DE2912233A1

DE2912233A1 - Photometrische zelle mit mehrfach- reflexionen

Info

Publication number: DE2912233A1
Application number: DE19792912233
Authority: DE
Inventors: Gilbert Boisde; Alain Boissier
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1978-03-30
Filing date: 1979-03-28
Publication date: 1979-10-11
Also published as: NL7902448A; GB2017961B; SE433538B; GB2017961A; IT7921447A0; JPS54131982A; ES478968A1; CH628988A5; US4225232A; SE7902702L; FR2421376B1; FR2421376A1; BE875050A

Description

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Die Erfindung betrifft eine photometrische Zelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit Hilfe derartiger Zellen kann beispielsweise die optische Dichte von flüssigen Körpern, etwa von Flüssigkeit, gemessen v/erden. Insbesondere ist es möglich, mit ihnen die Trübung von Flußwasser oder von Kernreaktor-Wasser zu messen bzw. Verunreinigungen in Flüssigkeiten oder Gasen festzustellen.

Es sind bereits photometrische Einrichtungen bekannt, die einen Behälter für die zu analysierende Flüssigkeit sowie optische Mittel aufweisen, wobei der Behälter von einem Lichtbündel durchlaufen werden kann. Die Messung der auf Grund des Durchlaufens des Behälters hervorgerufenen Dämpfung ermöglicht die Berechnung der optischen Dichte der Flüssigkeit sowie der Konzentration eines in der Flüssigkeit vorhandenen Körpers.

Diese Einrichtungen sind zwar für bestimmte Anwendungsfälle geeignet; sie haben jedoch den Nachteil, daß sie einen schlechten optischen Weg für Lichtbündel darstellen, wodurch ihre Genauigkeit eingeschränkt wird. Deshalb sind auch Einrichtungen vorgeschlagen worden, die zwei Spiegel, im allgemeinen sphärische Spiegel aufweisen, die an den beiden Seiten des Behälters angeordnet sind, so daß das Lichtbündel zwischen den beiden Spiegeln hin- und herlaufen kann und der optische Weg bei gleichem Raumbedarf verlängert ist.

Die photometrische Zelle, die dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung am nächsten kommt, ist die sog. WHITE¹sehe Zelle. Sie ist im wesentlichen in einem von J. U. WHITE in der Zeitschrift J. 0. S. A., Bd. 32, Mai 1945, S. 285 unter dem Titel "Long Optical Paths of Large Aperture" erschienenen Artikel beschrieben.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine photometrische Zelle zu schaffen, welche diese bekannte Vorrichtung verbessert, indem sie es ermöglicht, den optischen Weg merklich zu vergrößern, z. B. zu verdoppeln, zu verdreifachen oder zu vervierfachen. Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der Erfindung wird also das Lichtbündel nicht herausgeführt, wenn es die Peripherie des Spiegels M (Punkt I,, in Fig. 2) erreicht, sondern es wird durch eine Zelle von einem anderen Typ geleitet, die noch zwei weitere konjugierte Spiegel aufweist, um das Lichtbündel wieder in die WHITE¹sehe Zelle zurückzuführen, wo es wiederum einer großen Anzahl von Spiegelungen unterworfen ist. Hierin besteht der wesentliche Gedanke der Erfindung.

Unter "leicht gegeneinander verschobenen Krümmungsmittel punkten" versteht man solche Mittelpunkte, die in Bezug auf die Krümmungsradien der Spiegel einen kleinen Abstand voneinander aufweisen, beispielsweise kleiner als der zehnte der genannten Radien, und zwar so, daß das System in aer Gauss'sehen Näherung arbeitet.

Obgleich jedes optische System, das es gestattet, ein Lichtbündel zwischen zwei Spiegeln einzuführen oder es wieder herauszuführen, geeignet sein kann (beispielsweise Prismen- oder Linsen-Systeme oder Laser-Ablenksysteme), werden vorzugsweise Lichtleiter aus optischen Leitungen oder Fasern benutzt, um diese Organe herzustellen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Sie dienen der Erläuterung und sind in keinem Falle als Einschränkung zu verstehen. Es zeigen:

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Fig. 1 eine schematisehe Darstellung einer an sich bekannten

photometrischen Zelle;
Fig. 2 eine Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise einer Zelle gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der wesentlichen optischen

Mittel einer erfindungsgemäßen Zelle; Fig. 4 eine Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise der

Zelle gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine andere Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise einer verbesserten Variante der erfindungsgemäßen Zelle; Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Zelle.

In der Fig. 1 ist eine bekannte WHITE'sche Zelle dargestellt. Sie enthält zwei nebeneinander angeordnete sphärische Halbspiegel M, und IL· sowie einen dritten, diesen beiden Spiegeln M, und IL· gegenüberliegenden sphärischen Spiegel M. Die drei Spiegel haben den gleichen Krümmungsradius. Die Krümmungsmittel punkte C, und C_? der Spiegel M, und \L· befinden sich auf dem Spiegel M₅ wobei der eine Mittelpunkt gegenüber dem anderen ein wenig verschoben ist.

Der Krümmungsmittelpunkt C des Spiegels M befindet sich zwischen den beiden Halbspiegeln Pl und M₂. Das Lichtbündel, das die Messung ermöglichen soll, dringt über eine Eintrittspupille E in die Zelle ein und verläßt diese wieder nach mehreren Spiegelungen auf den Spiegeln durch eine Austrittspupille S, wobei diese beiden Pupillen in Aussparungen des Spiegels M angeordnet sind.

Die Wirkungsweise dieser Vorrichtung wird anhand der schematischen Darstellung der Fig. 2 erläutert, die den Spiegel M und die auf ihm erscheinenden Abbildungen von vorn darstellt. Es ist auf Grund der klassischen Gesetze der Optik bekannt, daß die Abbildung eines Objektpunktes, der sich in der Nähe des Krümmungsmittelpunktes eines sphärischen Spiegels befindet, bei jedem Krümmungsmittelpunkt ein Bildpunkt ist, der in erster Näherung in der Mitte des

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von dem Objekt und seiner Abbildung gebildeten Abschnitts liegt. Die Eintrittspupille E₅ die als ein Objekt I betrachtet wird, ergibt also, nach einer ersten Spiegelung an dem Halbspiegel M,, eine symmetrische Abbildung I₁ des Objekts I in Bezug auf den Mittelpunkt C,. Diese Abbildung I, wird ihrerseits durch die Spiegelung auf dem zweiten Halbspiegel \L· als zweite Abbildung I_? wiedergegeben, die in Bezug auf den Krümmungsmittelpunkt C_? des zweiten Halbspiegels M_? symmetrisch ist, und so weiter. Man erhält also durch das Spiel der mehrfachen Reflexionen eine Folge von jeweils voneinander verschiedenen Abbildungen, die sichtbar auf der Fläche vorhanden sind, die durch die Krümmungsmittelpunkte und die Eintrittspupille E definiert ist, d. h. auf dem Spiegel M. Diese Abbildungen sind alle auf zwei Geraden angeordnet, die parallel zu der Linie verlaufen, die die Krümmungsmittelpunkte C₁ und Cp miteinander verbindet. Die Austrittspupille S ist so angeordnet, daß sie mit einer der Abbildungen zusammenfällt (in Fig. 2 mit der elften Abbildung Ii i)· Anders ausgedrückt sind die Ein- und Austrittspupillen nach einer großen Anzahl von Spiegelungen durch die Spiegel optisch zueinander konjugiert.

Es ist leicht einzusehen, daß eine solche Anordnung zu einem hinreichend großen optischen Weg führt, weil die Zahl der Reflexionen erhöht ist (in dem Beispiel der Fig. 2 durchläuft das Lichtbündel nämlich 22mal die Zelle, also llmal hin und llmal zurück).

Die Fig. 3 stellt die wesentlichen Mittel einer erfindungsgemäßen photometrischen Zelle dar. Eine solche Zelle enthält - wie die WHITE'sehe Zelle - zwei sphärische Halbspiegel M, und [I)₅ deren gegeneinander verschobene Krümmungsmittelpunkte C, und C~ sich auf einem sphärischen Spiegel M befinden, dessen Krümmungsmittelpunkt sich wiederum zwischen den beiden sphärischen Halbspiegeln M, und M₂ befindet.

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Erfindungsgemäß ist der Spiegel M abgeschnitten, und zwar senkrecht zu der Linie, die C. und C₂ miteinander verbindet, d. h. in der Darstellung der Fig. 3 horizontal. Der abgeschnittene Teil des Spiegels wird durch eine Übertragungsoptik L ersetzt.

Ein zusätzlicher Halbspiegel M₃ ist hinter der Optik L angeordnet. Hierbei sind die Brennweite der Optik L und der Ort des Spiegels derart, daß die Halbspiegel M, und M₃ konjugiert sind. Das Lichtbündel wird durch die Eintrittspupille E in die Zelle ein- und durch die Austrittspupille S wieder aus der Zelle herausgeführt, wobei die Pupillen in den in der Optik befindlichen Aussparungen angeordnet sind und die Linie ES senkrecht auf der Linie C₁C₂ steht.

Im übrigen befindet sich der Krümmungsmittelpunkt C₃ des HaIbspiegeis M₃ in der Optik L auf der Linie ES.

Anhand der Fig. 4 wird die Funktionsweise dieser Zelle näher erläutert. Der zwischen dem abgeschnittenen Spiegel M und den beiden sphärischen Halbspiegeln M, und NL befindliche Teil verhält sich wie eine WHITE'sche Pseudozelle. Das Lichtbündel tritt durch die Pupille E ein und erzeugt aufeinanderfolgende Abbildungen

Nr. 1, 2, 3, 6, 7. Diese Abbildungen sind derart, daß zwei

aufeinanderfolgende Abbildungen ein Segment definieren, in welchem entv/eder der Krümmungsmittelpunkt C. oder der Mittelpunkt C₂ genau in der Mitte liegt. Alle diese Abbildungen verteilen sich auf zwei Geraden, die parallel zu der Linie C, C₂ verlaufen, welche die Krümmungsmittel punkte der Halbspiegel N!, und NL verbindet.

Diese Geraden verlaufen beiderseits zur Linie C,C₂. Die letzte dieser Abbildungen, die in der Fig. 4 die Bezugsnummer 7 hat, fällt auf die Optik L, jedoch nicht auf die Austrittspupille S, wodurch sich dieser Teil der Zelle von der echten WHITE¹sehen Zelle unterscheidet. Das Lichtbündel tritt also aus dem von den

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Spiegeln M,, Μ« und M begrenzten Abschnitt heraus und breitet sich in Richtung auf den Spiegel M- aus. Die von dem Halbspiegel M₃ erzeugte Abbildung der Abbildung Nr. 7 ist eine Abbildung Nr. 8, wobei die Mitte des Segments 7-8 der Krümmungsmittelpunkt C₃ ist. Das Lichtbündel wird also im Punkt 8 wieder in die WHITE'sche Zelle eingeführt, der sich wie eine neue Eintrittspupille verhält, von wo aus eine neue Gruppe von Abbildungen auf Geraden verteilt sind, die parallel und zu beiden Seiten der Linie C,C„ verlaufen. Diese Abbildungen haben in Fig. 4 die Bezugsziffern 9, 10 ... 15. Die letzte Abbildung (in Fig. 5 die Nr. 15) deckt sich mit der Austrittspupille S der Zelle, v/as dadurch möglich ist, daß sich der Krümmungsmittelpunkt C₃ auf der Linie ES befindet.

Somit gestattet es in dem dargestellten Beispiel der Umweg über den hinteren Halbspiegel M-, den Weg des Lichtbündels in der WHITE¹sehen Pseudozelle zu verdoppeln. Es liegt auf der Hand, daß dieser Weg noch durch die Wahl einer geeigneten Position des Krümmungsmittelpunkts C, und der Austrittspupille S verlängert werden kann.

In Fig. 5 ist beispielsweise eine Variante dargestellt, in der sich der Krümmungsmittelpunkt C- auf der Höhe der Eintrittspupille E befindet, so daß die letzte Abbildung Nr. 11 der ersten Serie nach der Spiegelung auf dem Halbspiegel M₃ eine Abbildung 11b erzeugt, die in Bezug auf C₃ symmetrisch zur Abbildung 11 ist, wobei diese Abbildung (lib) die erste einer neuen Reihe ist, die sich bis zur Abbildung Nr. 22 fortsetzt, welche ihrerseits nach der Spiegelung an dem Spiegel M₃ eine Abbildung Nr. 22b erzeugt, die wiederum; die erste einer dritten Reihe von Abbildungen ist, die sich bis zur Abbildung Nr. 33 fortsetzt, wo sich schließlich die Austrittspupille S befindet.

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Man erkennt, daß in Fig. 5 die Abbildungen, die von der WHITE¹ sehen Pseudozeile erzeugt werden, welche aus dem abgeschnittenen Spiegel M sowie aus den beiden Spiegeln M, und M~ besteht, sich längs von vertikalen Linien ausbreiten, während die von der aus den beiden Halbspiegeln M_ und M„ und der Optik L bestehenden Zelle erzeugten Abbildungen sich längs einer horizontalen Linie erstrecken.

Was die photometrischen Zellen betrifft, die aus zwei sphärischen Spiegeln bestehen, die durch eine Transmissions-Optik miteinander verbunden sind, so wird auf die französische Patentanmeldung Nr. 77 14 753 vom 13. 5. 1977 "Dispositf de photometrie ä miroirs concaves et ä optique de champs" verwiesen.

Bei einer gegebenen Behälterlänge und bei gegebenen Durchmessern der Pupillen und eines Spiegels M ist die optimale Anordnung der Zwischen-Abbildungen eine Figur, die ein Viereck beschreibt. Im übrigen ist die Zahl der Abbildungskolonnen in einer k'HITE'schen Zelle notwendigerweise gerade, und zwar entsprechend der Form 2N, wobei N<2. Die optimale Zahl der auf dem Spiegel M der erfindungsgemäßen Zelle erscheinenden Abbildungen ergibt sich aus der Gleichung η = (2N) .

Im Falle der Ausführungsform der Fig. 4 erhält man N = 2 und η = 16, während für das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 N = 3 und η = 36 gilt.

Bei der "quadratischen" Anordnung der Punkte können in bestimmten Fällen Mängel hinsichtlich der Anpassung auftreten, wenn es sich darum handelt, die Länge aer optischen Strecke einzustellen. Es ist natürlich im Notfall möglich, auf "rechteckige" Anordnungen mit einer Anzahl von Kolonnen 2N, die sich von der Anzahl der Reihen J unterscheidet, zurückzugreifen.

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Die nachfolgende Tabelle gibt einige Zahlenwerte für die wichtigsten geometrischen Eigenschaften von verschiedenen Ausführungsbeispielen der Zellen an. In dieser Tabelle ist die Längeneinheit der Millimeter, während die Abkürzungen folgende Bedeutungen haben:

- 2M: Zahl der Abbildungskolonnen auf dem Spiegel M;

- J: Zahl der Abbildungsreihen auf dem Spiegel M;

- n: Gesamtzahl der Abbildungen auf dem Spiegel M;

- 1: Abstand zwischen dem Spiegel M und den Spiegeln M,/NL;

- d: Durchmesser des Spiegels M;

- P: optischer Weg in der Zelle;

- D: Durchmesser der Halbspiegel M, und M„;

- V: inneres Volumen der zu analysierenden Zelle (in mm). 15

N	J	η	P	1	d	D	^Vml	'Luft	Wasser
4	4	16	4536	162	28	54	221	0,27	0,34
4	5	20	6192	172	30	57	364	0,26	0,32
4	6	24	8844	201	35	67	425	0,23	0,29
6	5	30	11502	213	37	71	504	0,19	0,25
6	6	36	16038	243	42	81	746	0,16	0,22

Diese Tabelle entspricht einem Durchmesser der Eingangspupille von 5 mm und einer Lichtstrahldivergenz von 20°. Unter den gleichen Bedingungen und bei einer optischen Strecke von ca. 11 m beträgt das tote Volumen der WHITE'sehen Zelle 1144 mm, während es in dem Fall der vorliegenden Erfindung nur 504 mm beträgt, was klar den Vorteil der vorgeschlagenen Einrichtung beweist. Außerdem nimmt dieser Vorteil mit der Länge der optischen Strecke noch zu, was die Herstellung von Zellen mit sehr langen Strecken rechtfertigt.

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Der Transmissionskoeffizient T für das durch die erfindungsgemäße Zelle ist abhängig von:

- dem Transmissionskoeffizienten T\ für eine Reflexion auf einem Spiegel und von der Zahl n-, dieser Reflexionen;

- dem Transmissionskoeffizienten T„ für einen Durchgang Luft-Glas und von der Zahl n^ dieser Durchgänge;

- dem Transmissionskoeffizienten Τ« für den Weg durch eine zu analysierende Flüssigkeit und das Glas und von der Zahl n~ dieser Wege.

Der Transmissionsgesamtkoeffizient ist also:

n₁ n₉ n,

T = T₁ χ T₂ x T₃ ^J.

Die obige Tabelle gibt zwei Reihen von Werten dieses Transmissionskoeffizienten, und zwar für den Fall, daß die Zelle mit Luft gefüllt ist (dies ist der Koeffizient T i_uft) und für den Fall, daß sie mit Wasser gefüllt ist (dies ist der Koeffizient T u_asser)·

Es ist gleichfalls zu beobachten, daß bei gleichzeitiger Beleuchtung der Spiegel M, und M„ eine erste Spiegelung auf den Halbspiegel NL eine erste Abbildung E¹ erzeugt, und zwar symmetrisch zu E in Bezug auf den Krümmungsmittelpunkt C„ (s. Fig. 5).

Eine Hilfsaussparung S¹ in dem Spiegel M an dieser Stelle gestattet es, das auftretende Lichtbündel zum Zweck einer Analyse bei geringer optischer Strecke zu benutzen. Wenn man mit zwei verschiedenen Absorptionswellenlängen arbeitet, ermöglicht es dieses System auch, den Boden der Trübung der zu analysierenden Flüssigkeit auszuschalten.

Die Fig. 6 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße photometrische Zelle. Man erkennt hierbei wieder

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die beiden Halbspiegel M, und M„ sowie den abgeschnittenen Spiegel M und den Spiegel M₃, (der hier ein ganzteiliger Spiegel ist, aber nur in seiner unteren Hälfte benutzt wird), ferner die Optik L (die eine komplette Linse ist, die aber nur in ihrem oberen Bereich benutzt wird).

Diese Figur stellt außerdem die Mittel 40 zum Einstellen der Spiegel M, und M„ dar, ferner die Mittel 42 zum Einstellen des Spiegels M₃ sowie einen Lichtleiter 44 für den Einlaß des Licht-

10" bündeis durch die Eintrittspupille E und einen anderen Lichtleiter für den Austritt des Lichts, der in dem Schnitt der Fig. 6 nicht sichtbar ist, aber in Fig. 5 erscheint. Eine Hilfsführung 49 ist für die Ableitung des auf dem Spiegel M_? reflektierten Lichts vorgesehen, nachdem dieses nur einmal in der Analysen-Zelle hin-und hergelaufen ist. Die Zelle weist außerdem eine Öffnung 48 zum Einlaß der zu messenden Flüssigkeit auf, die in der dargestellten Variante den Raum zwischen dem Spiegel M und den beiden Halbspiegeln M, und M₂ einnimmt.

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Claims

P 130-CA/79 COMMISSARIAT A L1ENERGIE ATOMIQUE 31/33, rue de la Federation 75015 Paris Frankreich Photometrische Zelle mit Hehrfach-Reflexionen Patentansprüche

1. Jphotometrische Zelle mit zwei nebeneinander angeordneten ""-"sphärischen Halbspiegeln sowie mit einem dritten, den beiden erstgenannten Spiegeln gegenüber angeordneten sphärischen Spiegel, wobei die drei Spiegel den gleichen Krümmungsradius haben und wobei sich die Krümmungsmittelpunkte der erstgenannten Spiegel auf dem dritten Spielgel befinden und leicht gegeneinander verschoben sind, während sich der Krümmungsmittelpunkt des dritten Spiegels zwischen den beiden erstgenannten Spiegeln befindet, ferner mit optischen Mitteln zur Einführung eines Meß-Lichtbündels über eine Eintrittspupille in die Zelle, wobei dieses Bündel nach mehrfachen Reflexionen auf den erwähnten Spiegeln über eine Austrittspupille austreten kann, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Spiegel (M) senkrecht auf der Linie, die die Krümmungsmittelpunkte (C₁, C₂) der beiden erstgenannten Spielgel (Mp M₂) verbindet, abgeschnitten ist, wobei der abgeschnittene Teil des dritten Spielgels (M) durch eine Optik (L), die mittels übertragung arbeitet, ersetzt ist; daß sich die Ein- und

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Austrittspupillen (E₅ S) auf der Höhe der Optik (L) auf einer Linie befindet, die senkrecht auf der durch die Mittelpunkte (C₁, C„) gebildeten Linie steht, daß ein weiterer Halb-Spiegel (M₃) vorgesehen ist, wobei die Optik (L) derart ist, daß zv/ei Halbspielgel (M-,, M-) konjugiert zueinander sind, und der eine Halbspiegel (M-) einen Krümmungsmittelpunkt (C^) auf der Linie aufweist, die die beiden Pupillen (E, S) verbindet, v/obei die Pupillen (E, S) durch die Spiegel und die Optik (L) konjugiert zueinander sind.

2. Photometrische Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Ein- und Ausführen des Lichtbündels aus Lichtleitern, vorzugsv/eise aus optischen Fasern (44, 49) bestehen.

3. Photometrische Zelle, nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zwischen dem einen Spiegel (M) und den beiden Halbspiegeln (M,, M₂) vorgesehen sind, über die eine zur Messung bestimmte Flüssigkeit eingeführt werden kann.

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