DE1212743B - Photometer mit Strahlenaufteilung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GOIj

Deutsche KL: 42 h-17/02

Nummer: 1212 743

Aktenzeichen: H 49224IX a/42 h

Anmeldetag: 20. Mai 1963

Auslegetag: 17. März 1966

Die Erfindung bezieht sich auf Photometer, bei denen aus dem Lichtbündel eines Strahlers erzeugte Teillichtbündel über eigene Lichtwege (Meß- und Vergleichswege) demselben Empfänger zugeführt werden. Der eine dieser Lichtwege wird dadurch zum Meßweg gemacht, daß in ihm Mittel eingeschaltet sind, welche nur für die für das Meßmedium charakteristische Lichtstrahlung passierbar sind, während der andere dadurch zum Vergleichsweg wird, daß in ihm Mittel eingeschaltet sind, welche diesen Lichtweg nur für Lichtstrahlung eines vorher ausgewählten, als Vergleichs- und Bezugsgröße dienenden Wellenlängenbereichs durchlässig machen.

Es ist eine Photometeranordnung bekannt, bei welcher ein von einer Lichtquelle erzeugtes Liehtbündel auf einen unter 45° gegen seine Achse geneigten halbdurchlässigen Spiegel geworfen und von diesem in zwei Lichtbündel aufgeteilt wird, nämlich einen durch den halbdurchlässigen Spiegel hindurchgehenden Anteil und einen von ihm reflektierten Anteil. Beide Anteile werden an je einem wiederum unter 45° gegen die Achse des von der Lichtquelle erzeugten Lichtbündels geneigten Planspiegel reflektiert und auf einen weiteren halbdurchlässigen Spiegel geworfen. Beide auf diesen halbdurchlässigen Spiegel fallenden Teillichtbündel werden in je zwei Anteile zerlegt, von denen jeweils der eine durch den halbdurchlässigen Spiegel hindurchgeht, während der andere an ihm reflektiert wird. Durch die Anordnung der halbdurchlässigen Spiegel mit einer Neigung von 45° gegen die Achse des von der Strahlungsquelle erzeugten Lichtbündels ist es dabei möglich, je einen Anteil an von einem Teillichtbündel stammendem reflektiertem Licht und von aus dem anderen Teillichtbündel stammendem durchgehendem Licht gleichzeitig durch einen gemeinsamen Lichtweg zu schikken, an dessen Ende ein Empfänger angeordnet ist. Bei Photometern wird meistens gefordert, daß die Lichtintensität oder deren spektrale Verteilung der den Meß- und Vergleichsweg durchlaufenden Teillichtbündel gleich groß ist. Diese Forderung kann bei der bekannten, mit halbdurchlässigen Spiegeln arbeitenden Anordnung nur in eng begrenzten Wellenlängenbereichen erfüllt werden, da die Abhängigkeit der Lichtintensitäten des reflektierten und des transparenten Lichtes von der Wellenlänge für die als Lichtteiler benutzten halbdurchlässigen Spiegel über dem gesamten nutzbaren Wellenlängenbereich großen Schwankungen unterworfen ist. Es ist meist nur für zwei in der Größenordnung von etwa 450 bis 500 und 600 bis 650 umliegenden Wellenlängen möglich, eine genau gleichmäßige Aufteilung des von

Photometer mit Strahlenaufteilung

Anmelder:

Hartmann & Braun Aktiengesellschaft,

Frankfurt/M. W 13, Gräfstr. 97

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Dr. Werner Schaefer,
Kelkheim (Taunus)

der Strahlungsquelle erzeugten Lichtbündels in zwei jeweils 50% der Lichtintensität führende Teillichtbündel vorzunehmen. Für Messungen in anderen Wellenlängenbereichen müssen zur Angleichung des intensitätsstärkeren, meist durch Transparenz erzeugten Teillichtbündels an das durch Reflexion erzeugte Teillichtbündel relativ aufwendige Schwächungsmittel vorgesehen werden, wie beispielsweise Graukeile oder Blenden. Durch diese wird ein Energieverlust des durch Transparenz erzeugten Teillichtbündels von bis zu 250% des durch Reflexion erzeugten Teillichtbündels hervorgerufen. Auch bei erfolgtem Abgleich der Lichtintensitäten der Teillichtbündel werden nach Durchgang durch den zweiten halbdurchlässigen Spiegel im Ausgangslichtbündel die Anteile der zwei verschiedenen Lichtwege wieder unterschiedlich. Darüber hinaus ist es aus prinzipiellen Erwägungen auch im Fall einer Messung im optimalen Wellenlängenbereich, d. h. bei gleichmäßig 50%iger Aufteilung der Lichtintensität des Eingangslichtbündels auf Meß- und Vergleichsweg, selbst bei Voraussetzung von an sich nicht vorhandener verlustloser Reflexion nicht möglich, mehr als 50 % der Eingangsenergie im Lichtweg des Ausgangslichtbündeis, d. h. im Empfänger, zu erhalten. Durch den zweiten halbdurchlässigen Spiegel der bekannten Anordnung werden nämlich sowohl das Teillichtbündel des Meßweges als auch des Vergleichsweges in je einen durch den Spiegel hindurchgehenden und einen an ihm reflektierten Teil zerlegt, von denen jeweils der reflektierte Teil des einen mit dem durchgehenden Teil des anderen Teillichtbündels zu einem vereinigten Lichtbündel zusammengefaßt ist und nur eines dieser vereinigten Lichtbündel dem Empfänger zugeleitet wird.

Bei einer anderen Photometeranordnung werden zwei Lichtwege mit Hilfe zweier Lichtleiter gebildet.

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Die Lichtleiter führen .von der Lichtquelle in unter- dem Verfahren der positiven oder negativen Filteschiedliche Richtungen ausgestrahlte Lichtbündel. rung als auch nach dem Verfahren der monochroma-Da eine natürliche Lichtquelle stets ein flächenhafter tischen oder heterochromatischen Differenzmessung Strahler ist, der eine mehr oder weniger ungleich- zur Bestimmung der absoluten Konzentration des mäßige Temperaturverteilung aufweist, folgt daraus, 5 zu messenden Mediums oder dessen Konzentrationsdaß die ausgestrahlte Intensität auch in spektraler Unterschiedes gegenüber einem Vergleichsmedium" Hinsicht von der Ausstrahlrichtung abhängt. Die mit oder ohne Selektivmodulation vornehmen.
Lichtleiter führen demnach Strahlenbündel unter- Die Photometeranordnung der Erfindung ist einschiedlicher spektraler Verteilung und Intensität. fächer aufgebaut als die bisher bekannte in physi-Dies wirkt sich für genaue photometrische Messungen io kalischer Hinsicht gleichwertige Anordung, die als nachteilig aus. Daran ändert sich auch nichts, wenn Strahlenteil- bzw. Strahlenvereinigungsvorrichtung jeder Lichtleiter aus einzelnen Lichtleitfasern auf- eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Prisgebaut ist. men benutzt. Die Verwendung einer Faseroptik er-

Für die weiteren bekannten Photometeranord- möglicht es, mit Lichtleitfasern sehr geringen Durchnungen, die Reflexionsflächen zur Bildung zweier 15 messers eine praktisch punktförmige »Abtastung« Lichtwege aufweisen, gilt die gleiche Feststellung. der Flächenhelligkeit im Querschnitt des Eingangspie beiden Lichtbündel sind in strahlungsphysika- lichtbündels vorzunehmen, so daß, wie beabsichtigt, lischer Hinsicht nicht gleichwertig. ledoch ist eine praktisch vollkommene Gleichheit der Teillichtbündel Photometeranordnung mit einem Strahlenteiler be- in physikalischer Hinsicht erreicht wird. Es kommt kanntgeworden, der aus einer Vielzahl von verteilten, 20 hinzu, daß durch die Flexibilität der Faseroptik eine nebeneinander angeordneten Prismen besteht und relativ große Freizügigkeit in der Ausrichtung der dadurch die Lichtstrahlen in zwei verschiedene Rieh- Lichtwege gegeben ist, die bei der bekannten Vortungen orientiert. Mit dieser Anordnung lassen sich richtung einen relativ großen Aufwand erfordert, bei ausreichender Anzahl und feiner Verteilung der Ferner entfallen die bei der Herstellung dieser bePrismen zwei in physikalischer Hinsicht gleich- 25 kannten Strahlenteiler mit großer Präzision auszuwertige Lichtbündel erzeugen. Diese Vorrichtung führenden Schleifarbeiten.

kann in einem Photometer auch zur Wiedervereini- Im folgenden wird die Erfindung an Hand zweier

gung der beiden Teillichtbündel zu einem Ausgangs- Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei sind die in

lichtbündel benutzt werden. den Abbildungen dargestellten Anwendungsmöglich-

Die Erfindung bedient sich, um die zuletzt ge- 30 keiten der erfindungsgemäßen Anordnung ebenfalls nannten Eigenschaften bei einer Strahlenteiler- bzw. nur als Beispiele zu verstehen; es ist jederzeit mög-Strahlenvereinigungsvorrichtung einer Photometer- Hch, mit der gleichen, in einer beliebigen Abbildung anordnung zu erreichen, einer aus einzelnen Licht- gezeigten erfindungsgemäßen Anordnung ein beileitfasern bestehenden Lichtleitoptik. Ein Photo- spielsweise in einer anderen Abbildung dargestelltes meter, bei dem aus dem Lichtbündel eines Strahlers 35 Meßverfahren zu verwirklichen,
erzeugte Teillichtbündel über eigene Lichtwege (Meß- Es zeigt in skizzenhafter Darstellung
und Vergleichswege) demselben Empfänger züge- A b b. 1 eine Photometeranordnung zur Durchführt werden, ist erfindungsgemäß dadurch gekenn- führung eines Analysenverfahrens der Selektivmoduzeichnet, daß jeder Lichtweg durch ein Bündel von lation mit negativer Filterung und sogenanntem lichtleitenden Fasern geringen Durchmessers und im 40 »schwarzem« Empfänger,

wesentlichen gleicher Faseranzahl gebildet ist und je A b b. 2 eine Photometeranordnung zur Durchein Ende jedes Faserbündels so im Querschnitt des führung des Verfahrens der Selektivmodulation mit von der Strahlungsquelle erzeugten Lichtbündels an- positiver Filterung und sogenanntem »schwarzem« geordnet ist, daß die Faserenden gleichmäßig über Empfänger.

dieselbe Querschnittsfläche verteilt sind. Entspre- 45 In A b b. 1 ist links die Strahlungsquelle 1 dar-

chend können die einzelnen Faserbündel vor dem gestellt, deren Licht durch einen skizzenhaft darge-

Empf anger wieder zu einem Bündel vereinigt wer- stellten Kollimator 2 zu einem als Eingangslicht-

den, das ein in physikalischer Hinsicht dem Ein- bündel bezeichneten Lichtbündel 3 mit parallelen

gangslichtbündel gleichwertiges Ausgangslichtbündel Lichtstrahlen zusammengefaßt wird. Dieses trifft auf

führt. . . 50 eine Anordnung 4 von lichtleitenden Fasern 5 und 5',

Durch die Erfindung wird es in besonders einfacher die, an einem Ende über den gesamten Querschnitt Weise ermöglicht, das Eingangslichtbündel so aufzu- des vereinigten Lichtbündels 3 gleichmäßig verteilt, teilen, daß ohne wesentliche Verluste an Lichtinten- dieses aufnehmen und am anderen Ende zur Bildung sität Teillichtbündel gleicher Lichtintensität und glei- verschiedener Lichtwege 6 und 6' in verschiedenen eher Verteilung der von dem gesamten Querschnitt 55 Richtungen derart geführt wird, daß mehrere einem des Eingangslichtbündels abgeleiteten Lichtintensität Lichtweg 6 bzw. 6' zugeordnete Fasern 5 bzw. 5' über deren Querschnitt gewonnen werden, welche wiederum gleichmäßig über den Querschnitt des versieh mit den gleichen einfachen Mitteln zu einem einigten Lichtbündels, beispielsweise des Eingangs-Ausgangslichtbündel nahezu gleicher Lichtintensität, lichtbündels 3, verteilt sind.

wie der des Eingangslichtbündels und gleicher Inten- 60 Dadurch wird das auftreffende Lichtbündel 3

sitätsverteilung über dem gesamten Querschnitt gleichmäßig in verschiedene Lichtbündel 7, T aufge-

wieder vereinigen lassen. Besondere Vorteile ergeben teilt. Vorteilhafterweise kann dies dadurch erreicht

sich bei der Anwendung der Erfindung für Analysen, werden, daß ein Bündel lichtleitender Fasern über

bei denen zur Identifizierung einer oder mehrerer in dem gesamten Querschnitt des vereinigten Licht-

einem Gemisch enthaltener Komponenten die Licht- 65 bündeis 3 so angeordnet ist, daß die Achsen der ein-

schwächung bei Durchgang durch dieses Gemisch zelnen Fasern 5 bzw. 5' an deren der Strahlungs-

benutzt wird. Mit der erfindungsgemäßen Photo- quelle 1 zugekehrtem Ende mit der Achse des vermeteranordnung lassen sich sowohl Analysen nach einigten Lichtbündels 3 (optischen Achse) parallel

Claims (3)

gerichtet sind und daß von benachbarten Fasern jeweils die eine, 5, in eine von der optischen Achse abweichende und die andere, 5', in eine andere von der optischen Achse abweichende Richtung, vorzugsweise in die bezüglich der optischen Achse zu dei Richtung der Fasern 5 spiegelbildliche Richtung, geführt sind. Dadurch wird eine bezüglich des Querschnitts des vereinigten Lichtbündels 3 möglichst gleichmäßige, an Lichtintensität verlustlose Aufteilung des vereinigten Lichtbündels 3 in zwei gleiche je ein eigenes Lichtbündel 7 bzw. T führende Lichtwege 6 bzw. 6' gewährleistet. Als lichtleitende Fasern lassen sich mit Vorteil beispielsweise mit einer geringen Schichtdecke eines nicht absorbierenden Mediums mit gegenüber Glas kleinerem Brechungsindex versehene Glasfasern geringen Durchmessers verwenden. In Abb. 1 werden die beiden Teillichtbündel 7 und 7' auf je einen Hohlspiegel 8 bzw. 8' geworfen, durch den sie auf den Empfänger 9, welcher als sogenannter »schwarzer« Empfänger auf Licht jeder Wellenlänge anspricht, zentriert und in diesem wieder vereinigt werden. In der Abbildung ist darüber hinaus dargestellt, wie diese erfindungsgemäße Photometeranordnung für Analysen eingesetzt werden kann. In dem einen Lichtweg 6 für das Teillichtbündel 7 ist eine Anordnung zur Lichtfilterung vorgesehen, welche den von dem zu messenden Medium absorbierten Wellenlängenbereich möglichst völlig absorbiert, vorzugsweise, wie in Abb. 1 dargestellt, eine mit dem zu messenden Medium in so genügend hoher Konzentration gefüllte Absorptionsküvetten 10, daß der Lichtweg 6 für die für das zu messende Medium charakteristischen Wellenlängen gesperrt bleibt. In dem anderen Lichtweg 6' für das Teillichtbündel T kann, wie in Abb. 1 gezeigt, eine weitere Anordnung zur Lichtfilterung, beispielsweise eine mit einem bestimmten Wellenlängenbereiche absorbierenden Medium gefüllte Absorptionsküvette 11, vorgesehen sein, mit deren Hilfe konstante Bezugsverhältnisse in dem als Vergleichsweg dienenden Lichtweg 6' hergestellt werden können. Zur optischen Symmetrierung ist in dem Vergleichsweg 6' eine je nach Bedarf einstellbare Vorrichtung zur Schwächung der in diesem Lichtweg herrschenden Lichtintensität vorgesehen, beispielsweise eine Blende 12, welche von einem nicht dargestellten Antrieb über ein Zahnrad 13 verstellt wird. In den Lichtweg des vereinigten Lichtbündels, in Abb. 1 beispielsweise des Eingangslichtbündels3, ist das zu messende Medium eingebracht, im gezeigten Fall eine dieses zu messende Medium enthaltende Absorptionsküvette 14. Die beiden Lichtwege 6 bzw. 6' werden von einem durch einen Motor 15 mit konstanter Drehzahl angetrieben, eine ungerade Anzahl gleichmäßig auf einem Kreis mit dem Achsabstand der beiden Teillichtbündel 6 bzw. 6' als Durchmesser angeordneter lichtdurchlässiger Lochfenster enthaltenden Blendenrand überdeckt, so daß jeweils der eine der Lichtwege 6 bzw. 6' freigegeben wird, während gleichzeitig der andere (6' bzw. 6) unterbrochen wird. Nach Abgleich der Lichtintensitäten des Meßweges 6 und des Vergleichsweges 6' der nicht mit dem zu messenden Medium beschickten Photometeranordnung wird das zu messende Medium in den Lichtweg des Eingangslichtbündels 3 eingebracht, und die Messung erfolgt nach dem an sich bekannten Verfahren der Selektivmodulation mit negativer Filterung und schwarzem Empfänger. Für die Durchführung dieses Meßverfahrens ist es unerheblich, ob das zu messende Medium im Lichtweg des Eingangslichtbündels 3, oder wie in A b b. 2 gezeigt, des Ausgangslichtbündels 18 liegt. In Abb. 2 ist eine Photometeranordnung mit Wiedervereinigung der Teillichtbündel 7 bzw. 7' des Meßweges 6 und des Vergleichsweges 6' mittels einer gleichfalls aus lichtleitenden Fasern 21 und 21' bestehenden Anordnung 20 zur Wiedervereinigung und ίο Bildung eines Ausgangslichtbündels 18 gezeigt. Die lichtleitenden Fasern 21 und 21' dieser Anordnung sind ähnlich den lichtleitenden Fasern 5 und 5' orientiert, vorzugsweise wird die Anordnung 6 durch eine bezüglich einer beliebigen, zur optischen Achse senkrechten Ebene spiegelbildlich zur Anordnung 4 liegenden gleichartigen Anordnung von lichtleitenden Fasern gebildet. Es ist ersichtlich, daß durch diese Anordnung die beiden Teillichtbündel 7 und 7' an Lichtintensität verlustlos derart wieder vereinigt werden, daß über den gesamten Querschnitt des Ausgangslichtbündels 18 eine möglichst gleichmäßige Verteilung sowohl des aus dem Meßweg 6 als auch des aus dem Vergleichsweg 6' stammenden Lichtes gewährleistet ist. Das Ausgangslichtbündel 18 fällt auf beispielsweise einen Kondensator 19, welcher das Licht auf den Empfänger 9 zentriert. Die in Abb. 2 gezeigte Anordnung ist in der dargestellten Weise für das Meßverfahren der Selektivmodulation mit positiver Filterung und schwarzem Empfänger eingerichtet, da in dem Meßweg 6 mindestens ein nur für die zu messende Komponente charakteristischen Wellenlängenbereich durchlässiges Lichtfilter 22, an dessen Stelle auch mit geeigneten Medien gefüllte nicht gezeichnete Absorptionsküvetten eingesetzt werden können, und in dem Vergleichsweg 6' mindestens ein für die für alle Komponenten charakteristischen Wellenlängenbereiche undurchlässiges Lichtfilter 23, an dessen Stelle gleichfalls mit geeigneten Medien gefüllte, nicht gezeichnete Absorptionsküvetten eingesetzt werden können, vorgesehen sind. Es ist ersichtlich, daß bei Einsatz der mit der Meßkomponente in hoher Konzentration gefüllten Absorptionsküvette 10 der Abb. 1 an Stelle des Lichtfilters 22 der Abb. 2 und Fortfalls des Lichtfilters 23 der A b b. 2 bzw. dessen Ersatz durch geeignete andere Filter oder die gefüllte Absorptionsküvette 11 der Abb. 1 sich mit der gleichen Photometeranordnung das Analysenverfahren der Selektivmodulation mit negativer Filterung und schwarzem Empfänger verwirklichen läßt. Eine weitere Beschreibung des an sich bekannten Verfahrens der Selektivmodulation mit positiver Filterung und schwarzem Empfänger sowie der in A b b. 2 wiedergegebenen Photometeranordnung erübrigt sich, da sie in ihren übrigen Teilen den bereits beschriebenen Teilen der Abb. 1 entspricht und fortlaufend für gleiche Teile gleiche Kennzeichnungen gewählt worden sind. g0 Patentansprüche:

1. Photometer, bei dem aus dem Lichtbündel eines Strahlers erzeugte Teillichtbündel über eigene Lichtwege (Meß- und Vergleichswege) demselben Empfänger zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lichtweg durch ein Bündel von lichtleitenden Fasern geringen Durchmessers und im wesentlichen glei-

eher Faseranzahl gebildet ist und je ein Ende jedes Faserbündels so im Querschnitt des von der Strahlungsquelle erzeugten Lichtbündels angeordnet ist, Haß die Faserenden gleichmäßig über dieselbe Querschnittsfläche verteilt sind.

2. Photometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet) daß die einzelnen Faserbündel vor dem Empfänger wieder zu einem Bündel vereinigt sind, in der Weise, daß die Faserenden jedes Bündels gleichmäßig im Querschnitt dieses Ausgangsbündels verteilt sind.

3. Photometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es dadurch als Analysengerät eingerichtet ist, daß wahlweise in den Lichtweg des Eingangs- oder ts Ausgangslichtbündels und/oder in einem oder mehrere Lichtwege der Teillichtbündel ein oder mehrere optische. Mittel zur Lichtfilterung, welche in vorher ausgewählter Weise für Licht eines oder

mehrerer Wellenlängenbereiche durchlässig sind, einsetzbar sind, beispielsweise optische Filter oder mit geeigneten Medien gefüllte Absorptionsküvetten, und daß ein sogenannter »schwarzer« oder ein »selektiver« Empfänger einsetzbar ist, so daß sowohl das Verfahren der positiven oder negativen Filterung als auch das Verfahren der monochromatischen oder heterochromatischen Differenzmessung zur Bestimmung der absoluten Konzentration des zu messenden Mediums oder dessen . Konzentrationsunterschiedes gegenüber einem Vergleichsmedium durchführbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
■Deutsche Patentschriften Nr. 718 434, 760 656,

839 843; USA.-Patentschriften Nr. 3 068 742, 2 821103;
British Communications and Electronics, Dez.

1961, S. 916 bis 922.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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