DE10252322A1 - Optischer Leiter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Leiter, der einen aus lichtleitendem Material bestehenden stabförmigen Teil (1) aufweist. Um eine mechanisch dauerhafte Konstruktion zu erreichen, ist eine Seitenfläche des stabförmigen Teils (1) mit einer Rille (2) versehen, deren zumindest eine Seitenfläche (3, 4) angeordnet ist, eine lichtreflektierende oder lichtdurchlässige Fläche auszubilden.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Leiter, der einen aus lichtleitendem Material bestehenden stabförmigen Teil aufweist.
• Die oben erwähnten optischen Leiter sind heute wohlbekannt beispielsweise bei verschiedenen Messungen, mit denen Eigenschaften von verschiedenen Substanzen, zum Beispiel Eigenschaften von Lösungen, gemessen werden. Als Beispiel für eine solche Vorrichtung wird ein Refraktometer angegeben. Ein anderes Beispiel ist ein Chromatometer.
• In Zusammenhang mit Messungen müssen oft Referenzmessungen durchgeführt werden. Eine Referenzmessung wird vorgenommen, indem ein Teil des zu einem Messobjekt zu leitenden Lichts zu einem Referenzdetektor geleitet wird. Die oben erwähnte Referenzmessung wird beispielsweise mittels eines halbdurchlässigen Spiegels ausgeführt, mit dem ein Teil des auf das Messobjekt zu richtenden Lichts zum Referenzdetektor geführt wird.
• Im Prinzip funktioniert die auf einem halbdurchlässigen Spiegel basierende Anordnung gut. Das Problem bei dem Prinzip ist jedoch seine Komplexität. Die Verhältnisse in praktischen industriellen Prozessen sind anspruchsvoll, weshalb die Messvorrichtungen physisch dauerhaft sein sollen. Probleme werden beispielsweise durch Vibrationen und Temperaturveränderungen verursacht. Es ist ziemlich schwierig, eine auf einem halbdurchlässigen Spiegel basierende Lösung zu erreichen, die physisch dauerhaft ist, da die auf dem Spiegel und den Linsen basierenden Lösungen ziemlich empfindlich beispielsweise gegen Vibrationen sind, weil sich die Stellungen des Spiegels und der Linsen infolge der Vibration leicht verändern. Das Problem wird auch dadurch schwieriger, dass sogar die kleinen Veränderungen in den Stellungen des Spiegels oder der Linse große Fehler zur Folge haben und die ganze Vorrichtung völlig funktionsunfähig machen können. Wegen der Komplexität sind die Konstruktionen auch relativ teuer und ihre Unterhaltungskosten unvorteilhaft hoch. Ein Problem ist manchmal auch, dass die Konstruktionen relativ groß sind.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Leiter zustande zu bringen, mit dem die Nachteile des vorbekannten Standes der Technik beseitigt werden können. Dies wird durch den erfindungsgemäßen optischen Leiter erreicht. Der erfindungsgemäße optische Leiter ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Seitenfläche des stabförmigen Teils mit einer Rille versehen ist, deren zumindest eine Seitenfläche angeordnet ist, eine lichtreflektierende oder lichtdurchlässige Fläche auszubilden.
• Ein Vorteil der Erfindung ist vor allem, dass der erfindungsgemäße optische Leiter physisch sehr dauerhaft ist, was bedeutet, dass die erfindungsgemäße Lösung keine Spiegel usw. aufweist, die sich leicht beispielsweise infolge der Vibration bewegen. Aus dem oben erwähnten Grund eignet sich die Erfindung sehr gut zum Verwenden in anspruchsvollen Verhältnissen von industriellen Prozessen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist ihre geringe Größe und hohe Druckfestigkeit. Die geringe Größe ist eine vorteilhafte Eigenschaft in oft sehr engen industriellen Verhältnissen. Die guten Druckfestigkeitseigenschaften sind auf die kompakte Konstruktion zurückzuführen, die nicht einmal unter hohem Druck zusammengepresst wird.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand einer in der beigefügten Zeichnung dargestellten vorteilhaften Ausführungsform näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemäßen optischen Leiter,
• Fig. 2 den optischen Leiter gemäß Fig. 1 aus einer anderen Richtung,
• Fig. 3 schematisch die Funktion des erfindungsgemäßen optischen Leiters in einer Messsituation,
• Fig. 4 schematisch die Funktion des erfindungsgemäßen optischen Leiters in einer anderen Messsituation,
• Fig. 5 schematisch die Funktion des erfindungsgemäßen optischen Leiters in einer dritten Messsituation, und
• Fig. 6 schematisch die Funktion einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Leiters in einer Messsituation.
• Fig. 1 und 2 stellen eine vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Leiters dar. Der optische Leiter nach dem Beispiel der Fig. 1 und 2 besteht aus einem länglichen stabförmigen Teil 1 aus Glasmaterial. Dem Fachmann repräsentieren die Herstellung und das Funktionsprinzip des stabförmigen Teils den herkömmlichen bekannten Stand der Technik, weshalb sie nicht näher in diesem Zusammenhang beschrieben werden. In diesem Zusammenhang wird nur ganz allgemein festgestellt, dass ein Kern (core) des Stabes aus einem Material hoher Brechzahl hergestellt ist und ein Mantel (cladding) auf der Aussenfläche des Kerns aus einem Material niedriger Brechzahl hergestellt ist. Falls ein im Kern des Stabes 1 fahrender Lichtstrahl die Grenzfläche zwischen dem Kern und dem Mantel in einem kleinen Winkel trifft, wird der Strahl von dieser Fläche als Totalreflexion reflektiert. Der Grenzwinkel der Reflexion kann aufgrund des Snell'schen Gesetzes gerechnet werden, wenn die Brechzahl der Mantelfläche und die Brechzahl des Kerns bekannt sind. Falls der Einfallswinkel des Lichtstrahls größer als der Grenzwinkel ist, dringt der Strahl in den Mantel ein und trifft die Grenzfläche zwischen dem Mantel und der Umgebung. Diese Grenzfläche weist ihren eigenen Grenzwinkel auf und es ist möglich, dass Totalreflexion auf dieser Grenzfläche zustande kommt. Bei vielen Anwendungen ist es vorteilhaft, die Strahlen zu entfernen, die in die Beschichtung weiterfahren. Das wird erreicht, indem der Mantel an einer Stelle des Stabes entfernt wird oder der Stab mit einem gut absorbierenden Material beschichtet wird.
• Nach der wesentlichen Idee der Erfindung ist die Seitenfläche des stabförmigen Teils 1 mit einer Rille 2 versehen. Nach einem Aspekt der Erfindung ist zumindest eine Seitenfläche 3, 4 der Rille 2 angeordnet, eine lichtreflektierende Fläche auszubilden. Die Seitenfläche der Rille 2 fungiert in der Erfindung also wie eine Prismenfläche, wo Totalreflexion vorkommt. Im Beispiel der Fig. 1 und 2 wird der Grenzwinkel der Totalreflexion aufgrund der Bruchzahlen des Kernmaterials und der Luft bestimmt, weil die als Spiegelfläche fungierende Fläche 3, 4 keinen Mantel aufweist. Zum Entfernen der in den Mantel eingedrungenen Strahlen sind die ausserhalb der Rille 2 liegenden Teile im Beispiel der Fig. 1 und 2 mit einer schwarzen Beschichtung 5 beschichtet.
• Fig. 3 stellt das grundsätzliche Funktionsprinzip des optischen Leiters gemäß Fig. 1 und 2 dar. In Fig. 3 werden dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 und 2 an entsprechenden Stellen verwendet. Eine Lichtquelle ist in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet. In Fig. 3 wird mit Pfeilen veranschaulicht, wie die von der Lichtquelle 6 produzierten Lichtstrahlen im stabförmigen Teil fahren. Ein Teil der Strahlen fährt durch den stabförmigen Teil und wird anhand einer geeigneten Optik 7 zu einem Messobjekt 10 geführt. Ein Teil der Lichtstrahlen trifft die Fläche 3, wo Totalreflexion auf die in der Figur gezeigte Weise zustande kommt und das Licht zu Referenzmessvorrichtungen 9 an der Seite geführt wird.
• Das anhand der Optik 7 auf das Messobjekt 10 gerichtete Licht wird auf solche Weise zurück reflektiert, die von den Eigenschaften der zu messenden Substanz abhängt, wonach es anhand der geeigneten Optik zu einer Messvorrichtung 11 geführt werden kann.
• Besonders vorteilhaft ist eine solche Anwendung der Erfindung, bei der die beiden Seitenflächen 3, 4 der Rille 2 angeordnet sind, eine lichtreflektierende Fläche auszubilden. Eine solche Anwendung ist in Fig. 4 dargestellt. Die Funktion der Ausführungsform gemäß Fig. 4 entspricht dem in Fig. 3 dargestellten Grundprinzip. In Fig. 4 werden dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 bis 3 an entsprechenden Stellen verwendet.
• In der Anwendung gemäß Fig. 4 wird das Licht zu den Referenzmessvorrichtungen 9 auf gleiche Weise wie im Beispiel der Fig. 3 geführt. Im Beispiel gemäß Fig. 4 wird das Licht anhand der als Reflexionsfläche fungierenden Fläche 4 zu den Messvorrichtungen 11 geführt. Die Funktion der Reflexionsfläche 4 ist gleich wie die Funktion der Fläche 3. Das Messobjekt 10 kann beispielsweise eine pH-Messung einer Lösung sein, wobei es besonders vorteilhaft ist, eine in der Finnischen Patentanmeldung 981424 (US-Patent 6 208 423) beschriebene Filmlösung zu verwenden.
• Ein Vorteil der Anwendung gemäß Fig. 4 ist beispielsweise, dass sowohl die Referenzmessvorrichtung 9 als auch die Messvorrichtung 11 vorteilhaft nebeneinander und in die Nähe voneinander angeordnet werden können, wodurch eine sehr kleine Implementierung auch erreicht wird.
• Fig. 5 zeigt eine Variation der Ausführungsform gemäß Fig. 4. In Fig. 5 werden dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 bis 4 an entsprechenden Stellen verwendet. Der Unterschied zwischen der Anwendung gemäß Fig. 5 und der Anwendung gemäß Fig. 4 ist, dass die Messvorrichtungen 11 in der Anwendung gemäß Fig. 5 anders als in der Anwendung gemäß Fig. 4 plaziert sind.
• Die Tiefe der auf der Seitenfläche des stabförmigen Teils 2 ausgebildeten Rille 1 ist vorteilhaft wesentlich die Hälfte der Dicke des stabförmigen Teils, und die lichtreflektierenden Flächen sind vorteilhaft in einem Winkel von 45 Grad bzw. 135 Grad zur Längsachse des stabförmigen Teils, wenn die Winkel von der Lichtquelle in Richtung auf das Messobjekt betrachtet werden. Vorteilhaft verläuft/verlaufen die lichtreflektierende/n Flächen auch quer zur Längsachse des stabförmigen Teils. Das lässt sich besonders deutlich aus Fig. 1 ersehen.
• In den Beispielen der Figuren besteht der Boden der auf der Seitenfläche des stabförmigen Teils 1 ausgebildeten Rille 2 wesentlich aus einer Planfläche 12, die in axialer Richtung des stabförmigen Teils verläuft. Die lichtreflektierenden Flächen 3, 4 sind in einem Abstand voneinander angeordnet, wenn sie in Längsrichtung des stabförmigen Teils betrachtet werden. Diese Einzelheit lässt sich deutlich beispielsweise aus Fig. 2 ersehen.
• Die Stellung der Flächen 3, 4 ist allerdings auf keine Weise beispielsweise auf 45 Grad beschränkt, sondern nach einem zweiten Aspekt der Erfindung können sich die Flächen auch in anderen Stellungen befinden, wobei die Flächen 3, 4 bei einigen Anwendungen anstatt Reflexionsflächen als durchlässige Flächen fungieren und eine Lichtprobe als Durchlassung genommen wird. Fig. 6 zeigt eine Anwendung, bei der die Flächen 3, 4 wesentlich quer zur axialen Richtung des stabförmigen Teils 1 verlaufen. Die Referenzvorrichtungen 9 und die Messvorrichtungen 11 können dabei nebeneinander an der Rille wie in Fig. 6 angeordnet werden.
• In der Ausführungsform der Fig. 6 sind die Einfallswinkel der Lichtstrahlen auf die Flächen 3, 4 größer als die Grenzwinkel, weshalb das Licht durch diese Flächen bis zu den Referenzmessvorrichtungen 9 und dementsprechend zu den Messvorrichtungen 11 fährt, wobei die Probe in dieser Anwendung als Durchlassung auf die oben beschriebene Weise genommen wird.
• Die oben beschriebenen Anwendungsbeispiele sind auf keine Weise beabsichtigt, die Erfindung zu beschränken, sondern die Erfindung kann im Rahmen der Patentansprüche frei variiert werden. Demnach ist es klar, dass der erfindungsgemäße optische Leiter oder seine Einzelheiten nicht unbedingt genau gleich wie in den Figuren zu sein brauchen, sondern auch andere Lösungen sind möglich. Der Querschnitt des erfindungsgemäßen optischen Leiters braucht nicht zum Beispiel rund zu sein, sondern der Querschnitt kann auch unterschiedlich, zum Beispiel viereckig sein usw. Die Rille muss auch nicht einen flachen Boden gemäß Figuren haben, sondern zum Beispiel die Verwendung einer V-förmigen Rille ist auch möglich. In der Praxis ist allerdings bemerkt worden, dass durch die mit einem flachen Boden versehene Rille gemäß Figuren der stabförmige Teil mit vorteilhaften Festigkeitseigenschaften versehen wird. Die Rille braucht jedoch nicht unbedingt einen ganz flachen Boden aufzuweisen, sondern der Boden der Rille kann zum Beispiel auch eine etwas konkave Fläche haben usw.

Claims (7)

1. Optischer Leiter, der einen aus lichtleitendem Material bestehenden stabförmigen Teil (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Seitenfläche des stabförmigen Teils (1) mit einer Rille (2) versehen ist, deren zumindest eine Seitenfläche (3, 4) angeordnet ist, eine lichtreflektierende oder lichtdurchlässige Fläche auszubilden.

2. Optischer Leiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Seitenflächen (3, 4) der Rille (2) angeordnet sind, eine lichtreflektierende oder lichtdurchlässige Fläche auszubilden.

3. Optischer Leiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden der Rille (2) wesentlich aus einer in axialer Richtung des stabförmigen Teils (2) verlaufenden Planfläche (12) besteht und dass die lichtreflektierenden oder lichtdurchlässigen Flächen (3, 4) in einem Abstand voneinander angeordnet sind, wenn sie in Längsrichtung des stabförmigen Teils (1) betrachtet werden.

4. Optischer Leiter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Rille (2) wesentlich die Hälfte der Dicke des stabförmigen Teils (1) ist.

5. Optischer Leiter nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtreflektierende Fläche (3) wesentlich in einem Winkel von 45 Grad zur Längsachse des stabförmigen Teils (1) ist.

6. Optischer Leiter nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtreflektierenden Flächen (3, 4) wesentlich in einem Winkel von 45 Grad bzw. 135 Grad zur Längsachse des stabförmigen Teils (1) sind.

7. Optischer Leiter nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtreflektierende Fläche (3) oder Flächen (3, 4) wesentlich quer zur axialen Richtung des stabförmigen Teils (1) verlaufen.