DE4424961C2 - Wählvorrichtung für ein photometrisches Instrument mit Lichtleitfasern zur Analyse von entfernt befindlichen Proben - Google Patents
Wählvorrichtung für ein photometrisches Instrument mit Lichtleitfasern zur Analyse von entfernt befindlichen ProbenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen photometrische
Instrumente wie etwa Spektralphotometer und insbesondere derartige
Instrumente, die die Lichtdurchlaßeigenschaften mehrerer Proben
analysieren.
Für die Analyse von Strahlung, die von Proben durchgelassen oder
reflektiert wird, um die Art der Probe zu ermitteln, werden viele ver
schiedene photometrische Instrumente verwendet. Insbesondere werden
Spektralphotometer verwendet, um eine spektrographische Analyse zu
erstellen, um beispielsweise das Vorhandensein oder die Konzentration
von Komponenten in einer, Probe zu bestimmen oder um ein für eine
Probe charakteristisches "Fingerabdruck"-Spektrum zu schaffen. Eine
typische Anwendung ist die Messung der Auflösungsgeschwindigkeit
einer pharmazeutischen Tablette in einer Lösung, wobei Änderungen
der Lichtdurchlässigkeit der Lösung über die Zeit hinweg überwacht
werden. Ein weiterer Instrumententyp wird in der Flüssigchromatogra
phie verwendet, in der ein Proben-Lösungsprodukt in ein strömendes
Lösungsmittel eingeleitet wird, wobei die durchgelassene Strahlung
überwacht wird.
Für die Messung der Lichtdurchlässigkeit von flüssigen Proben wird in
einem Spektralbereich vom Infrarot zum Ultraviolett eine herkömmli
che Klasse von Spektralphotometern verwendet. Gewöhnlich ist in das
Instrument eine Probenzelle für eine Flüssigkeit eingebaut, die auch
"Küvette" genannt wird und etwa in der US 4,886,356
beschrieben ist, wobei die Flüssigkeit entweder sich in der
Küvettenkammer befindet oder durch diese gepumpt wird. In letzter
Zeit sind Lichtleitfasern dazu verwendet worden, die Strahlung an eine
Küvette oder an eine vom Instrument entfernt befindliche Prüfvorrich
tung zu transportieren. In einem solchen Fall kann eine Prüfvorrichtung
so beschaffen sein, daß sie in die Flüssigkeit eingetaucht ist, wie bei
spielsweise in der US 5,077,481 beschrieben ist.
Es ist manchmal wünschenswert, im selben Zeitintervall gleichzeitig
mehrere Proben zu überwachen, beispielsweise für verschiedene Ta
bletten, die sich in einer Anzahl von Behältern auflösen. Die US 4,431,307
lehrt die Anordnung von Flüssigkeitsbe
hältern in einer Matrix, wobei jeder Behälter seinerseits wiederum
seine eigene Optik und einen Detektor wie etwa ein einfaches Photome
ter enthält. Alternativ kann ein einziges Instrument mit einem Paar von
Lichtleitfasern dazu verwendet werden, die Strahlung zu einer Gruppe
von Küvetten oder Prüfvorrichtungen zu transportieren und von diesen
zurück zu transportieren, wobei durch einen optischen Schaltvorgang
die zu analysierende Probe ausgewählt wird, wie beispielsweise in der US 4,968,148
offenbart ist. Das Umschalten
zwischen den Lichtleitfasern ist im allgemeinen auf die Rückleitung der
Strahlung von einer Faser (oder einer Gruppe von Fasern) zu einer
weiteren Faser (oder einer weiteren Gruppe von Fasern) gerichtet;
Beispiele dieser Typen von Schaltvorgängen sind in den US-Patenten
5,056,886 und 4,626,065 offenbart.
Wenn ein einziges Paar von Lichtleitfasern die Strahlung ohne Unter
brechung zu einer einzigen Küvette oder Prüfvorrichtung oder einer
Matrixanordnung von Küvetten und von dieser einzelnen Küvette oder
Prüfvorrichtung oder dieser Matrixanordnung von Küvetten überträgt,
können sich die Fasern wegen der starken Beanspruchung durch die
Strahlung erheblich verschlechtern. Dies ist insbesondere im UV-Be
reich der Fall, wo das Phänomen als Solarisation bekannt ist.
Die US 4,989,932 offenbart einen Multiplexie
rer, mit dem es möglich ist, zur Analyse an ausgewählte Proben Licht
zu schicken und von diesen zu empfangen. In einem Lichtweg ist in
axialer Richtung eine, drehbare Trommel angeordnet, die ein Paar von
angewinkelten Spiegeln enthält. Ein Spiegel lenkt Licht schräg an eine
Lichtleitfaser ab, die das Licht zu einer Probe transportiert. Eine wei
tere Faser leitet das Licht von der Probe zum anderen Spiegel zurück,
der seinerseits das Licht längs des ursprünglichen Weges zurücklenkt.
Die Trommel wird um die Achse gedreht, um verschiedene Paare von
Lichtleitfasern auszuwählen, die sich in verschiedenen radialen Rich
tungen erstrecken. Obwohl für die Drehung der, Trommel ein Schritt
motor vorgeschlagen wird, ist für die Unterstützung oder die Drehung
im optischen Weg kein Mechanismus gezeigt. Außerdem ist eine präzi
se Ausrichtung der drehbaren Spiegel und der Fasern in bezug auf den
Weg notwendig.
Die DE-OS 21 37 332 beschreibt eine Vorrichtung zum Zeitmultiplexbetrieb
eines Probenanalysiergeräts, wobei eine Lichtquelle über ein optisches System Licht
in ein "kurbelartiges" Lichtleitelement einspeist. Das Licht wird dann auf Glasfasern
aufgeteilt, die von einem einzelnen stationären Halteelement gehalten werden.
Die EP 0062160 A1 beschreibt ein System und Verfahren zur Durchstrah
lung von in Probengefäßen einlagernden Flüssigkeiten, wobei die Strahlung durch die
Proben mittels eines Strahlführungselements gelenkt wird. Die Strahlung wird mittels
eines kurbelartigen Strahlungsleitelements auf ein gewünschtes Paar an Strahlungs
führungselementen aufgeteilt. Die Strahlungsführungselemente sind an zwei separa
ten Halteelementen befestigt.
WO 92/10737 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Erfassen von Reakti
onsprodukten, wobei Rückleitfasern von einer fixierten Platte mittels Bohrungen
gehalten werden. Die Auswahl einer dieser Rückleitfasern, wird mittels eines beweg
baren Lichtleitelements bewerkstelligt, das mechanisch mit einer drehbaren Welle
gekoppelt ist. Das von der Rückleitfaser ausgehende Licht wird in eine einzelne
Glasfaser eingespeist, die an der drehbaren Welle befestigt ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrich
tung zu schaffen, mit der die optische Kopplung zwischen einem pho
tometrischen Instrument und einer oder mehreren Proben, insbesondere
Proben mit lichtdurchlässigen Flüssigkeiten, unter Verwendung von
Lichtleitfasern optimiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Die Wählvorrichtung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungs
formen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Spektralphotometers
mit einer Wählvorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen
Spektralphotometers, bei dem die Wählvorrichtung verwendet
werden kann;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines belichteten Endes
einer im Spektralphotometer von Fig. 1 verwendeten
Lichtleitfaser;
Fig. 4 einen Aufriß einer Schaltvorrichtung, die in dem Spek
tralphotometer von Fig. 1 verwendet wird;
Fig. 5a, 5b eine Stirnansicht bzw. eine teilweise im Schnitt darge
stellte Seitenansicht eines Haltelementes für Lichtleitfa
sern, das im Spektralphotometer von Fig. 1 verwendet
wird; und
Fig. 6 einen eine Querschnittsansicht enthaltenden Aufriß einer
Linsenhalterung, die in dem Spektralphotometer von
Fig. 1 verwendet wird.
Die Wählvorrichtung kann in Verbindung mit praktisch jedem
photometrischen Instrument verwendet werden, insbesondere mit einem
Absorptions-Spektralphotometer, in dem ein Lichtstrahl (sichtbar,
nahes Infrarot, Infrarot oder Ultraviolett) vom Instrument auf eine
Probe abgelenkt wird und über Lichtleitfasern zurückgeleitet wird.
Ein geeignetes, herkömmliches Instrument 10 wie
etwa ein Modell LC-235, das von der Perkin-Elmer-Gesellschaft ver
kauft wird, ist schematisch in Fig. 2 gezeigt. Eine Deuterium-Lichtbo
genquelle 12 in einer Quarzröhre 14 emittiert Strahlung 15 im ultravio
letten Bereich (UV-Bereich). Ein erster Konkavspiegel 16 richtet die
Strahlung auf einen zweiten Konkavspiegel 18 parallel, der einen Teil
19 der Strahlung übermittelt und den Strahl auf einen Strahlteiler 20
bündelt. In einigen Fällen können nur ein Konkavspiegel oder ein
Linsensystem verwendet werden, um die Strahlbündelung zu bewirken.
Außerdem können (nicht gezeigte) Planarspiegel zum Ablenken oder
Krümmen des Strahls verwendet werden, diese sind jedoch für die
Erfindung ohne Bedeutung.
Der Strahlteiler 20 teilt den ursprünglichen Strahl 15 in zwei Strahlen
auf. Ein Strahl 22 ist ein Referenzstrahl, der durch eine Blende 24
geschickt wird. Der andere Strahl 26 wird auf eine Küvette 28 gerich
tet, die typischerweise auf jeder Seite einer Probenzelle 32 eine Linse
30 aufweist, wobei in der Probenzelle 32 eine Flüssigkeit 34 vorhanden
ist oder durch diese strömt, um analysiert zu werden. Beide Strahlen
erfahren mittels eines Polychromators mit einem Konkavgitter 36 eine
Spektralzerlegung 35 werden auf einen Felddetektor 38 fokussiert, der
in eine Leitung 40 zu einem programmierten Prozessor 42 entspre
chende Signale schickt. In der Praxis sind das Gitter 36 und der Detek
tor 38 gedreht, so daß der Detektor um 90° aus der Darstellung von
Fig. 2 gedreht ist. Der Prozessor verarbeitet die Signale, indem er bei
spielsweise die Spektraldaten des Probenstrahls mit denjenigen des
Referenzstrahls vergleicht, um Ausgangsinformation zu erzeugen, die
mittels eines Monitors 44 oder eines Druckers angezeigt wird.
Die Küvette 32 ist im Instrument durch eine
optische Vorrichtung 46 (Fig. 1), die Lichtleitfasern enthält, ersetzt.
Das übrige Instrument kann im wesentlichen gleich demjenigen von
Fig. 2 sein, es ist jedoch in Fig. 1 vereinfacht dargestellt. Beispielswei
se sind der Strahlteiler und der parallele Referenzstrahl weggelassen,
sie können jedoch bei Bedarf vorhanden sein. Die Strahlung 15 vom
Lichtbogen wird durch eine Quellenlinse 48 (die das Paar von Konkav
spiegeln ersetzt oder repräsentiert) geschickt, die den durchgelassenen
Strahl 26 in die optische Ersatzvorrichtung leitet. (Der Ausdruck
"Linse", wie er hier und in den Ansprüchen verwendet wird, hat die
Bedeutung einer einzelnen Linse oder einer Kombination von Linsen
mit einer ähnlichen Funktion.)
In einer optischen Eingangskette 50 der Vorrichtung lenkt ein Planar
spiegel 52 den gebündelten Quellenstrahl 26 durch eine Eingangsblende
54 in einer Platte 55 und eine Eingangsfokussierungslinse 56 in eine
Lichtleitfaser 58, die hier mit "Quellenfaser" bezeichnet ist und die an
ihrem Ende 60 in einem Halteelement 62 gehalten wird. Die Ein
gangsblende kann alternativ die physikalische Größe des Quellenbildes
sein, vorzugsweise ist sie jedoch eine tatsächliche Blende 54, die sich,
was am meisten bevorzugt ist, an der angegebenen Position befindet.
Die Quellenstrahlung 26 wird anschließend mittels der Faser an einen
entfernten Ort 64 befördert, wo sich ein zu prüfendes flüssiges (oder
halbdurchlässiges) Medium befindet. Alternativ kann die Probe reflek
tierend sein. (Hier und in den Ansprüchen hat "durchlassen" und
"durchgelassen" die Bedeutung sowohl von direkten Lichtdurchgängen
durch eine Probe als auch von Reflexionen von einer Probe.) Im Falle
einer Flüssigkeit besitzt eine herkömmliche Küvette oder Prüfvorrich
tung 68 mit oder ohne zugehörige Linsen 70 eine Kammer 72 für die
flüssige (oder andere) Probe 66, die einen Teil der Strahlung wahlweise
absorbiert, um dadurch wenigstens einen Teil der Strahlung durchzu
lassen. Eine Rückleitfaser 74 mit einem im Halteelement 62 gehaltenen
Ende 76 überträgt die durchgelassene Strahlung zum Instrument zu
rück. Die Küvette oder Prüfvorrichtung 68 kann von jedem gewöhnli
chen oder gewünschten Typ sein, wie er beispielsweise in den
US-Patenten 4,886,356 und 5,077,481 beschrieben ist.
In einer optischen Ausgangskette 77 haben eine Ausgangslinse 78,
wovon eine Brennebene 79 in einer Ausgangsblende 80 einer zweiten
Sperre 81 lokalisiert ist, sowie ein weiterer Ablenkspiegel 82 in bezug
auf das Ende 76 der Ausgangsfaser jeweils Konfigurationen und An
ordnungen (Brennweite, Abstände und dergleichen), die im wesentli
chen gleich denen der optischen Kette 50 in bezug auf das Ende 60 der
Faser auf der Eingangsseite sind. Die durchgelassene Strahlung 84
wird daher durch den zweiten Spiegel 82 zurückgeleitet, um von dem
Gitter 36 und dem Detektor 38 auf die in Fig. 2 beschriebene Weise
verwendet zu werden. Vorzugsweise wird ein Spektralbild 85 der
Quelle 12 auf den Detektor 38 fokussiert. Der Prozessor 42 verarbeitet die
Signale, um sie auf dem Monitor 44 anzuzeigen.
Die Quellenlinse 48 (oder ein äquivalentes Konkavspiegelsystem) ist so
konfiguriert und angeordnet, daß es ein Bild der Deuteriumquelle 12
auf eine Bildebene 88 fokussiert, die sich vorzugsweise auf Höhe der
Eingangsblende 54 befindet. Die Bildebene stimmt außerdem mit einer
Brennebene der Linse 56 überein. Darüber hinaus bildet die Umfangs
linie 90 der Quellenlinse 48 (oder der zweite Konkavspiegel 18 von
Fig. 2) eine Blende für die Quellenstrahlung, die hier mit
"Quellenblende" bezeichnet wird. Zu diesem Zweck kann eine weitere
Blende wie etwa eine getrennt angeordnete Blendensperre vorgesehen
werden. Bezugnehmend auf Fig. 2 kann die Umfangslinie des ersten
Spiegels 16 anstelle des zweiten Spiegels die Blendenwirkung erzeu
gen. In jedem Fall ist die Eingangslinse 56 so konfiguriert und ange
ordnet, daß sie ein Bild 91 (Fig. 3) der Quellenblende auf das belichtete
Ende 60 des strahlungsübertragenden Kerns 94 der Faser 58 fokussiert.
Alternativ können bei einer geringen, normalen Umordnung der (nicht
gezeigten) Optik die Fokussierung der Quelle 12 und die Quellenblende
90 vertauscht werden. Somit wird die Quelle 12 auf den Faserkern 94
fokussiert, wobei dann die Quellenblende 90 auf die Eingangsblende 54
fokussiert würde. Allgemeiner bilden die Quellenfläche und die Quel
lenblende ein Paar, das aus einer ersten Blende und einer zweiten
Blende besteht, wobei der Ausdruck "erste Blende" sich entweder auf
die Quellenfläche oder die Quellenblende bezieht und der Ausdruck
"zweite Blende" sich auf das jeweils andere Element bezieht. Eine erste
Fokussierungseinrichtung ist dazu vorgesehen, die erste Blende auf ein
erstes Bild in einer Bildebene zu fokussieren. Eine zweite Fokussie
rungseinrichtung besitzt eine Eingangsbrennebene, die mit der Bild
ebene übereinstimmt, und ist so angeordnet, daß das erste Bild im
Unendlichen auf die gewählte Quellenfaser fokussiert wird, um so die
numerische Apertur der Faser zu füllen. Die zweite Fokussierungsein
richtung fokussiert außerdem ein Bild der zweiten Blende (d. h. ein
zweites Bild) auf das Ende der Eingangsfaser. Es ist ersichtlich, daß in
der Ausführungsform von Fig. 1 die erste Blende die Quellenfläche 96
ist, die zweite Blende die Quellenblende 90 ist, die erste Fokussierungseinrichtung
die Linse 48 ist und die zweite Fokussierungseinrich
tung die Linse 56 ist.
Eine Vergrößerungsfläche ist herkömmlicherweise als effektive Fläche
einer Lichtquelle oder eines Bildes, multipliziert mit einem festen Win
kel der von der Quelle oder dem Bild ausgehenden Strahlung, definiert.
In dem Instrument von Fig. 1 ist die Vergrößerungsfläche für die
Quelle die Fläche 96 der Quelle, multipliziert mit dem konstanten
Winkel A, der sich gegenüber der Quellenblende befindet. (Ein kon
stanter Winkel ist die Blendenfläche, dividiert durch den quadrierten
Abstand.) In dem Instrument von Fig. 2 definiert die Umfangslinie
entweder des ersten Spiegels 16 oder vorzugsweise des zweiten Spie
gels 18 den konstanten Winkel. Die Vergrößerungsfläche einer Licht
leitfaser ist das πfache Quadrat ihrer numerischen Apertur (die sich
durch die Brechungsindizes des Kerns und der Umhüllung ergibt),
multipliziert mit der Querschnittsfläche des Kerns 94 (Fig. 3).
Sämtliche Fasern besitzen die gleiche Vergrößerungsfläche, die im wesentlichen
gleich der Quellen-Vergrößerungsfläche ist. Außerdem sollten die
Fasern die gleiche numerische Apertur besitzen, die im wesentlichen
gleich der numerischen Apertur der Eingangskette ist, die durch die
kreisförmige Apertur des Eingangs und durch die Brennweite der
Eingangslinse definiert ist. Diese Beschränkungen dienen dazu, die
Verluste zu minimieren und die optischen Kopplungen und die spek
trale Auflösung zu optimieren.
Es ist weiterhin wünschenswert, daß die Größe eines Eingangsbildes 91
(Fig. 3) am Faserkern gegenüber dem Querschnitt des Kerns 94 eine
Soll-Fehlanpassung aufweist. Obwohl dies einen kleinen Strahlungsver
lust zur Folge hat, läßt diese Fehlanpassung eine geringe Fehlausrich
tung der Faser in bezug auf die angrenzende optische Kette zu, ohne
daß der geplante optische Wirkungsgrad einen erheblichen Verlust
erleidet. Es ist festgestellt worden, daß die Bildgröße von der Kern
größe um ungefähr 10% bis 20% abweichen sollte, um geeignete Kompromisse
zu erzielen. In Fig. 3 ist das Bild etwas kleiner als der Kern
gezeigt; es könnte jedoch auch etwas größer sein.
Die obenbeschriebene optische Vorrichtung ist insbesondere für die
selektive Prüfung von Durchlaßeigenschaften mehrerer Proben geeig
net. Wie weiterhin in Fig. 1 gezeigt, ist eine Wählvorrichtung 98 vor
gesehen, die eine ankommende Strahlung wahlweise durch eine ausge
wählte Probe schickt, um eine Durchlaßstrahlung zu erzeugen. Von
mehreren Quellen-Lichtleitfasern 58, 58' (wovon zwei gezeigt sind),
kann jede von ihnen wahlweise die ankommende Strahlung aufnehmen.
Außerdem sind in einer entsprechenden Anzahl mehrere Rückleitungs-
Lichtleitfasern 74, 74' sowie in einer entsprechenden Anzahl Proben
einrichtungen (64, 64') vorgesehen, wovon jede so angeordnet ist, daß
sie Strahlung von einer entsprechenden Quellenfaser an eine entspre
chende Rückleit-Faser durchläßt. Eine Schalteinrichtung 100 wählt eine
Quellenfaser aus, damit sie ankommende Strahlung empfängt, und leitet
durchgelassene Strahlung von einer entsprechend ausgewählten Rück
leitfaser zur Analysatorseite des Instruments.
In Fig. 4 ist eine besondere optische Vorrichtung, die eine Schaltein
richtung 100 enthält, gezeigt. An einem Rahmen 102, wovon ein Ende
in das Spektralphotometer eingepaßt ist, sind mehrere verschiedene
Komponenten angebracht. Die Schalteinrichtung enthält ein Halteele
ment 62, das zylindrisch ist und von einer Achse 106 unterstützt ist, die
in Lagern 108 am Rahmen 102 unterstützt ist.
In den Fig. 5a und 5b sind Einzelheiten des Haltelements 62 mit den
Fasern 58, 58', 74, 74' gezeigt. Eine Mittelbohrung 110 enthält die
Achse 106, wobei ein Paar von Feststellschrauben 112 die Achse be
festigen. Ein Ring von 16 eingesenkten Bohrungen 114 sind auf einem
zur Achse axialen Kreis 116 in gleichem Abstand angeordnet. Jede von
16 Fasern besitzt ein belichtetes Ende (z. B. 60, 76), das in einem Stan
dardverbinder-Ring 118, der in einem Loch gehalten wird, befestigt ist.
Für jedes Loch ist ein weiteres Paar von orthogonalen Feststellschrau
ben 120 (wovon ein Paar gezeigt ist) vorgesehen, das den Ring gegen
einen O-Ring 122 drückt, der an der Innenseite der ringförmigen Rille
124 angeordnet ist, die mit dem Ring der Löcher 114 überlappt. Die
Schrauben zwingen die Ringe gegen den O-Ring, wodurch Feineinstel
lungen der Ausrichtung einer jeden der Fasern in bezug auf die angren
zende optische Kette möglich sind. Eine flexible Kupplung 126 (Fig. 4)
auf der Achse 106 ist mit einer Welle 128 verbunden, die ihrerseits
einen Handgriff 130 aufweist, um die Halterung 62 um deren Achse
132 manuell in ausgewählte Positionen zu drehen. Flache Noppen 134
oder Einbuchtungen auf der Umfangsfläche der Halterung 62 sind mit
einer Blattfeder 136 in Druckkontakt, um die Halterung an jeder ge
wünschten Drehposition zu halten. Ein (nicht gezeigter) Schrittmotor
könnte anstelle des Handgriffs und der Blattfeder 136 dazu verwendet
werden, die Halterung zu positionieren.
Der Rahmen hält auch die optischen Eingangs- und Ausgangsketten.
Ein Mast 138 auf dem Rahmen trägt den Eingangsspiegel 52, der Aus
richtschrauben 139 (wovon nur eine gezeigt ist) besitzen kann, sowie
den (nicht gezeigten) Ausgangsspiegel. Ein Plattenelement 142 (das in
Fig. 6 im einzelnen gezeigt ist) mit einem Paar von eingesenkten Öff
nungen 143 trägt die Eingangslinse 56 sowie die Ausgangslinse 78, die
in einem Abstand von zwei belichteten Faserenden 60 bzw. 76 auf der
Halterung 62 angeordnet sind. Eine Platte 144 mit zwei Blenden 54, 80
ist mittels Schrauben 145 am Plattenelement angebracht, so daß die
Eingangsblende 54 auf die Eingangslinse ausgerichtet ist und die Aus
gangsblende 80 auf die Ausgangslinse ausgerichtet ist. Die Linsen
könnten so angeordnet sein, daß ihre flache Seite 146 den Faserenden
nicht wie gezeigt abgewandt, sondern zugewandt ist.
In dem Ring der Fasern auf der Platte (Fig. 5a) sind acht Fasern Quel
lenfasern 148, die sich gegenüber acht Rückleit-Fasern 150 befinden,
derart, daß für jede gewählte Position der Halterung 62 eine entspre
chend gewählte Quellenfaser 58 auf die Eingangslinse ausgerichtet ist,
die die ankommende Strahlung empfangen soll, und eine entsprechend
gewählte Rückleit-Faser auf eine Ausgangslinse 78 ausgerichtet ist, um
die durchgelassene Strahlung zur Analyseeinrichtung zurückzuleiten.
Somit besteht jedes Paar von Fasern aus einer Quellenfaser und einer
Rückleit-Faser, deren jeweilige belichtete Enden auf dem Kreis diametral
entgegengesetzt sind. In diesem Beispiel ermöglichen acht Paare
von Fasern die Wahl irgendeiner von acht Proben, um sie mit dem
Instrument zu prüfen. Selbstverständlich kann für die Paare eine andere
Anzahl gewählt werden. Eine oder mehrere der "Proben" kann wie im
Stand der Technik eine Blindprobe oder ein Standard- oder unverdünn
tes Lösungsmittel sein.
Im folgenden werden Beispiele für die Abmessungen des oben beschrie
benen Instruments angegeben: Der erste und der zweite Spiegel können
Krümmungsradien von 16,6 bzw. 25,1 cm besitzen. Die Blende des
zweiten Spiegels hat einen Durchmesser von 0,64 cm. Die Abstände
sind: vom Lichtbogen zum ersten Spiegel 11,2 cm; vom ersten Spiegel
zum zweiten Spiegel 19,0 cm; und vom zweiten Spiegel zur Eingangs
blende 8,4 cm. Die Eingangsblende besitzt einen Durchmesser von 1,2 mm,
während die Brennweite der Eingangslinse 3 mm beträgt. Diese
Kombination des Blendendurchmessers und der Brennweite fokussiert
Strahlen an der Kante der Blende direkt in die numerische Apertur der
Faser von 0,22. Der Faserkern besitzt einen Durchmesser von 0,25 mm,
was eine Vergrößerungsfläche von 0,0075 mm2 ergibt. Der Quel
lenlichtbogen besitzt einen Durchmesser von 1,0 mm, so daß bei ent
sprechender Korrektur des ersten Spiegels die Blendengröße des zwei
ten Spiegels eine numerische Apertur der Quelle von 0,056 und eine
Vergrößerungsfläche von 0,0077 mm2 ergibt.
Aus der vorangehenden Beschreibung wird
deutlich, daß zusätzlich zu den oben bereits erwähnten Vorteilen ein
besonders nützliches System für ein spektrometrisches Instrument
geschaffen wird, das auch diejenigen Arten von Fluidproben aufneh
men kann, die in der Praxis nicht in das Instrument eingesetzt werden
können. Solche Proben umfassen Proben, die zu groß sind und daher
nicht geprüft werden könnten, oder Proben, die sofortige Ergebnisse
erfordern, wie dies bei der Produktionsüberwachung der Fall ist, oder
Proben, die nicht ohne weiteres transportiert werden können, etwa
explosive oder heiße Flüssigkeiten. Außerdem sind die Beschaffenhei
ten der Faserenden und der Umschaltmechanismen im Instrument im
Vergleich zu den Mechanismen für die Handhabung des Probenfluids
im Instrument verhältnismäßig kompakt.
Claims (12)
1. Wählvorrichtung für ein photometrisches Instrument (10), das eine Strahlungsquelle (12) und
Nutzvorrichtungen (42, 44) für die Nutzung der durchgelassenen Strahlung enthält, mit:
mehreren Quellen-Lichtleitfasern (58, 58'), wovon jede wahlweise Strahlung von der Quelle (12) empfangen kann,
einer entsprechenden Anzahl mehrerer Rückleit-Lichtleitfasern (74, 74'),
einer entsprechenden Anzahl mehrerer Probeneinrichtungen (64, 64'), wovon jede eine Probe (66) enthält, die Strahlung von einer entsprechenden Quellen-Lichtleitfaser (58, 58') zu einer entsprechenden Rückleit-Lichtleitfaser (74, 74') durchlässt, und
einer Schalteinrichtung (100), die wahlweise Quellenstrahlung in eine ausgewählte Quellen- Lichtleitfaser (58, 58') leitet und durchgelassene Strahlung von einer entsprechend ge wählten Rückleit-Lichtleitfaser (74, 74') zu den Nutzvorrichtungen (42, 44) leitet, wobei die Quellen-Lichtleitfasern (58, 58') mit den Rückleit-Lichtleitfasern (74, 74') in der Weise zu Paaren zusammengefasst sind, dass für jede gewählte Position des Halteelements (62) eine entsprechend gewählte Quellen-Lichtleitfaser (58, 58') so positioniert ist, dass ihr be lichtetes Ende (60) die Quellenstrahlung empfängt, und eine entsprechend gewählte Rückleit-Lichtleitfaser (74, 74') so positioniert ist, dass ihr belichtetes Ende (76) die durch gelassene Strahlung zu den Nutzeinrichtungen (42, 44) leitet,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schafteinrichtung (100) ein einzelnes, drehbares Halteelement (62) mit einer Mit telachse (106), sowie eine Positioniereinrichtung (126, 128, 130) aufweist, die mit dem Halteelement (62) funktional verbunden ist, um das Halteelement (62) in Drehrichtung um die Achse (106) wahlweise zu positionieren,
das Halteelement (62) jeweils ein belichtetes Ende (60, 76) der Quellen-Lichtleitfasern (58, 58') und der Rückleit-Lichtleitfasern (74, 74') hält, wobei sich jedes belichtete Ende (60, 76) auf einem mit der Achse (106) koaxialen Kreis befindet,
jedes Paar von Fasern eine Quellen-Lichtleitfaser (148) und eine Rückleit-Lichtleitfaser (150) enthält, die jeweils belichtete Enden (60, 76) besitzen, und
die Achse (106) am Halteelement (62) in dessen axialer Richtung befestigt ist und die Positioniereinrichtung eine Dreheinrichtung (130) enthält, die mit der Achse (106) funktional verbunden ist, damit die Achse so gedreht werden kann, dass die Position des Halteelements (62) ausgewählt werden kann.
mehreren Quellen-Lichtleitfasern (58, 58'), wovon jede wahlweise Strahlung von der Quelle (12) empfangen kann,
einer entsprechenden Anzahl mehrerer Rückleit-Lichtleitfasern (74, 74'),
einer entsprechenden Anzahl mehrerer Probeneinrichtungen (64, 64'), wovon jede eine Probe (66) enthält, die Strahlung von einer entsprechenden Quellen-Lichtleitfaser (58, 58') zu einer entsprechenden Rückleit-Lichtleitfaser (74, 74') durchlässt, und
einer Schalteinrichtung (100), die wahlweise Quellenstrahlung in eine ausgewählte Quellen- Lichtleitfaser (58, 58') leitet und durchgelassene Strahlung von einer entsprechend ge wählten Rückleit-Lichtleitfaser (74, 74') zu den Nutzvorrichtungen (42, 44) leitet, wobei die Quellen-Lichtleitfasern (58, 58') mit den Rückleit-Lichtleitfasern (74, 74') in der Weise zu Paaren zusammengefasst sind, dass für jede gewählte Position des Halteelements (62) eine entsprechend gewählte Quellen-Lichtleitfaser (58, 58') so positioniert ist, dass ihr be lichtetes Ende (60) die Quellenstrahlung empfängt, und eine entsprechend gewählte Rückleit-Lichtleitfaser (74, 74') so positioniert ist, dass ihr belichtetes Ende (76) die durch gelassene Strahlung zu den Nutzeinrichtungen (42, 44) leitet,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schafteinrichtung (100) ein einzelnes, drehbares Halteelement (62) mit einer Mit telachse (106), sowie eine Positioniereinrichtung (126, 128, 130) aufweist, die mit dem Halteelement (62) funktional verbunden ist, um das Halteelement (62) in Drehrichtung um die Achse (106) wahlweise zu positionieren,
das Halteelement (62) jeweils ein belichtetes Ende (60, 76) der Quellen-Lichtleitfasern (58, 58') und der Rückleit-Lichtleitfasern (74, 74') hält, wobei sich jedes belichtete Ende (60, 76) auf einem mit der Achse (106) koaxialen Kreis befindet,
jedes Paar von Fasern eine Quellen-Lichtleitfaser (148) und eine Rückleit-Lichtleitfaser (150) enthält, die jeweils belichtete Enden (60, 76) besitzen, und
die Achse (106) am Halteelement (62) in dessen axialer Richtung befestigt ist und die Positioniereinrichtung eine Dreheinrichtung (130) enthält, die mit der Achse (106) funktional verbunden ist, damit die Achse so gedreht werden kann, dass die Position des Halteelements (62) ausgewählt werden kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, die jeweils belichteten
Enden auf dem Kreis diametral entgegengesetzt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Strahlungsquelle (12) eine kreisförmige Strahlungsquellenfläche (96) besitzt und das photometrische Instrument (10) eine Quellenblende (90) mit einer Blendenfläche ent hält, die sich von der Quelle (12) in einem Abstand befindet und dadurch eine Quellen-Ver größerungsfläche definiert, und
die Fasern (58, 58', 74, 74') jeweils die gleiche Faser-Vergrößerungsfläche besitzen, die im wesentlichen gleich der Quellen-Vergrößerungsfläche ist.
dass die Strahlungsquelle (12) eine kreisförmige Strahlungsquellenfläche (96) besitzt und das photometrische Instrument (10) eine Quellenblende (90) mit einer Blendenfläche ent hält, die sich von der Quelle (12) in einem Abstand befindet und dadurch eine Quellen-Ver größerungsfläche definiert, und
die Fasern (58, 58', 74, 74') jeweils die gleiche Faser-Vergrößerungsfläche besitzen, die im wesentlichen gleich der Quellen-Vergrößerungsfläche ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Quellenfläche (96) und die Quellenblende (90) ein Blendenpaar bilden, das aus einer ersten Blende und aus einer zweiten Blende besteht,
ein optischer Eingangszug (50) für die Quelle (12) vorgesehen ist, der ankommende Strah lung in ein belichtetes Eingangsende (60) der ausgewählten Quellen-Lichtleitfaser (58, 58') leitet, und
der optische Eingangszug (50) eine erste Fokussierungseinrichtung (49), die so angeordnet ist, dass sie die erste Blende (96) auf ein Blendenbild in einer Bildebene (88) fokussiert, sowie eine zweite Fokussierungseinrichtung (56) aufweist, deren Brennebene sich in der Bildebene (88) befindet und die so angeordnet ist, dass das Blendenbild durch das Ein gangsende (60) der ausgewählten Quellen-Lichtleitfaser (58, 58') im Unendlichen fokussiert wird, wobei die zweite Fokussierungseinrichtung (56) ein Eingangsbild der zweiten Blende (90) auf das Eingangsende (60) fokussiert.
die Quellenfläche (96) und die Quellenblende (90) ein Blendenpaar bilden, das aus einer ersten Blende und aus einer zweiten Blende besteht,
ein optischer Eingangszug (50) für die Quelle (12) vorgesehen ist, der ankommende Strah lung in ein belichtetes Eingangsende (60) der ausgewählten Quellen-Lichtleitfaser (58, 58') leitet, und
der optische Eingangszug (50) eine erste Fokussierungseinrichtung (49), die so angeordnet ist, dass sie die erste Blende (96) auf ein Blendenbild in einer Bildebene (88) fokussiert, sowie eine zweite Fokussierungseinrichtung (56) aufweist, deren Brennebene sich in der Bildebene (88) befindet und die so angeordnet ist, dass das Blendenbild durch das Ein gangsende (60) der ausgewählten Quellen-Lichtleitfaser (58, 58') im Unendlichen fokussiert wird, wobei die zweite Fokussierungseinrichtung (56) ein Eingangsbild der zweiten Blende (90) auf das Eingangsende (60) fokussiert.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen optischen Ausgangszug
(77), der in bezug auf die Analyseeinrichtungen (42, 44) angeordnet ist, um von einem be
lichteten Ausgangsende (76) der entsprechend gewählten Rückleit-Lichtleitfaser (74, 74')
durchgelassen Strahlung zu leiten, wobei der optische Ausgangszug (77) eine Ausgangsfo
kussierungseinrichtung (78) enthält, deren Konfiguration und Anordnung in bezug auf das
Ausgangsende (76) im wesentlichen gleich der Konfiguration und der Anordnung der zwei
ten Fokussierungseinrichtung (56) in bezug auf das Eingangsende (60) sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Blende die
Quellenfläche (96) ist und die zweite Blende die Quellenblende (90) ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die Quellen-Fokussierungseinrichtung einen Konkavspiegel mit einer kreisförmigen Spie gelfläche enthält, wobei die Quellenblende durch die kreisförmige Spiegelfläche definiert ist, und
die zweite Fokussierungseinrichtung eine Eingangslinse (56) enthält.
die Quellen-Fokussierungseinrichtung einen Konkavspiegel mit einer kreisförmigen Spie gelfläche enthält, wobei die Quellenblende durch die kreisförmige Spiegelfläche definiert ist, und
die zweite Fokussierungseinrichtung eine Eingangslinse (56) enthält.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Eingangs
zug (50) eine Eingangsblende (54) enthält, die die Größe des Eingangbildes definiert.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsblende (54)
in der Bildebene (88) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (58, 58', 74,
74') jeweils die gleiche numerische Apertur besitzen und die Eingangsfokussierungsein
richtung (48) eine auf die Eingangsblende abgestimmte Brennweite besitzt, wodurch eine
numerische Apertur des Eingangs definiert ist, die im wesentlichen gleich der gemeinsamen
Apertur ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede Lichtleitfaser
einen Kern (94) für die Übertragung der Strahlung besitzt, dessen Querschnittsgröße in be
zug auf die Bildgröße des Eingangsbildes eine Fehlanpassung aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildgröße von der
Kerngröße abweicht, wobei die Abweichung in einem Bereich von 10% bis 20% liegt.
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DE4424961A1 DE4424961A1 (de) | 1995-01-19 |
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