DE4341227C2

DE4341227C2 - Optisch-analytisches Detektionssystem zur Einfallswinkelbestimmung eines Lichtstrahls

Info

Publication number: DE4341227C2
Application number: DE19934341227
Authority: DE
Inventors: Gernot Baur
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-12-03
Filing date: 1993-12-03
Publication date: 1996-02-22
Anticipated expiration: 2013-12-04
Also published as: DE4341227A1

Description

Die Erfindung betrifft ein optisch-analytisches Detektionssystem, das in kompakter Bauform den Einfallswinkel eines Lichtstrahls mit hoher Genauigkeit erfassen und daher geringfügige Richtungs ablenkungen messen kann. Ein derartiges System kann z. B. in Differential-Refraktometern eingesetzt werden. Diese Geräte finden überall dort eine Anwendung, wo Flüssigkeiten anhand ihrer Brechzahl (Einzelproben oder kontinuierliche Prozeßkontrolle) charakterisiert werden müssen, um bei bekanntem Brechungsindexinkrement die Konzentration eines gelösten Stoffes bestimmen zu können. Ebenso dienen diese Geräte als Detektoren bei Flüssigkeits-Chromatografen, wobei durch die hohe Verdünnung der Proben eine entsprechende Empfindlichkeit und Signalstabilität des Sensorsystems die Qualität der Messungen mitdefinieren. Bei umgekehrter Anwendung (Vermessen von bekannten Konzentrationen einer Substanz) kann das Brechungsindexinkrement bestimmt werden, das zur quantitativen Konzentrationsdetektion notwendig ist. Dieses Brechungsindex inkrement ist auch für die Auswertung von Lichtstreumessungen an verdünnten Proben maßgebend, bei der es als quadrierter Faktor eingeht und daher möglichst genau bestimmt sein sollte.

Es sind inzwischen viele Geräte zur Bestimmung einer Brechzahldifferenz für Messungen an licht durchlässigen Flüssigkeiten bekannt, wobei im wesentlichen zwei Prinzipien allgemein verwendet werden:

a) Interferometer
Kohärentes Licht wird in zwei Lichtstrahlen mit gleichen geometrischen Wegen aufgetrennt. In dem einen Strahlengang befindet sich eine Kammer mit der Probe und in dem anderen eine mit einem Vergleichsmedium. Durch die unterschiedlichen optischen Dichten der Medien entsteht eine Phasenverschiebung, die bei der Wiedervereinigung der Strahlen einen Interferenzeffekt erzeugt. Die Empfindlichkeit dieser Methode wird durch Erhöhung der Länge der Probenzelle verbessert, wodurch aber gleichzeitig der auswertbare Konzentra tionsbereich stark eingeschränkt wird. Außerdem wird bei chromatografischer Durchfluß detektion durch eine vergrößerte Kammergeometrie die Auflösung der Elutionsvolumen reduziert und durch die Vermischung innerhalb der Kammer die Auflösungsleistung nach geschalteter Detektoren prinzipiell vermindert.
Diese Geräte reagieren sehr empfindlich auf Temperatureinflüsse, da bereits geringfügige Geometrieveränderungen Verfälschungen im Bereich des Meßeffekts verursachen. Der Meßwert bei diesem Gerätetyp ergibt sich aus einer kleinen Phasenverschiebung relativ zu einem willkürlichen Nullpunkt. Bei einem direkten Küvettenwechsel würde die Nullpunktslage verloren gehen und daher kann ein Probenwechsel nur im Durchfluß erfolgen.
b) Differentialrefraktometer
Bei diesem Gerätetyp wird ein Lichtstrahl durch eine Zweikammer-Küvette mit schräg zur Einfallsrichtung angeordneter Trennwand geleitet. An den Grenzflächen Medium 1/Trenn wand/Medium 2 erfährt der Lichtstrahl anhand der unterschiedlichen Brecheigenschaften der Flüssigkeiten eine Richtungsablenkung. Üblicherweise wird diese Ablenkung bisher direkt gemessen und mit einer Kalibrierungskonstanten verrechnet. Bei dieser direkten Ablenkungsmessung wird die Empfindlichkeit durch einen möglichst großen Abstand von Küvette und Detektor, üblicherweise ca. 1 m, erreicht. Durch den notwendigerweise massiven und sperrigen Bau wird die Verwendung aus praktischen Gründen, besonders in kombinier ten Meßsystemen, eingeschränkt. Die Vorteile dieser Methode im Vergleich zur Interferome trie sind: deutlich kleinere Empfindlichkeit gegen thermische Einflüsse auf die Meßgeometrie; der Meßbereich wird nur durch die Wahl des Detektors festgelegt; das Probenvolumen hat keinen direkten Einfluß auf die Meßgenauigkeit und kann theoretisch sehr klein gewählt werden, wird also in der Praxis nur durch die Küvettenkonstruktion definiert.Da diese Methode auf einer absoluten Streckenmessung beruht, die durch eine Strahlablenkung an den Grenzflächen verursacht wird, kann die Probenküvette für eine Messung prinzipiell gewechselt werden. Bei den herkömmlichen Anlagen muß bei einer Meßserie lediglich einmal eine Nullpunktsfestlegung mit reinem Lösungsmittel erfolgen. Dies ist auch notwendig, weil durch die Küvettengeometrie bei verschiedenen Lösungsmitteln eine geringe parallele Strahlversetzung zu erwarten ist, die sonst in die Meßgröße eingehen würde. Für eine möglichst genaue Streckenänderungsdetektion kann bei diesem einfachen Anlagentyp normalerweise nur mit einer Küvette gearbeitet werden, die jedesmal im Idealfall exakt gleich in die Halterung eingesetzt werden muß, damit der Versetzungseffekt sich reproduzieren und durch die Differenzbildung eleminieren läßt.

Zur Messung der Richtungsablenkung eines Lichtstrahls ist aus der WO/9203698 eine Vorrichtung bekannt, bei der im Strahlengang des Laserstrahls ein Strahlteiler angeordnet ist, der den Laserstrahl in den eigentlichen Nutzstrahl und einen Referenzstrahl aufspaltet. Im Strahlengang des Referenz strahls oder des Nutzstrahls sind ein weiterer Strahlteiler und nachfolgend ein positionsempfindlicher Sensor vorgesehen, auf den der Laserstrahl auftrifft. Im Strahlengang des Referenzstrahles sind ein Spiegelsystem, das den Referenzstrahl mehrfach faltet, und nach dem Spiegelsystem ein zweiter positionsempfindlicher Sensor vorgesehen, auf den der Referenzstrahl auftrifft, und aus dessen Ausgangssignal zusammen mit dem Ausgangssignal des ersten positionsempfindlichen Sensores eine Auswerteeinheit Richtungsänderungen bzw. Paralleländerungen des Laserstrahls im Raum ermittelt.

Nachteilig an dieser Vorrichtung ist die große Zahl der erforderlichen optischen Bauteile und der Einsatz von bis zu drei positionsempfindlichen Detektoren, der damit verbundene Fertigungsaufwand und Probleme bei der Justierung der Vorrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die wenig Platz einnimmt, ein Minimum an optischen Bauteilen und positionsempfindlichen Detektoren benötigt, einfach justierbar ist und einen geringen Fertigungsaufwand erfordert.

Diese Aufgabe wird durch ein optisches Detektionssystem mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbilungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung kann z. B. im Bereich der Brechzahlbestimmung ein Gerät konstruiert werden, das die Vorteile des Interferrometers (hohe Empfindlichkeit, kompakter Bau) mit denen des Differentialrefraktometers kombiniert (geringe thermische Störanfälligkeit, großer Meßbereich, kleines Probenvolumen, exakte Konzentrationsvorgaben sowie direkte Weiterverwertung der Lösungen möglich). Bei diesem Sensorsystem wird das Problem der parallelen Strahlversetzung deutlich verringert, da bei der Signalauswertung eine einfache Versetzung nicht in die Meßgröße eingeht. Der Sensor kann preiswert gefertigt werden.

Abb. 1 zeigt das Konstruktionsprinzip des Sensorsystems. Nachdem der Strahl auf den ersten Spiegel gelangt ist, wird er zwischen beiden Spiegelflächen hin und her reflektiert. Bei geeigneter Wahl der Strahloptik und der Sensorgeometrie können dabei Gesamtwege von mehreren Metern erzielt werden. Für die Brauchbarkeit des Systems ist, neben der Formstabilität, das Reflextions vermögen der Spiegel wichtig. Einfache, metallisierte Oberflächen (sog. Neutralfilter) oder Standard spiegel verursachen zu hohe Lichtverluste, so daß die Intensität bereits nach ein paar Reflextionen zu gering wird. Es empfiehlt sich der Einsatz von dielektrischen Spiegeln mit Reflexionswerten < 99%. Damit können z. B. mit einer 0,2 mW starken, monochromen Strahlquelle über 15 Reflexionspeaks ohne Probleme detektiert werden, was bei einem Spiegelabstand von 10 cm einem Lichtweg zwischen dem ersten und letzten Peak von über 2,8 m entspricht.

Die Anordnung der Spiegel zueinander muß nicht parallel sein. In der Praxis lassen sich diese sowieso nicht exakt ausrichten, so daß sich pro Reflexion am Gegenspiegel der Abweichungswinkel von der Parallelen mit doppeltem Betrag auf den idealen Verlauf des Lichtstrahls auswirkt. Die detek tierten Peakabstände werden je nach Vorzeichen des Fehlers immer kleiner oder größer. Dieser Ein fluß kann aber mit dem Computer, der ohnehin zur Datenerfassung eingesetzt wird, leicht korrektur gerechnet werden. Durch einen absichtlich schräg montierten oder durch einen gekrümmten Spiegel können Meßbereichsspreizungen erzielt werden. Um die Spiegel sicher zu montieren, können diese auf einem geeigneten Träger, z. B. einer Glasplatte aus Zerodur, verklebt werden.

Weil eventuelle vertikale Versetzungen des Lichtstrahls durch die Küvetten nicht auszuschließen sind bzw. um die Justage der Anlage zu erleichtern, ist ein schmales, strichförmiges Strahlprofil einem einfachen runden vorzuziehen.

Zur Lichtdetektion können z. B. handelsübliche CCD-Zeilensensoren mit 5000 Pixeln a 7×7 µm (lichtempfindliche Strecke ca. 3,5 cm) verwendet werden, wobei durch nebeneinander angeordnete Sensoren die Gesamtlänge der auswertbaren Spiegelfläche erweitert werden kann. Bei einem Einsatz von mehrzeiligen Sensoren oder von Flächendetektoren kann eine Strahlrichtungsänderung nicht nur in einer Ebene sondern auch räumlich (horizontal und vertikal) detektiert werden.

Für die Auswertung des Einfallswinkels muß zuerst die genaue Lage der Reflexionsorte (Intesitäts maxima) bestimmt werden, siehe Abb. 2. Dazu werden alle Datenpunkte unterhalb eines Schwellenwertes gelöscht (schraffierte Fläche) und die verbleibenden Datenbereiche durch entsprechende Fitfunktionen beschrieben. Mit Hilfe dieser Funktionen können die Lagen der Scheitelwerte genau bestimmt werden. Die daraus resultierenden Abstände Δ werden um die Parallelitätsabweichung der Spiegel korrigiert und aufsummiert. Da je nach Einfallswinkel die Reflexionsanzahl unterschiedlich sein kann, wird als Normierung durch die Peakanzahl dividiert. Der somit erhaltene Zahlenwert kann dann mit einer einmalig bestimmten, von der Spiegelanordnung abhängenden Konstanten in den absoluten Einfallswinkel umgerechnet werden. Im Anwendungs beispiel des Differential-Refraktometers kann die Bestimmung der Brechzahldifferenz einer Probe zur Referenz (normalerweise das Lösungsmittel) direkt durch einen, mit Eichmessungen bestimmten Faktor umgerechnet werden.

Das Problem der parallelen horizontalen Strahlversetzung bei herkömmlichen Differential-Refrakto metern führt bei diesem Sensorsystem lediglich zu einer synchronen Verschiebung aller Reflextions zentren und hat daher keinen Einfluß auf die Abstandsbestimmung zueinander.

Claims

1. Optisches Detektionssystem zur Bestimmung einer Richtungs- und Lageänderung eines Lichtstrahl, bestehend aus

a) zwei einander in einem vorgegebenen Abstand gegenüberstehenden Spiegelflächen, von denen zumindest eine Spiegelfläche für das Meßlicht teildurchlässig ist und zwischen denen der unter einem Winkel einfallende Lichtstrahl hin und her reflektiert wird;
b) zumindest einem ortsauflösenden elektronischen Sensor, der hinter der zumindest einen teildurchlässigen Spiegelfläche angeordnet ist, um die Reflextonszentren auf der teildurch lässigen Spiegelfläche zu erfassen;
c) eine elektronische Signalauswerteschaltung, die zumindest die Position von zwei Reflextionszentren zur Berechnung des Einfallswinkels auswertet.

2. Optisches Detektionssystem gemäß Anspruch 1, bei dem die Spiegelflächen Planspiegel sind, die parallel zueinander angeordnet sind.

3. Optisches Detektionssystem gemäß Anspruch 1, bei dem die Spiegelflächen Planspiegel sind, die winkelig zueinander angeordnet sind.

4. Optisches Detektionssystem gemäß Anspruch 1, bei dem eine oder beide Spiegelflächen eine sphärische Grundform besitzen.

5. Optisches Detektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zur Erhöhung der Zahl der auswertbaren Reflextionszentren beide Spiegelflächen als teildurch lässige Spiegel ausgebildet sind und hinter beiden teildurchlässigen Spiegelflächen ein ortsauflösender elektronischer Sensor angeordnet ist und je Spiegelfläche zumindest die Position eines Reflextionszentrums ausgewertet wird.

6. Optisches Detektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der ortsauflösende elektronische Sensor ein linearer Sensor zur Messung einer Strahlrichtungs- und Lageänderung in einer Ebene ist.

7. Optisches Detektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der ortsauflösende elektronische Sensor ein flächenhaft erfassender Sensor zur räumlichen Messung der Richtungs- und Lageänderung ist.

8. Optisches Detektionssystem nach Anspruch 6 oder 7, bei dem zur Erhöhung des auswertbaren Bereichs mehrere Sensoren nebeneinander angeordnet sind.

9. Verwendung eines optischen Detektionssystem zur Bestimmung einer Richtungs- und Lageänderung eines Lichtstrahls gemäß eine der Ansprüche 1 bis 8 bei einem Differentialre fraktometer zur Messung der Richtungsablenkung und des Parallelversatzes des Meßlichtstrahls.