WO2011072870A1 - Ringleuchte, insbesondere für optische spektrometer - Google Patents

Ringleuchte, insbesondere für optische spektrometer Download PDF

Info

Publication number
WO2011072870A1
WO2011072870A1 PCT/EP2010/007747 EP2010007747W WO2011072870A1 WO 2011072870 A1 WO2011072870 A1 WO 2011072870A1 EP 2010007747 W EP2010007747 W EP 2010007747W WO 2011072870 A1 WO2011072870 A1 WO 2011072870A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ring
light
bundle
spectrometer
inlet
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/007747
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Torsten BÜTTNER
Werner Hoyme
Felix Kerstan
Thomas Keune
Jens Mondry
Jörg Wagner
Original Assignee
Carl Zeiss Microimaging Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Microimaging Gmbh filed Critical Carl Zeiss Microimaging Gmbh
Priority to EP10794898A priority Critical patent/EP2513617A1/de
Publication of WO2011072870A1 publication Critical patent/WO2011072870A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/10—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J1/0403—Mechanical elements; Supports for optical elements; Scanning arrangements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
    • G01J1/0411—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using focussing or collimating elements, i.e. lenses or mirrors; Aberration correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
    • G01J1/0425—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using optical fibers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
    • G01J1/0455—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings having a throughhole enabling the optical element to fulfil an additional optical function, e.g. a mirror or grating having a through-hole for a light collecting or light injecting optical fibre

Definitions

  • the invention relates to a ring light, in particular split-ring light, with a plurality of illumination optical waveguides whose outlet ends are arranged in the form of a ring and whose inlet ends are combined to form at least one inlet bundle.
  • the invention relates to a measuring head for an optical spectrometer and an optical spectrometer system with such a ring light.
  • the arrangement in the form of a ring in the sense of the invention means that the exit ends are arranged so that parallel projections of their exit surfaces lie between two ovals, in particular between two ellipses or between two circles. In the interior of the ring no outlet ends are arranged. The exit ends may be tilted relative to one another such that the optical axes of the illumination optical waveguides are not parallel on the ring side.
  • Ring lights are used for example in microscopy, in photography and in optical spectroscopy for uniform illumination.
  • the shadow cast can be reduced, for example, at small distances between the objective and the illuminated object.
  • a spectrometer is a wavelength-selective detector.
  • a spectrometer system equipped with two spectrometers can measure in so-called two-beam operation.
  • the first spectrometer receives in the so-called measuring channel of the sample remitted light
  • the second in the so-called reference channel simultaneously receives direct light from the light source.
  • the quotient of the detector signals from measuring and reference channel (instead of just the measuring channel in
  • the first spectrometer receives only a portion of the radiation returned by the sample (from a given observation area and from an observed solid angle).
  • the light power falling on the spectrometer is the integral of the remitted radiance over the observed surface and solid angle.
  • the radiation remitted by the sample is approximately (in the case of an ideal Lambert radiator exactly) proportional to the sample falling at a certain angle to the sample
  • the light power received by the reference spectrometer is the integral of the beam density of the light source over the area and solid angle of the light source detected by the reference spectrometer.
  • the two-beam measurement uses this to compensate for the fluctuation of the beam density of the light source, in which the quotient of the signals of reference and measurement detector is formed.
  • the compensation requires that the reference detector receive light from the same area and solid angle of the light source as the sample. That sample and
  • Reference detector detect exactly the same area and solid angle of the light source, but is not possible. This requires a technical compromise.
  • a possible compromise is the arrangement of a divider plate for coupling the reference radiation.
  • a spectrometer system for detecting the radiation remitted from a measuring surface is known from EP 0 279 191 B1 (Carl Zeiss).
  • the lighting and the measuring device have a common center axis, which is perpendicular to the measuring surface.
  • the illumination arrangement has at least three illumination optical waveguides whose optical axes are arranged at the exit ends on a cone concentric with the central axis and illuminate the measurement surface at an angle of 45 ° to the measurement surface normal.
  • the measuring device absorbs light at an angle of 0 ° to the normal of the measuring surface (so-called 4570 ° measuring geometry). Between the light source and the entrance ends of the illumination optical waveguide is a divider plate for
  • the splitter plate first requires a complicated adjustment of the optical waveguide in order to achieve an identical image of the light source in the measuring and reference channel. It has the further disadvantage that the recording and evaluation of
  • Reference radiation sensitive to the radiation characteristics of the light source depends.
  • a change of the same for example due to fluctuations in the Light source position due to temperature changes, affects in the reference channel differently than in the measuring channel.
  • compensation for changes in the light source in the measuring channel intended for internal referencing is impaired, or it even has an effect of disturbing.
  • it can be a strong especially when changing the bulb
  • the invention has for its object to provide a ring light, which allows the recording of reference radiation with less effort.
  • a ring lamp which has the features specified in claim 1.
  • the reference optical waveguides can be distributed over a plurality of reference beams
  • Reference bundles are used for an integral (wavelength-independent) measurement.
  • the branching according to the invention of a partial bundle of the entry bundle as a reference bundle makes it possible to receive reference radiation without additional aids such as divider plates or other reflectors, ie with little effort and with high efficiency. Only those optical means are required which are required for coupling into the illumination optical waveguides anyway.
  • Fiber optic cables can be routed arbitrarily, the coupling to the other parts of a measuring head and especially the use in a compact spectrometer system are possible with little effort.
  • Illuminating optical fiber and 164 reference optical waveguides are summarized, so that the entrance bundle has a total of 14,760 entrance ends.
  • Reference optical waveguides or local groups of reference optical waveguides ends in particular with statistically equally distributed or at least substantially uniformly distributed arrangement of the inlet ends of the reference optical waveguides over the cross section of the inlet beam.
  • the sections are simply contiguous surfaces.
  • they may be circular sectors or rectangles.
  • Local groups of reference optical waveguides consist of immediately adjacent reference optical waveguide entrance ends
  • the reference optical fibers are evenly or at least substantially evenly distributed over the entrance bundle.
  • One possible criterion for the deviation from the uniform distribution can be, for example the standard deviation of the mean distance of the entrance ends of the reference optical waveguides from each other in the cross section of the entrance bundle.
  • the arrangement is to be regarded as essentially equally distributed if it deviates at most 20% from the ideal uniform distribution, ie if the standard deviation is at most 20% of the average distance.
  • Reference optical waveguides or local groups of inlet ends have a predetermined standard deviation of their mean distance from each other, in particular with a predetermined average distance. In particular, the default may consist in a maximum standard deviation.
  • the inlet ends of the reference optical waveguides preferably have an average spacing of between 5% and 25% of the diameter of the entry bundle, in particular between 10% and 20% of the diameter of the entry bundle, in particular with a standard deviation of not more than 5% of the diameter of the entry bundle, more particularly of maximum 2% of the diameter of the entrance bundle.
  • this corresponds to an average distance of 0.45 mm to 2.25 mm, in particular 0.9 mm to 0.18 mm, and a standard deviation of not more than 0.45 mm, in particular maximum 0.18 mm.
  • the reference fibers in the bundle can be realized with thousands of individual fibers only with great effort.
  • the light source is at least approximately a Lambert radiator, i. the emitted radiance does not depend on the angle, but only on the location (x, y) of the radiation.
  • the consideration can easily be extended to the case of the angular dependence of the radiance.
  • the radiance emitted by the light source which in itself is a random function, can be approximated by a Gaussian function. Then, the error propagation of the light source fluctuation on the fluctuation of the quotient of measurement and
  • Reference signal can be described by an error propagation factor, which can also be referred to as error suppression factor.
  • KF radius of the autocorrelation function (AKF) of the light source.
  • TAKF radius of the autocorrelation function of the light source
  • w (x, y) probability of overlapping (probability of synchronization of the
  • This formula can be used to check a real fiber distribution for a sufficiently small error propagation factor.
  • Reference fibers are backlit. Image acquisition of the fiber input, determination of the position (s) (Xj.yj) of the luminous reference fiber (s) with known methods of image processing,
  • the maximum value could be twice the minimum
  • Error propagation factor E min are determined.
  • the radius of the autocorrelation function of the light source and the position of all reference fibers must be known.
  • Fig. 1 shows randomly generated equal distributions of fibers over a circular bundle cross-section. Horizontally, the distributions have the same number of fibers, vertically increases the number of fibers down from 10 to 150 fibers (increment 10).
  • the illustrated fiber distributions are the basis for calculating the error propagation factor in FIG. 2.
  • the quadratic error propagation factor of the ten distributions in a row of FIG. 1 is shown. The resulting error propagation factors are approximately equal and nearly ideal, although the visual impression is uneven Distribution seems to mediate.
  • the minimum fiber number depends on the half width of the
  • Autocorrelation function AKF of the light source When determining the ACF, all possible causes that can lead to fluctuations in the light energy must be taken into account. A large half-width of the AKF is generally favorable for the synchronization of the light output in illumination and reference light guides, but is not given in each light source.
  • Reference optical waveguide may be arranged in the optical path between the light source and the inlet beam, a radiation homogenizing body, but this requires a larger space. Even with such a body, local variations in the radiance of a spatially extended light source can be taken into account in the referencing since they are uniformly distributed to the illumination and reference waveguides by the homogenizing body, even if the reference optical waveguides are unevenly distributed over the
  • Embodiments in which the entry bundle has at least 1000, in particular at least 5000, more particularly at least 8000, separate optical waveguides, of which at least 1%, in particular at least 10%, are reference optical waveguides, are preferred. These embodiments enable a high illumination and referencing efficiency, in particular with a diameter of the optical waveguides of 70 ⁇ m.
  • the entry bundle can have a rectangular cross section. This causes a high efficiency of the radiation transmission
  • incandescent lamps or light-emitting diodes as light sources.
  • light sources such as arc lamps
  • a round bundle cross-section may be more advantageous.
  • the exit ends of the illumination light guide are arranged at 45 ° to a central axis of the ring, wherein their optical axes of the
  • Spectrometer 45 ° measurement geometry. The measurement of the diffuse reflection is then significantly less dependent on the gloss and structure of the surface than in a collinear arrangement of illumination and observation beam path.
  • the exit ends of the illumination optical fibers are densely packed. Under the dense packing is the distance-free (gapless) arrangement of the outlet ends to understand. It is not necessary to press the exit ends together for this purpose. A pressureless enclosure of
  • Illuminating optical fiber in the area of the outlet ends is sufficient.
  • the resulting from the complete arrangement of the illumination optical fiber to the ring shape of the illumination is in the context of the invention as circular
  • Illuminating optical waveguides is referred to as annular.
  • the circular illumination has the advantage of being rotationally symmetrical to a good approximation, so that the
  • a cylindrical lens in the form of a torus segment is arranged in front of the outlet ends of the illumination optical waveguides or in front of a subset thereof. This succeeds with little effort focusing the
  • the cylindrical lens is annular, so that it has a central recess.
  • Separate optics for different illumination optical waveguide can be dispensed with, but it is also conceivable to assemble the cylinder lens of several torus segments into a ring.
  • Particularly advantageous is the arrangement of a toric cylindrical lens of high density of the outlet ends of
  • Illuminating optical waveguides in particular in densely packed outlet ends, since the transmission efficiency is significantly higher than in Einzelopstiken.
  • the term of the torus segment also includes bodies in which a plane body is connected seamlessly to a torus segment in the true sense.
  • the invention also encompasses a lens in the form of a rotational body which has at least one optically effective surface and a central recess.
  • the shape of the lens corresponds to a body that arises as an envelope of rotation of a per se known optical lens about an axis that is outside the lens.
  • the lens may be made of material known per se for lenses.
  • the invention additionally comprises, in particular, a measuring head for an optical spectrometer system, comprising a housing with a light transmission opening and a ring light according to the invention, in whose inlet bundle next to
  • Illuminating optical waveguides additionally reference optical waveguides whose
  • Ring ring light and a longitudinal axis of the light passage opening are particularly advantageous because it allows the measurement of samples with any optical properties in a light-receiving direction of 0 ° to the sample surface normal.
  • Lighting module Regardless of the location of the coupling element, it may comprise an optically homogenizing body, so that a transverse offset in
  • the measuring head is universally usable. This applies in particular to modularly assembled spectrometer systems in which the spectrometer provided for the measurement is offset from the actual measuring head by means of the measuring optical waveguide.
  • the measuring light between the coupling element and the spectrometer for example, freely propagate and in particular be deflected by mirrors. This will be a high
  • the measuring head is designed so that the optical path between the inlet ends of the reference optical waveguide and the coupling element is free of diffuse reflecting surfaces and is free of reflective surfaces, for example
  • Entry bundle is the referencing even without white standard with high
  • Embodiments are advantageous in which the light passage opening and the ring light are arranged together in a module and the outlet ends of the Reference optical waveguide and the incident ends of the reference optical waveguide and the illumination optical waveguide ends in parallel.
  • the measuring head module can then be flexibly connected to an illumination module and / or to a spectrometer module in which further optical waveguides or directly a light source or one or more spectrometers are located.
  • the invention comprises a spectrometer system with an optical spectrometer and a measuring head which has the properties described above individually or in combination.
  • the measuring head is designed as a module and with a
  • Lighting module connected or connectable, wherein in the lighting module, a light source and means for coupling light of the light source in the
  • Entry bundle of the ring light are arranged. This allows the flexible selection of light sources and spectrometers and at the same time allows the economically favorable provision of pre-assembled modules. As a light source can
  • halogen lamps deuterium lamps, short arc lamps, light emitting diodes and lasers or combinations thereof may be used.
  • the spectrometer may be preceded by a switch by means of which the connection to the spectrometer can be switched between the reference optical waveguides and the light receiver in the light passage opening. For switching can be
  • einschwenkbarer mirror or a beam splitter with switchable inputs or a multiplexer may be arranged.
  • separate spectrometers can be arranged in the reference channel and in the measuring channel.
  • the lighting module next to the light source is the lighting module next to the light source
  • Coupling optics for decoupling and re-coupling of the relevant radiation can be arranged at the coupling points of the modules.
  • the relevant light (reference light or measuring light) in the illumination module and / or in the spectrometer module can, for example, freely propagate (free-space optics).
  • mirrors are provided to deflect to the coupling points.
  • the spectrometer system may include means for optically homogenizing light impinging on the means between the light source and the entrance bundle of the reference optical waveguides and illumination optical waveguides to provide a locally varying radiance of an extended light source via the measurement channel as well as the reference channel to the one or several spectrometers.
  • means for homogenization can be arranged in the reference channel.
  • the light source has a relative relative to a radius of the entrance bundle
  • Error propagation factor E on which is at most a double of a minimum possible error propagation factor E min .
  • the measuring channel in the measuring head is free of
  • Optical waveguides in particular in conjunction with the fact that in the spectrometer system, the entire optical path between the light passage opening and the
  • Spectrometer is free of optical fibers. For light absorption and deflection to the spectrometer is then provided exclusively free-beam optics. The use of free-beam optics in the measuring channel results in a significantly higher spectral
  • the spectrometer system according to the invention can in particular a
  • a compact spectrometer system according to the invention is characterized in that the light source, the
  • Reference optical waveguide, the illumination optical waveguide and the spectrometer are arranged in the interior of a common housing and shielded there from the environment.
  • the housing has the degree of protection IP65 according to DIN EN 60529, thus completely protects its interior from contact, dust and water jets.
  • the housing can have the degree of protection IP67, thus additionally protecting its interior against liquid entry during temporary submersion.
  • the common housing need not be made in one piece, but may consist of several parts that shield the common interior by means of seals against the environment.
  • FIG. 2 shows error propagation factors of the simulated fiber distributions
  • Fig. 3 is a ring light with Referenzalede Trent in pseudo-perspective
  • Fig. 5 is a modular composite spectrometer
  • Fig. 6 is a schematic representation of a lighting module
  • Fig. 3 shows a ring lamp 1, which has a plurality of
  • Illuminating optical waveguides 2 with inlet ends 2.1 and outlet ends 2.2 includes.
  • the ring light 1 has a smaller number of
  • Reference optical waveguides 3 with inlet ends 3.1 and 3.2 outlet ends is for example glass fibers, in the case shown by 800 pieces.
  • 89 rows a alternately 90 and 89 inlet ends 2.1 and 3.1 and is held by a corresponding rectangular socket 5.
  • the exit ends 2.2 of the illumination optical waveguide 2 are packed tightly to a ring 9, wherein they are for example parallel in a circular socket. 6
  • the ring 9 is approximately rotationally symmetrical.
  • the outlet ends 3.2 of the reference optical waveguide 3 are also packed tightly to an outlet bundle 7 with a rectangular cross-section, which is held by a rectangular frame 8.
  • the entrance ends 3.1 of the reference optical waveguide 3 are distributed over the entrance bundle that they have a mean distance of about 20 diameters of the optical waveguides, ie about 1, 4 mm, due to the intermediate inlet ends 2.1 of the illumination optical waveguide 2 from each other.
  • the standard deviation of the average distance is different from zero, it is about 5 diameters of the optical waveguide, ie about 0.35 mm.
  • the entrance ends 3.1 of the reference optical waveguide 3 are distributed over the entrance bundle that they have a mean distance of about 20 diameters of the optical waveguides, ie about 1, 4 mm, due to the intermediate inlet ends 2.1 of the illumination optical waveguide 2 from each other.
  • the standard deviation of the average distance is different from zero, it is about 5 diameters of the optical waveguide, ie about 0.35 mm.
  • the entrance ends 3.1 of the reference optical waveguide 3 are distributed over the entrance bundle that they have a mean distance of about 20 diameters of the optical waveguides, ie about 1, 4 mm, due to
  • Einrittsenden 3.2 of the reference optical waveguide 3 in the entrance bundle 4 may be arranged equidistantly.
  • the entrance bundle 4 can be aligned with a light source (not shown) or with an interposed coupling optics (not shown), so that radiation from the light source enters the optical waveguides 2, 3, through which
  • Optical waveguide 2, 3 - in the case of glass fibers due to total reflection - is passed to the outlet ends 2.2 and 3.2 and exits there again.
  • the emerging light of each optical waveguide 2, 3 is fanned out, for example, conically with a plane angle of 45 °.
  • the optical axes of the exit ends 2.2 of the illumination optical waveguides 2 intersect, for example, at a common point on the central axis M of the ring 9 or are aligned at a same even angle, for example, of 45 ° to the central axis M.
  • the exit ends 2.2 may be spaced apart for the purpose of annular illumination, so that each exit end 2.2 must be secured to itself.
  • the sockets 5 and 8 and correspondingly the bundles 4 and 7 may also have any other shape. In particular, they may be oval, in particular elliptical.
  • the socket 5 and the bundle 4 may have a different shape than the socket 8 and the bundle 7.
  • Optical waveguides 2, 3 at a small average distance of the
  • Fig. 5 shows a modular measuring head 10 as a detachable part of a
  • Spectrometer system 1 In Figure 3A, the spectrometer system 1 is in
  • the spectrometer system 11 has, in addition to the measuring head module 10, a spectrometer module 14, a lighting module 17 and a control computer (not shown).
  • the spectrometer module 14 is mechanically connected to the illumination module 17 and comprises an optical switch 15, which has a beam splitter 15.1 and two optical shutters 15.2, and a polychromatic
  • Detector line 16.2 which is connected to the control computer, not shown.
  • the diffraction grating 16.1 splits the light incident through the entrance slit 16.3 spatially-spectrally in a known manner and focuses it on different detector elements of the detector row 16.2, depending on the wavelength.
  • the detector line 16.2 is, for example, a spatially resolving optical semiconductor sensor made of silicon. It is also possible to use detector elements made of different materials
  • different spectrometers can be arranged for different spectral ranges, which are connected via color divider mirror or Y-optical waveguides.
  • the measuring head module 10 is mechanically connected to the lighting module 17.
  • a light source 18 for example a
  • Illumination module 17 can in this way about 50% of that of the light source 18th emitted light into the entrance bundle 4 of the ring light 1 are coupled.
  • the electrical leads to the light source are not shown for clarity.
  • the ring light 1 has an approximate in the case shown
  • Center axis M of the ring 9 coincides are arranged.
  • a front of the annular ends 2.2 arranged around the light passage opening 13 is a
  • rotationally symmetrical cylindrical lens 20 is arranged in the form of a torus segment, which emerges divergently from the illumination optical waveguides 2
  • Illuminating light to a light gap with a flat opening angle for example, 22.5 ° bundles.
  • a collecting optics as light receiver 21 Arranged in the light passage opening 13 is a collecting optics as light receiver 21, which focuses light reflected from the sample onto an opening in the housing 12, via which the illumination module 17 uses this measuring light
  • the outlet bundle 7 of the reference optical waveguide 3 is arranged parallel to the inlet bundle 4 and opens at an opening of the housing 12 perpendicular to its surface.
  • the illumination module 17 also directs the reference light emerging here by means of coupling elements 22
  • Spectrometer module 14 on.
  • the measuring channel ie the optical path from the sample S to the spectrometer 16 - also referred to as measuring beam path -
  • the reference channel ie the optical path from the light source 18 to the spectrometer 16
  • the switch 15 with the Spectrometer 16 connectable.
  • the reference channel with the Spectrometer 16 connected.
  • An exemplary beam path of light emitted at the light source 18 is shown in broken lines.
  • the lighting module 17 can easily with a minimum space requirement against another module with a corresponding arrangement of light source 18 and
  • the light pickup 21 may be designed as coupling optics for coupling the remitted measurement light into one or more measurement optical waveguides (not shown), which are optically connected to a spectrometer 16.
  • the light pickup 21 may be designed as coupling optics for coupling the remitted measurement light into one or more measurement optical waveguides (not shown), which are optically connected to a spectrometer 16.
  • Fiber optic cables are connected to the outlet beam 7, the
  • Spectrometer module for example, spatially from the measuring head 10 and from
  • Illumination module 17 are arranged separately.
  • the illumination module 17 can also be set down from the measuring head 10 via a pure illumination optical waveguide bundle that can be connected to the inlet bundle 4 of the measuring head 10. This may be necessary, for example, in temperature-sensitive applications or in a small space available.
  • the spectrometer module 14 can be connected exclusively via the additional optical waveguides or, according to the illustration, via the illumination module 17 to the measuring head 10.
  • when connecting optical fiber bundles to the measuring head 10 it makes sense to arrange respective coupling optics in the measuring head 10, so that only cables are to be inserted into the respective coupling points from the outside. But there are also variants without coupling optics possible, so that internal
  • Fiber optic bundles collide.
  • the switch 15 may alternatively be embodied as a movable mirror, which either reflects the reference channel to the spectrometer 16 depending on the position, blocking the measuring channel or blocking the reference channel and allowing the measuring channel to pass to the spectrometer 16.
  • the spectrometer or spectrometers 16 and optionally also the light source 18 can be arranged in the housing 12 of the measuring head 10. This makes a particularly compact design possible.
  • a single spectrometer 16 can advantageously be arranged in or at the end of the light transmission opening, expediently behind the light receiver 21.
  • the control computer can also be integrated in the housing 12, for example when designed as a "microcontroller” or "system-on-chip".
  • FIG. 6 shows an alternative spectrometer system 11.
  • the modules 14 and 17 can be used for example in a spectrometer system 11 according to FIG. 5 and vice versa, since the coupling points 27 and 28 and the
  • the measuring head modules 0 are identical in these examples.
  • an optically homogenizing body for example a holographic diffuser ("holographic diffuser"), is used as means 24 for optically homogenizing the anisotropic radiation depending on the properties of the light source 18 and the reflector 19.1, between the light source 18 and the entrance bundle 4 the light source 18.
  • holographic diffuser holographic diffuser
  • Distribution of the reference optical waveguide 3 in the entrance bundle 4 can then be dispensed with, but it does not hurt either.
  • An additional homogenizer can in all embodiments in the reference channel between the outlet ends of the 3.2
  • Reference optical waveguide and the spectrometer 16 may be arranged.
  • Reference optical waveguide 3 via a bundle 25 of additional reference optical fibers optically connected to a first spectrometer 16A.
  • Measuring optical waveguides connects the light receiver 21 in the
  • Light transmission opening 13 optically with a second spectrometer 16B.
  • Spectrometer module 14 by means of additional optical fibers from
  • Illumination module 17 sold.
  • the coupling point 27 for the reference light and the coupling point 28 for the measuring light can then be arranged, for example be that they have a common plug for the
  • Spectrometer module 14 can be connected.
  • the electrical leads for the light source 18 can be connected with this plug. Then, for example, only a single cable is ready for operation
  • the bundles 25 and 26 may extend outside the housing of the lighting module 17 (not shown) so that it only surrounds the light source 18 and the means 19 and, if present, the means 24 together with electrical leads ,
  • the housing 12 may correspond to the degree of protection IP65 or IP67.
  • the seals 29 dustproof and
  • IP65 jet-water-tight
  • IP67 dust-tight and tight against at least temporary submersion
  • the ring light according to the invention can be used for example for illumination in microscopy, ophthalmology or photography.
  • Spectrometer systems can, for example, for the detection and / or classification of substances by measuring optical
  • Substance properties are used. These capabilities can be used beneficially in, for example, agriculture, the food industry, waste recycling, or solar cell production.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

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
Figure imgf000008_0001
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:
Figure imgf000008_0002
mit
Figure imgf000009_0001
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 Emin 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 Emin 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.
PCT/EP2010/007747 2009-12-18 2010-12-17 Ringleuchte, insbesondere für optische spektrometer WO2011072870A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP10794898A EP2513617A1 (de) 2009-12-18 2010-12-17 Ringleuchte, insbesondere für optische spektrometer

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009060310.7 2009-12-18
DE102009060310A DE102009060310A1 (de) 2009-12-18 2009-12-18 Ringleuchte, insbesondere für optische Spektrometer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011072870A1 true WO2011072870A1 (de) 2011-06-23

Family

ID=43767641

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2010/007747 WO2011072870A1 (de) 2009-12-18 2010-12-17 Ringleuchte, insbesondere für optische spektrometer

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2513617A1 (de)
DE (1) DE102009060310A1 (de)
WO (1) WO2011072870A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022258562A1 (en) 2021-06-08 2022-12-15 Trinamix Gmbh Stabilized and modulated 2-channel broad-band light source

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0279191A2 (de) * 1987-01-22 1988-08-24 Firma Carl Zeiss Gerät zur berührungslosen Remissionsmessung
EP0737850A2 (de) * 1995-04-15 1996-10-16 JENOPTIK Aktiengesellschaft Anordnung zur Messung von Farben nicht selbstleuchtender Objekte
US5754283A (en) * 1994-10-26 1998-05-19 Byk-Gardner Usa, Division Of Atlana Color measuring device having interchangeable optical geometries
US20050259254A1 (en) * 2004-04-26 2005-11-24 Soller Babs R Spectrometer system for optical reflectance measurements
US20060175555A1 (en) * 1999-12-14 2006-08-10 Matthias Lau Device for measuring light-activated fluorescence and its use

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19611931A1 (de) * 1996-03-27 1997-10-02 Euroferm Ges Fuer Fermentation Verfahren und Vorrichtung zur optischen Messung von Partikeln und Stoffen in Fluiden
GB9810471D0 (en) * 1998-05-16 1998-07-15 Helmet Hund Gmbh Toothbrush

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0279191A2 (de) * 1987-01-22 1988-08-24 Firma Carl Zeiss Gerät zur berührungslosen Remissionsmessung
EP0279191B1 (de) 1987-01-22 1996-07-10 Firma Carl Zeiss Gerät zur berührungslosen Remissionsmessung
US5754283A (en) * 1994-10-26 1998-05-19 Byk-Gardner Usa, Division Of Atlana Color measuring device having interchangeable optical geometries
EP0737850A2 (de) * 1995-04-15 1996-10-16 JENOPTIK Aktiengesellschaft Anordnung zur Messung von Farben nicht selbstleuchtender Objekte
US20060175555A1 (en) * 1999-12-14 2006-08-10 Matthias Lau Device for measuring light-activated fluorescence and its use
US20050259254A1 (en) * 2004-04-26 2005-11-24 Soller Babs R Spectrometer system for optical reflectance measurements

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022258562A1 (en) 2021-06-08 2022-12-15 Trinamix Gmbh Stabilized and modulated 2-channel broad-band light source

Also Published As

Publication number Publication date
EP2513617A1 (de) 2012-10-24
DE102009060310A1 (de) 2011-06-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0279191B1 (de) Gerät zur berührungslosen Remissionsmessung
DE102013219181B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur optischen Bestimmung von Partikeleigenschaften
DE10021378A1 (de) Optische Messanordnung mit einem Ellipsometer
EP0458223A2 (de) Vorrichtung zur Messung der Absorption von transparenten Proben mit ungünstiger Aussenform
DE102011050969A1 (de) Vorrichtung zur referenzierten Messung von reflektiertem Licht und Verfahren zum Kalibrieren einer solchen Vorrichtung
EP3504535A1 (de) Messvorrichtung zur absorptionsmessung von gasen
DE202011110082U1 (de) Handfarbmessgerät
EP2267420A1 (de) Vorrichtung für die optische Spektroskopie und mechanischer Schalter für eine solche Vorrichtung
DE3143137C2 (de) Reflexions-ausblendende, fokussierende optische Vorrichtung
DE2758141C2 (de) Spektrophotometer
AT504163A1 (de) Anordnung und vorsatz zur prüfung von gegenständen
DE4118760A1 (de) Echelle-doppelmonochromator
EP2235503A1 (de) Anordnung zum bestimmen des reflexionsgrades einer probe
DE3406175A1 (de) Spektralmesskopf
EP2513617A1 (de) Ringleuchte, insbesondere für optische spektrometer
EP3948233B1 (de) Messlichtquelle sowie messanordnung zum erfassen eines reflexionsspektrums
DE102017127122B4 (de) Spektrometrisches Messgerät
DE102019216130A1 (de) Beleuchtungsreflektoreinrichtung zum Beleuchten einer Probe, optische Analysevorrichtung zum Analysieren von Licht von einer Probe und Verfahren zum Herstellen einer Beleuchtungsreflektoreinrichtung
DE112013007208B4 (de) V-Block-Refraktometer
DE10202999B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Größenverteilung und Konzentration von Partikeln in einem Fluid
EP3791158A1 (de) Transmissionsvorrichtung und verfahren zum untersuchen von wenigstens einer probe in einer mikrotiterplatte mittels transmission
DE102013010466A1 (de) Vorrichtung in der Spinnereivorbereitung, Ginnerei o. dgL zum Erkennen von gleichfarbigen oder gleichhellen Fremdteilen oder Störstellen
DE4343345A1 (de) Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der reflektiven bzw. transmittierenden optischen Eigenschaften einer Probe
DE3635684C2 (de)
WO2003085385A1 (de) Verfahren und spektrometer zur spektroskopischen messung der extinktion, der transmission, der remission oder der reflexion von proben

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10794898

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10794898

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2010794898

Country of ref document: EP