14 und Beleuchtungsmodul 17 notwendig.

Alternativ zur Leitungsführung im Gehäuse des Beleuchtungsmoduls 17 können die Bündel 25 und 26 außerhalb des Gehäuses des Beleuchtungsmoduls 17 verlaufen (nicht abgebildet), so dass dieses nur mehr die Lichtquelle 18 und die Mittel 19 und, falls vorhanden, die Mittel 24 samt elektrischer Zuleitungen umschließt.

In allen Ausführungsformen kann das Gehäuse 12 dem Schutzgrad IP65 oder IP67 entsprechen. Zu diesem Zweck können die Dichtungen 29 staubdicht und

strahlwasserdicht (IP65) beziehungsweise staubdicht und dicht gegen zumindest zeitweiliges Untertauchen (IP67) ausgebildet sein. Entsprechend dicht ist dann der Grenzbereich zwischen Schutzscheibe 23 und Gehäuse 12 ausgebildet.

Die erfindungsgemäße Ringleuchte kann beispielsweise zur Beleuchtung in der Mikroskopie, Ophthalmologie oder Fotographie eingesetzt werden. Die

erfindungsgemäßen Spektrometersysteme können beispielsweise zur Erkennung und/oder Klassifizierung von Stoffen durch Messung von optischen

Stoffeigenschaften eingesetzt werden. Diese Fähigkeiten können beispielsweise in der Landwirtschaft, der Nahrungsmittelindustrie, der Reststoffverwertung oder bei der Solarzellenproduktion nutzbringend verwendet werden.

Bezuqszeichenliste

1 Ringleuchte

2 Beleuchtungslichtwellenleiter

2.1 Eintrittsenden Beleuchtungslichtwellenleiter

2.2 Austrittsenden Beleuchtungslichtwellenleiter

3 Referenzlichtwellenleiter

3.1 Eintrittsenden Referenzlichtwellenleiter

3.2 Austrittsenden Referenzlichtwellenleiter

4 Eintrittsbündel

5 Fassung Eintrittsbündel

6 Fassung Beleuchtungsring

7 Austrittsbündel

8 Fassung Austrittsbündel

9 Ring

10 Messkopf

11 Spektrometersystems

12 Gehäuse

13 Lichtdurchlassöffnung

14 Spektrometermodul

15 Umschalter

15.1 Optischer Verschluss Messkanal

15.2 Optischer Verschluss Referenzkanal

16 Spektrometer

16.1 Beugungsgitter

16.2 Detektorzeile

16.3 Eintrittsspalt

17 Beleuchtungsmodul

18 Lichtquelle

19 Mittel zum Einkoppeln

19.1 Ellipsoidreflektor

19.2 Sammeloptik

20 Zylinderlinse

21 Lichtaufnehmer

22 Koppelelement

23 Schutzscheibe

24 Homogenisator

25 Zusatzreferenzlichtwellenleiter

26 Messlichtwellenleiter

27 Koppelstelle Referenzlicht

28 Koppelstelle Messlicht

29 Dichtung

S Probe

M Mittelachse Ring

L Längsachse Lichtdurchlassöffnung

RK Referenzkanal

MK Messkanal

Claims

Patentansprüche

1. Ringleuchte (1), insbesondere Spaltringleuchte, mit einer Vielzahl von

Beleuchtungslichtwellenleitern (2), deren Austrittsenden (2.2) in Form eines Rings (9) angeordnet sind und deren Eintrittsenden (2.1) zu mindestens einem Eintrittsbündel (4) zusammengefasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass in dem mindestens einen Eintrittsbündel (4) zusätzlich Eintrittsenden (3.1) einer Vielzahl von Referenzlichtwellenleitern (3) angeordnet sind, deren

Austrittsenden (3.2) abseits des Rings (9) zu mindestens einem

Referenzbündel (7) zusammengefasst sind.

2. Ringleuchte (1) nach Anspruch 1 , wobei die Eintrittsenden (3.1) der

Referenzlichtwellenleiter (3) oder lokale Gruppen von Eintrittsenden (3.1) über den Querschnitt des Eintrittsbündels (4) statistisch (im wesentlichen) gleichverteilt angeordnet sind.

3. Ringleuchte (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei in flächengleichen, insbesondere kongruenten, Abschnitten eines Querschnitts des Eintrittsbündels (4) jeweils eine (im wesentlichen) identische, von Null verschiedene Anzahl

Referenzlichtwellenleitern (3) endet.

4. Ringleuchte (1) nach Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei die Eintrittsenden (3.1) der Referenzlichtwellenleiter (3) oder lokale Gruppen von Eintrittsenden (3.1) eine vorgegebene Standardabweichung ihres mittleren Abstands voneinander aufweisen, insbesondere mit einem vorgegebenen mittleren Abstand.

5. Ringleuchte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das

Eintrittsbündel (4) mindestens 1000, insbesondere mindestens 5000, weiter insbesondere mindestens 8000, separate Lichtwellenleiter (2, 3) aufweist, wovon mindestens 1%, insbesondere mindestens 10%, Referenzlichtwellenleiter (3) sind.

6. Ringleuchte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das

Eintrittsbündel (4) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.

7. Ringleuchte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die

Austrittsenden (2.2) der Beleuchtungslichtwellenleiter (2) dicht gepackt sind.

8. Ringleuchte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor den

Austrittsenden (2.2) der Beleuchtungslichtwellenleiter (2) oder vor einer

Untermenge davon eine Zylinderlinse (20) in Form eines Torussegmentes angeordnet ist.

9. Messkopf (10) für ein optisches Spektrometersystem (11), aufweisend ein

Gehäuse (12) mit einer Lichtdurchlassöffnung (13) und eine Ringleuchte (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Ringleuchtenring (9) um die Lichtdurchlassöffnung (13) herum angeordnet ist, insbesondere mit paralleler Ausrichtung einer Mittelachse (M) des Ringleuchtenrings (9) und einer

Längsachse (L) der Lichtdurchlassöffnung (13).

10. Messkopf (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei vor dem

Austrittsbündel (7) der Referenzlichtwellenleiter (3) ein optisches

Koppelelement (22) angeordnet ist, insbesondere zur Einkopplung in ein

Spektrometer (14) oder in mindestens einen weiteren Lichtwellenleiter (25).

11. Messkopf (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der optische Weg zwischen den Eintrittsenden (3.1) der Referenzlichtwellenleiter (3) und dem optischen Koppelelement (22) frei ist von diffus reflektierenden Flächen und frei ist von spiegelnden Flächen.

12. Messkopf (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , bei dem die

Lichtdurchlassöffnung (13) und die Ringleuchte (1) gemeinsam in einem Modul angeordnet sind und die Austrittsenden (3.2) der Referenzlichtwellenleiter (3) und die Eintrittsenden (3.1 , 2.1) der Referenzlichtwellenleiter (3) und der

Beleuchtungslichtwellenleiter (2) parallel enden.

13. Spektrometersystem (11) mit einem optischen Spektrometer (14) und einem

Messkopf (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12.

14. Spektrometersystem (11) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Messkopf (10) als Modul ausgebildet und mit einem Beleuchtungsmodul (17) verbunden oder verbindbar ist, wobei in dem Beleuchtungsmodul (17) eine Lichtquelle (18) und Mittel (19) zur Einkopplung von Licht der Lichtquelle (18) in das Eintrittsbündel (4) der Ringleuchte (1) angeordnet sind.

15. Spektrometersystem (11) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die

Austrittsenden (3.2) der Referenzlichtwellenleiter (3) mit dem Spektrometer (14) verbunden oder verbindbar sind und mindestens ein Messlichtwellenleiter (26) oder eine Freistrahloptik einen Lichtaufnehmer (21) in der

Lichtdurchlassöffnung (13) optisch mit dem Spektrometer (14) verbindet, insbesondere mit einem dem Spektrometer (14) vorgeordneten Schalter, mittels dessen die Verbindung zum Spektrometers zwischen den

Referenzlichtwellenleitern (3) und dem Lichtaufnehmer (21) in der

Lichtdurchlassöffnung (13) umschaltbar ist.

16. Spektrometersystem (11) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die

Lichtquelle im Verhältnis zu einem Radius des Eintrittsbündels (4) einen relativen Autokorrelationsfunktionsradius von mindestens 0,1 aufweist und die Anordnung der Eintrittsfasern (3.1) der Referenzlichtwellenleiter (3) im Eintrittsbündel (4) einen Fehlerfortpflanzungsfaktor aufweist, der höchstens ein Zweifaches eines minimal möglichen Fehlerfortpflanzungsfaktors ist.

17.Spektrometersystem (11) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei zwischen der Lichtquelle (18) und dem Eintrittsbündel (4) der Referenzlichtwellenleiter (3) und Beleuchtungslichtwellenleiter (2) Mittel (24) zur optischen Homogenisierung von auf die Mittel (24) treffendem Licht angeordnet ist.

18. Linse (20), insbesondere für eine Ringleuchte (1), ausgebildet als

Rotationskörper, der mindestens eine optisch wirksame Oberfläche und eine zentrale Ausnehmung aufweist.