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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf faseroptische Sonden. Insbesondere
betrifft die Erfindung eine faseroptische Sonde, welche ein Fensterelement
von gewählter
Dicke und eine Kegeloberfläche
aufweist, um Licht auf eine Probe zu lenken. Die Fensterdicke und
der Winkel der Kegeloberfläche
sind so ausgewählt,
dass eine effiziente Beleuchtung der Probe in einem kurzen Arbeitsabstand;
in einer Verringerung der auftretenden Reflektion; in einer ausreichenden
Unterdrückung
irgendeiner gerichteten Reflektion, welche auftritt; und in einer
effizienten Anordnung innerhalb des Durchmessers der Sande resultiert.
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Spektralanalyse
und insbesondere Infrarot-Spektroskopie ist eine bekannte Technik,
welche verwendet wird, um Proben zu untersuchen und Vorgänge online
zu überwachen.
Typischerweise wird für
eine lichtdurchlässige
Probe Licht. mit einem bekannten Spektrum auf die Probe gelenkt,
welche einiges des Lichtes absorbiert und bei unterschiedlichen
Wellenlängen
streut. Der diffus reflektierte Anteil des Lichtes wird gesammelt
und analysiert, um ein Absorptionsspektrum, welches die Probe charakterisiert,
zu erlangen.
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Faseroptische
Sonden werden verwendet, um Licht auf die Probe zu lenken und das
reflektierte Licht zu empfangen. Die Genauigkeit und Sensitivität der Analyse
hängt von
der Qualität
und Quantität
des von der Sonde empfangenen diffus reflektierten Lichts ab. Eine
gute Empfangseffektivität
resultiert in einer höheren
Sensitivität.
Ebenso ist eine gute Unterdrückung
irgendeines Lichts wünschenswert,
welches nicht mit der Probe in Wechselwirkung getreten hat, was
die Messungssensitivität
(Störquellen/Rauschen)
herabsetzen kann.
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Die
Intensität
des diffus reflektierten Lichts kann verbessert werden, indem die
Lichtmenge auf die Probe erhöht
wird. Jedoch ist es nicht immer möglich, die Lichtintensität einfach
zu erhöhen
und dadurch die Empfangseffektivität zu verbessern. Oftmals ist
es wichtiger, die Lichtquelle in dem Sichtfeld der faseroptischen
Sonde genau zu positionieren. Gleichzeitig ist es wichtig, Störquellen,
welche mit dem reflektierten Licht interferieren können, zu
begrenzen. Derartige Störquellen
treten auf, wenn Streulicht, welches mit der Probe nicht in Wechselwirkung
getreten ist, in die Sonde eintritt. Ein Beispiel für ein Rauschen
ist die gerichtete Reflektion, bei welcher einiges des Quellenlichts
in das Sichtfeld der Sande reflektiert wird. Gerichtete Reflektion überdeckt
oftmals das Signal der zurückkehrenden
diffusen Reflektion und begrenzt dadurch die Kalibrationslinearität und die
Messungsgenauigkeit.
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Einige
bekannte Sonden, welche wirksam sind, um die Probe zu beleuchten
und das reflektierte Licht mit einer vernünftigen Effektivität zu empfangen,
sind in der Größe begrenzt
und adaptieren sich nicht sehr gut an die Hinzufügung eines Fensters an dem
distalen Ende der Vorrichtung. Wird eine Vergrößerung der Sonde durchgeführt, verringert
sich die Empfangseffektivität
und die gerichtete Reflektion steigt an. Sonden, bei welchen der
Durchmesser der Empfangsfaser signifikant erhöht wird, um größer als der
Durchmesser der Lichtübertragungsfaser
zu sein, tendieren dazu, eine verringerte Empfangseffektivität aufzuweisen,
da Licht von der Beleuchtungsfaser das Sichtfeld der Empfangsfaser
nicht effizient beleuchtet. Es gibt die Tendenz der Bildung eines
blinden Punktes in dem Zentrum der Empfangsfaser.
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Der
Arbeitsabstand ist der Abstand zwischen dem Sondenende und der Probe.
Die Empfangseffektivität
wird negativ beeinflusst, wenn der Arbeitsabstand ansteigt. Dies
kann insbesondere schwierig mit Proben, welche eine geringere Effektivität, wie beispielsweise
Pulver, Textile und dergleichen aufweisen, abgemildert werden. Ebenso
rufen Pulver, welche eine Korngröße aufweisen,
die kleiner als der Durchmesser der Faser ist, oftmals nicht erwünschte Artefakte
hervor, welche zu Fehlern in der Sensor-Kalibrierung und in der
Messgenauigkeit führen.
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Gerichtete
Reflektion tritt auf, wenn das Beleuchtungslicht auf eine Oberfläche trifft,
bei welcher sich der Brechungsindex ändert, z.B. bei der Faserendfläche oder
bei einem Fenster an dem Betätigungsende
der Sonde. Die reflektierte Intensität ist eine Funktion des Winkels,
mit welchem das Licht auf die Oberfläche trifft. Der Verlust ist
einigermaßen
abhängig
von dem Winkel, mit welchem das Licht auf die Oberfläche trifft.
Wenn das Licht den kritischen Winkel erreicht, wird das einfallende
Licht vollständig intern
im Inneren des Mediums reflektiert. Nicht nur, dass das Auftreten
der gerichteten Reflektion die Gesamtmenge des für die Probe zu Verfügung stehenden
Beleuchtungslichts verringert, das gerichtete reflektierte Licht
kann in die Empfangsfaser eintreten und dadurch die Sensitivität der Messung
verringern oder mit dieser interferieren.
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US 4,86,670 (Kitamura et
al.) offenbart eine Reflektionssonde zum Untersuchen einer Probe
in einem Sichtbereich in unmittelbarer Nähe der Sonde, welche ein Lichtübertragungselement
mit einer ersten Achse und einem distalen Ende und ein Lichtempfangselement
mit einer zweiten Achse und einem zweiten distalen Ende aufweist,
welches in der Nähe
des Lichtübertragungselements
angeordnet ist, wobei das zweite distale Ende eine ebene Endfläche aufweist.
Die Sande beinhaltet ebenfalls ein Probensichtfenster, welches in
der Nähe
des ersten distalen Endes, jedoch in einem wesentlichen Abstand
von dem zweiten distalen Ende angeordnet ist. Das Probensichtfenster
besteht aus einem kegelstumpfartigen Körper, weicher eine Probensichtoberfläche und eine
Lichtkopplungsoberfläche
aufweist, welche eine Kegeloberfläche in Verbindung mit dem Lichtübertragungselement
in der Nähe
des ersten distalen Endes und einen konvexen mittigen Oberfächenabschnitt
in Verbindung mit der ebenen Endfläche des Lichtempfangselement
in der Nähe
des zweiten distalen Endes aufweist. Das Lichtübertragungselement und das Lichtempfangselement
stehen in optischer Verbindung mit dem Sichtbereich durch das Probensichtfenster,
so dass, wenn eine Probe im Inneren des Sichtbereichs in der Nähe des Probensichtoberfläche positioniert
ist, ein wesentlicher Anteil des durch das Lichtübertragungselements übertragenen
Lichts von dem ersten distalen Ende durch das Probensichtfenster
zu der Kegeloberfläche
in den Sichtbereich gerichtet und durch die Probe durch das Probensichtfenster
reflektiert und durch die ebene Endfläche des Lichtempfangselement
von dem mittigen Oberflächenabschnitt
des Probensichtfensters empfangen wird.
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Es
ist folglich wünschenswert,
das die Probe beleuchtende Licht so nah wie möglich an der Sonde zu positionieren,
so dass das Beleuchtungslicht einem effektivsten Pfad folgt. Des
Weiteren ist es wünschenswert,
die Beleuchtung und die Punktgröße des Beleuchtungslichts
zu erhöhen
und diesen am effizientesten im Inneren des Sichtfeldes der Empfangsfaser
zu lokalisieren. Es ist ebenfalls wünschenswert, nicht nur die
gerichtete Reflektion zu verringern, sondern dies in einer Art und
Weise durchzuführen,
so dass eine hohe Unterdrückung
irgendeiner gerichteten Reflektion, welche auftreten kann, resultiert.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen:
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Detektorsystems, welches eine
faseroptische Sonde gemäß der vorliegenden
Erfindung implementiert hat;
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2 ist
ein Teilquerschnitt eines Probenkontaktendes der Sonde gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 ist
ein Querschnitt der Sonde entlang der Linie 3-3 aus 2;
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4 ist
eine perspektivische Ansicht eines Probenfensters in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5 ist
eine perspektivische Ansicht eines Probenfensters in Übereinstimmung
mit einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung;
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6 ist
eine seitliche Teilvergrößerung einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung zum Erfassen einer Probe, welche in einer transparenten Phiole
lokalisiert ist;
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7 ist
eine alternative Ausführungsform, in
welcher eine Faseroptik als Lichtempfangselement zur Anwendung kommt;
und
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8 ist
eine alternative Ausführungsform, in
welcher eine feste Faseroptik in der Form eines Glasstabs mit einer
Luft- oder Glasverkleidung als das Lichtempfangselement zur Anwendung
kommt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert, basiert auf
der Entdeckung, dass eine diffus reflektierende Sonde eine effektive
Beleuchtung eines Probensichtbereichs in einem relativ kurzen Arbeitsabstand
mittels eines Fensterelements zur Verfügung stellen kann, welches
eine kegelartige Oberfläche
aufweist, welche an dem Betätigungsende
der Sonde angeordnet ist. Das Fenster ist wirksam, um Beleuchtungslicht
auf den Sichtbereich in der Mitte der Sonde zu richten, um den Abstand
zwischen dem Beleuchtungspunkt und der Empfangsfaser (Lichtempfangselement)
zu minimieren, um den Empfang von diffus gestreutem Licht zu erhöhen. Das
Fenster ist des Weiteren ausgestaltet, um irgendein Licht mit gerichteter
Reflektion von der vorderen Oberfläche des Fensters von dem Sichtfeld
der Empfangsfaser weg zu lenken.
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In
einer besonderen Ausführungsform
weist die Erfindung eine faseroptische Sonde auf, welche eine Übertragungsfaser
und eine Empfangsfaser verkörpert
hat, welche jeweils eine optische Achse und eine Endoberfläche aufweisen.
Die Empfangsfaser weist ein Sichtfeld auf. Ein Fensterelement weist
erste, zweite und dritte Lichtkopplungsoberflächen auf, welche eine Kegeloberfläche beinhalten,
die eine flache Oberfläche
und eine davon beabstandete Probensichtfläche umgeben. Die Kegeloberfläche ist
in der Nähe
der Endoberfläche
der Übertragungsfaser lokalisiert
und die flache Oberfläche
ist in der Nähe der
Empfangsfaser lokalisiert. Die Kegeloberfläche ist in einem ausgewählten Winkel
relativ zu der Achse der Übertragungsfaser
angeordnet und das Fenster weist eine ausgewählte Dicke auf. Der Winkel
und die Dicke werden ausgewählt,
so dass Licht auf das Sichtfeld der Empfangsfaser gerichtet wird
und so dass eine maximale Beleuchtung in einem relativ kurzen Arbeitsabstand
zu der Probensichtoberfläche
erreicht wird. Eine gerichtete Reflektion wird minimiert und die
Mehrheit einer solchen gerichteten Reflektion wird über das
Sichtfeld der Empfangsfaser hinaus gelenkt.
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In
einer anderen Ausführungsform
weist die Erfindung eine Sonde auf, welche ein Sichtfeld aufweist
und welche eine Vielzahl von Übertragungsfasern,
welche zumindest eine Empfangsfaser umgeben, beinhaltet, wobei die Übertragungs-
und Empfangsfasern jeweils eine optische Achse in paralleler axialer
Ausrichtung und jeweils eine korrespondierende Endoberfläche aufweisen.
Ein Probenfenster ist in der Nähe
der Endoberflächen
der Übertragungs-
und Empfangsfasern lokalisiert. Das Fenster weist eine Kegeloberfläche auf,
welche in einem Winkel gegenüber
der optischen Achsen der Beleuchtungsfasern liegt. Ein mittiger
Oberflächenabschnitt des
Fensters ist parallel zu den Endoberflächen der Empfangsfasern angeordnet.
Das Fenster weist ein Probensichtfenster parallel zu dem mittigen
Oberflächenabschnitt
und in einem ausgewählten
Abstand dazu beabstandet auf.
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Die
Kegeloberfläche überträgt Beleuchtungslicht
von den Beleuchtungsfasern in einen Bereich in unmittelbarer Nähe zu der
Probensichtoberfläche
außerhalb
des Fensters, wodurch eine maximale Beleuchtung in unmittelbarer
Nähe davon
quer über
das Sichtfeld der Sonde hervorgerufen wird. Der Winkel und die Dicke
werden ausgewählt,
so dass das Beleuchtungslicht auf das Probensichtfenster in einem
Winkel trifft, welcher nahe am, jedoch geringer als der kritische
Winkel ist, so dass das Beleuchtungslicht das Sichtfeld unmittelbar
in der Nähe
des Probensichtfensters beleuchtet und des Weiteren so, dass irgendein
von dem Probensichtfenster reflektiertes Licht von dem Sichtfeld
der Sonde weg gerichtet wird.
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In
einer noch weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist das Fenster angepasst, um mit der Probe in Kontakt
zu gelangen, so dass die Beleuchtung der Probe zwischen der Probenkontaktoberfläche und
ca. einem Millimeter davon auftritt.
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In
einer noch anderen Ausführungsform
der Erfindung weist der Kegel ein konisches Profil auf, um die Beleuchtungsabstrahlung
in Richtung zu der Probensichtoberfläche zu kollimieren.
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In
einer noch anderen Ausführungsform
ist die Dicke des Fenster reduziert, um es der Sonde zu gestatten,
zur Untersuchung einer Probe in einem transparenten Gefäß verwendet
zu werden.
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Beschreibung
der Erfindung
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1 ist
gibt im Allgemeinen eine diffus reflektierende faseroptische Sonde 20 gemäß der vorliegenden
Erfindung wieder. Die Sonde 20 wird im Allgemeinen in Verbindung
mit einer Quelle 22 für Beleuchtungslicht 24 verwendet,
welches an die Sonde 20 gekoppelt ist und durch ein Probensichtfenster 26 zu
einer Probe 28 gerichtet wird. Diffus reflektierendes Licht 30 von
der Probe 28 wird von der Sonde zu einem Detektor 32 übermittelt,
welcher ein Ausgangssignal für
eine spektrographische Analyse erzeugt. Die Quelle des Beleuchtungslichts
kann durch ein FTIR-Spektrometer, einen akustisch-optisch einstellbaren
Filter, ein Filter-Potentiometer,
ein Dispersionsspektrometer oder irgendeine andere geeignete ultraviolette,
sichtbare oder infrarote Spektrometervorrichtung bereitgestellt
werden.
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In
der dargestellten Ausführungsform
beinhaltet die Sonde 20 ein Bündel 34 von optischen
Beleuchtungsfasern 36, welche mit einem Kern 38 und einer
Umhüllung 40 ausgebildet
sind. Jede Faser 36 weist eine mittige Achse 42,
eine entsprechende Endoberfläche 44 und
ein Eingangsende 46, welches mit der Quelle 22 zur
Aufnahme von Beleuchtungslicht 24 gekoppelt ist, auf. Das
Bündel 34 der
Beleuchtungsfasern 36 ist in einem Sondengehäuse 48 in
einem kreisförmigen
Muster, wie in 3 dargestellt, angeordnet. Ein
Lichtrohr 50 kann in dem Gehäuse 48 konzentrisch
im Inneren der kreisförmigen Anordnung
der Beleuchtungsfasern 40 lokalisiert sein. Das Lichtrohr 50 kann
ein Hohlrohr 52 sein, welches mit einer reflektiven Goldbeschichtung 54 auf der
Innenoberfläche
ausgebildet ist und eine mittige Achse 56 und ein entsprechendes
distales Ende 58 aufweist. Die Achsen 42 der Fasern 36 und
die Achse 56 des Lichtrohrs 50 sind im inneren
des Gehäuses 48 in
paralleler axialer Ausrichtung angeordnet.
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Es
versteht sich, dass das Faserbündel 34 flexibel
ist und sich von dem Gehäuse 48 zu
der Quelle 22, wie dargestellt, erstreckt. Die Fasern können aus
einem optischen Glas mit hoher Reinheit oder aus einem hohlen Wellenleiter,
oder aus geeigneten organischen Materialien zur Herstellung einer Faseroptik
ausgebildet sein. Eine exemplarische Faser ist aus einem Quarzkern
und aus einer Ummantelung mit einem geringeren Brechungsindex ausgebildet,
so dass die numerische Apertur (NA) der Faseroptik bei ungefähr 0,22
liegt. Eine Faseroptik aus einer Flurverbindung kann ebenso verwendet
werden, welche eine numerische Apertur von ca. 0,2–0,4 aufweist.
Der Durchmesser des Kerns 38 kann bis zu ca. 600 Mikrometer
und der Gesamtdurchmesser 630 Mikrometer für eine Quarzfaser
betragen.
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Fluoridfasern
können
kleiner mit einem Kern mit 250 Mikrometer und mit einem Gesamtdurchmesser
von 330 Mikrometer sein. In der dargestellten Ausführungsform
ist das Lichtrohr 50 steif und erstreckt sich von dem Gehäuse 48 zu
dem Detektor 32 und weist einen äußeren Durchmesser (OD) von
ca. 5 mm und einen inneren Durchmesser (ID) von ca. 4 mm und eine
Länge von
ca. 100–200
mm auf. Der relativ große
ID des Rohrs 50 resultiert in einem relativ großen Sichtbereich.
Folglich, in der vorliegenden Erfindung, beträgt das Verhältnis der Größe des Lichtübertragungselements
zu dem Lichtempfangselement ca. Faktor 3. Das Lichtrohr 50 kann
in der Farm eines Bündels
von flexiblen optischen Fasern (7) oder einer
steifen Faseroptik (8), sollte dies wünschenswert
sein, vorliegen.
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Das
Fenster 26 ist im Inneren des distalen Endes 59 des
Gehäuses 48 lokalisiert.
Das Fenster 26 weist eine Lichtkopplungsoberfläche 60 und
eine Probensichtoberfläche 62 auf,
welche mit der Probe 30 direkt in Kontakt gelangen. Die
Lichtkopplungsoberfläche 60 befindet
sich im Inneren des Gehäuses 48 und
beinhaltet eine Kegeloberfläche 64 in
der Nähe
der Endoberflächen 44 der
Fasern 36. Die Kegeloberfläche 64 entspricht
einem ringförmigen
Kegelabschnitt und ist mit den Achsen 42 der Fasern 36 ausgerichtet.
Die Lichtkopplungsoberfläche 60 beinhaltet
ebenso einen mittigen Oberflächenabschnitt 66,
welcher von der Kegeloberfläche 64 umgeben
ist und parallel zu der Endoberfläche 58 des Lichtrohrs 40 ausgerichtet
ist. Die Kegeloberfläche 64 liegt
in einem Winkel F bezüglich
der Horizontalen, wie gezeigt.
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Das
Fenster 26 weist eine Gesamtdickenabmessung T auf. Die
Abmessung T und der Winkel F sind ausgewählt, um eine minimale gerichtete
Reflektion ohne Verwendung von Beschichtungen bereit zu stellen
und um einen minimalen Arbeitsabstand WD zwischen der Probensichtoberfläche 62 und
der Probe 28 zur Verfügung
zu stellen. In einer Ausführungsform
ist das Fenster 26 beispielsweise angepasst, um mit der
Probe 28 in Kontakt zu gelangen. Die Endoberfläche 44 jeder
Faser 36 kann in einem Winkel T relativ zu der Achse 42 und
von der mittigen Achse 56, wie gezeigt, weg gerichtet sein.
Falls gewünscht,
kann die Endoberfläche
parallel zu der Probensichtoberfläche 62 angeordnet
sein. Die Endoberflächen 44 der
Fasern können
in einem nach außen
gerichteten Winkel ? gegenüber
der Horizontalen angeordnet sein. ? kann in einem Bereich von ca. 0–ca. 35 ° variieren.
Der Bereich 15–25 ° zeigt sich als
nützlich,
um den Arbeitsabstand und das Sichtfeld zu justieren. Die Endoberflächen der
Fasern können flach
poliert werden, um eine polygonale konische Oberfläche auszubilden,
wie gezeigt und wie dargestellt, wenn so angeordnet.
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Wie
in 2 gezeigt, wird Beleuchtungslicht 24 in
Form von Strahlen durch die Beleuchtungsfasern 36 zu der
Endoberfläche 44,
wie gezeigt, übermittelt.
Die Beleuchtungsstrahlen 24 propagieren von der Endoberfläche 44 und
dringen in die Kegeloberfläche 64,
wie gezeigt, ein. Danach wird das Licht durch das Probenfenster 62 übermittelt,
wodurch es die Probe 28 beleuchtet. Licht, welches von
der Probe in Form von diffus reflektierten Strahlen 30 gestreut
wird, wird durch das Fenster 26 zu der Kopplungsoberfläche 66 und
dann zu dem Lichtrohr 50, wie dargestellt, übermittelt.
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Jedes
Mal, wenn ein Strahl auf eine Oberfläche trifft, welche einen Wechsel
im Brechungsindex repräsentiert,
wird das Licht gebrochen. In der in 2 dargestellten
Anordnung wird das Licht 24 von der Beleuchtungsfaser 36 in
Richtung zu der mittigen Achse 56 gebrochen, wenn dieses
die Endoberfläche 44 verlässt. Wenn
das Licht in das Fenster 26 an der Kegeloberfläche 64 eintritt,
wird es weiter in Richtung zu der mittigen Achse 56 gebrochen.
Die Beleuchtungsstrahlen 24 treten aus der Probensichtoberfläche in einem
flachen Winkel ? aus und definieren einen Sichtbereich 68, ähnlich zu
dem Bereich 68' der Endoberfläche 66 des
Lichtrohrs 50. Wie in 2 zu ersehen
ist, folgt das die Oberfläche 62 verlassende Beleuchtungslicht 24 einem
Pfad, welcher nahe an der Probensichtoberfläche ist. Folglich kann die
Probe 28 in der Nähe
der Oberfläche 62 innerhalb
eines Arbeitsabstands WD von kleiner als ca. 5 mm beleuchtet werden.
Dieses Merkmal gestattet es der Sonde 20, die Probe 28 effizienter
zu beleuchten, ohne eine tiefe Penetration durch die Lichtstrahlen. WD
kann weiter auf einen Millimeter oder geringer reduziert werden,
um es der Sonde zu gestatten, mit der Probe in Kontakt zu gelangen.
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Beleuchtungslicht,
welches an der Sichtoberfläche 62 gestreut
werden kann, im Folgenden darauf Bezug genommen als gerichtet reflektiertes Licht,
ist durch die gestrichelten Strahlen 24' wiedergegeben. Gerichtet reflektiertes
Licht propagiert in einem flachen Winkel ?' ähnlich
zu dem Winkel des Beleuchtungslichts. Folglich wird die Mehrheit
des gerichtet reflektierten Lichts 24' über das Sichtfeld 68' des Lichtrohrs 50 hinaus
getragen. In Übereinstimmung
mit der Erfindung wird daher die Beleuchtungsausstrahlung zu der
Probe in einem Bereich in der Nähe
der Probensichtoberfläche 62 übermittelt. Gleichzeitig
wird von der Kontaktoberfläche
reflektiertes oder gestreutes Licht effektiv durch die Systeme unterdrückt, jedoch
dringt dieses nicht in das Lichtrohr ein und verringert dadurch
die Sensitivität des
Systems.
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Die
gerichtete Reflektion wird in der vorliegenden Erfindung durch eine
sorgfältige
Auswahl des Kegelwinkels F, der Dicke T und des Brechungsindex des
Fensters 28 verringert. Ebenso kann die gerichtete Reflektion
weiter mittels einer optionalen antireflektiven Beschichtung 69 auf
der Probensichtoberfläche 62 reduziert
werden. Die in der vorliegenden Erfindung resultierende gerichtete
Reflektion ist kleiner als ca. 10 % des diffus reflektieren Lichtes und
vorzugsweise kleiner als 5 % dieses Lichtes. Die spektrale Reflektion
kann weiter reduziert werden auf weniger als 1 % des diffus reflektierten
Lichts mittels einer optionalen anti-reflektiven Beschichtung, deren Auswahl
in Übereinstimmung
mit der Umgebung durchgeführt
werden sollte, in welcher die Sonde zur Anwendung kommen soll und
mit dem gewünschten optischen
Eigenschaften. Die gerichtete Reflektion kann gegenüber einer
diffusen Probe gemessen werden, welche unter dem Markennamen Speculon
von LapSphere verkauft wird.
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Wie
in 4 zu ersehen ist, weist das Sichtfenster 28 ein
zylindrisches Element auf, welches mit der Kegeloberfläche 64 und
der flachen Oberfläche 66 in
einer Abstandsbeziehung mit der Probensichtoberfläche 62 ausgebildet
ist. In der Anordnung ist die Kegeloberfläche 64 in der Form
einer kegelstumpfartigen Oberfläche
ausgebildet. In der Anordnung tendieren die Beleuchtungsstrahlen 24 dazu, über das Sichtfeld 68 zu
divergieren. Der Vorteil der Anordnung gemäß 4 liegt
in einer relativen leichten Herstellung.
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In
der exemplarisch ausgestalteten Ausführungsform besteht das Fenster 26 aus
einem Saphirmaterial, welches einen Index oder eine Brechung von
ca. 1,77 aufweist. Der Winkel F liegt bei ca. 55 ° und die
Dicke T bei ca. 5 mm. Der Radius R liegt bei ca. 10 mm. Saphir ist
ein geeignetes Material, da es dazu tendiert, chemisch robuster
als andere Materialien zu sein.
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Der
Winkel F kann in einem Bereich von ca. 25–65 ° mit entsprechender Dicke und
entsprechendem Radius sein. Ebenso, wenn der Brechungsindex variiert
wird, können
F, T und R justiert werden. Beispielsweise kann das Fenster 26 ein
BK 7 Glas sein, welches einen Brechungsindex von 1,5 aufweist. Folglich
können
die Werte von F, T und R variiert werden, um dadurch den Sichtbereich
zu maximieren und die gerichtete Reflektion zu minimieren.
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5 gibt
eine alternative Ausführungsform eines
Probensichtfensters wieder, welches eine Lichtkopplungsoberfläche 80 und
eine Probensichtoberfläche 82 aufweist.
Die Lichtkopplungsoberfläche 80 beinhaltet
einen äußeren angefasten
Abschnitt 84 und einen von diesen umgebenen mittigen flachen Abschnitt 86.
Die Probensichtoberfläche 82 ist ähnlich zu
der Anordnung nach 4. Die angefaste Lichtkopplungsoberfläche 84 wirkt
wie eine Linse und tendiert dazu, die Beleuchtungsausstrahlung zu
kollimieren.
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6 ist
eine Teildarstellung einer alternativen Ausführungsform gemäß der Erfindung
in der Form einer Sonde 90, welche angepasst ist, um eine Probe 92 in
einer Phiole 94, welche eine Wanddicke t aufweist, zu untersuchen.
Beispielsweise tendiert die Beleuchtungsausstrahlung in der in 1 dargestellten
Anordnung dazu, beträchtlich
zu divergieren, bevor diese die Probe 92 erreicht, wenn
die Sonde 20 in direktem Kontakt mit der Phiole 94 oder
einem anderen Glasfenster platziert wird. Dies kann im Vergleich
zu der Messung der gleichen Probe in direktem Kontakt mit dem Sondenfenster
zu einer Herabsetzung der Ineffektivität in dem Bereich der reflektierten
Ausstrahlung führen,
welche von der Probe gemessen wird.
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Die
Anordnung aus 6 ist ähnlich zu derjenigen aus 1 und
verkörpert
eine Vielzahl von flexiblen Faseroptiken 96, welche ein
Lichtrohr 98 und ein Sichtfenster 100, welches ähnlich zu
dem Fenster 26 ist, umgeben. Jedoch, in der Anordnung nach 6,
weist das Fenster 100 eine Dicke T' auf, welche geringer als die Dicke
T des Fensters 26 ist. Des Weiteren wird die Dicke T' ungefähr um die
Dicke t der Wand der Phiole 94 verringert. Folglich erscheint
die Beleuchtung weniger diffus und tendiert dazu, mehr in dem Sichtfeld 102 in
unmittelbarer Nähe
zu der inneren Oberfläche 104 der
Phiole 94 konzentriert zu werden. Im Allgemeinen ist der
Brechungsindex der Viole 94 geringer als der Brechungsindex
des Fensters 100 und eine Justierung kann durch die Auswahl
der Fenstermaterialien und der Dicke T durchgeführt werden.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung kann der Arbeitsabstand WD der hierin
dargestellten Sonden variabel justiert werden, indem der Winkel
F der Kegeloberfläche 64 eingestellt
wird. Wenn der Arbeitsabstand WD auf vorteilhafte Weise verringert
wird, wird das rückkehrende
Signal 30 normalerweise verbessert und die gestreute Reflektion verringert.
Der Winkel F kann von dem Brechungsindex des Fensters abhängig sein.
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Gleichermaßen kann
der Winkel F der Faser 36, wie erwähnt, variiert werden, um den
Pfad für
die Beleuchtungsausstrahlung 24 abzustimmen. Die Fensterdicke
T kann in einem Bereich von ca. 5–10 mm für ein Saphirmaterial liegen.
In der Anordnung nach 6 kann T' durch die Dicke t der Phiole verringert
werden, obwohl insgesamt die Summe von T' + t in dem vorhergehend erwähnten Bereich
liegen kann.
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7 gibt
eine alternative Ausführungsform wieder,
in welcher eine flexible Faseroptik 110, welche aus einer
Vielzahl von einzelnen Faseroptiken 112 ausgebildet ist,
anstatt des Lichtrohrs 50 verwendet werden kann. Gleichfalls
kann eine einzelne Faseroptik 114, wie in 8 dargestellt,
als das Lichtempfangselement verwendet werden, welches einen Glaskern 116 mit
einer Ummantelung 118 aufweist.
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Es
versteht sich, dass die Probe 28, welche in den unterschiedlichen
Ausführungsformen
dargestellt ist, eine schematische Wiedergabe einer Substanz ist,
welche in der Form eines Puders, einer Flüssigkeit oder eines textilen
Materials ebenso irgendeines anderen Materials vorliegen kann, sei
es reflektierend oder nicht, für
welches eine gewünschte Reflektionsmessung
erforderlich sein kann.