DE69636144T2 - Diffus reflektierende sonde - Google Patents

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Detektorsystems, welches eine faseroptische Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung implementiert hat;
  • 2 ist ein Teilquerschnitt eines Probenkontaktendes der Sonde gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ist ein Querschnitt der Sonde entlang der Linie 3-3 aus 2;
  • 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Probenfensters in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Probenfensters in Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform der Erfindung;
  • 6 ist eine seitliche Teilvergrößerung einer anderen Ausführungsform der Erfindung zum Erfassen einer Probe, welche in einer transparenten Phiole lokalisiert ist;
  • 7 ist eine alternative Ausführungsform, in welcher eine Faseroptik als Lichtempfangselement zur Anwendung kommt; und
  • 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.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung weist der Kegel ein konisches Profil auf, um die Beleuchtungsabstrahlung in Richtung zu der Probensichtoberfläche zu kollimieren.
  • 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.
  • Beschreibung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (22)

  1. Diffus reflektierende Sonde zum Untersuchen einer Probe in einem Sichtbereich (68) in unmittelbarer Nähe der Sonde, aufweisend: ein Lichtübertragungselement (34) mit einer ersten Achse (42) und einem distalen Ende; ein Lichtempfangselement (50) mit einer zweiten Achse (56) und einem zweiten distalen Ende, welches in der Nähe des Lichtübertragungselements angeordnet ist, wobei das zweite distale Ende eine ebene Endfläche (58) aufweist; und ein Probensichtfenster (26), welches in der Nähe des ersten und des zweiten distalen Endes angeordnet ist, wobei das Probensichtfenster einen zylindrischen Abschnitt aufweist, welcher eine Probensichtoberfläche (62) und einen in der Nähe der ebenen Endfläche (58) angeordneten kegelstumpfartigen Abschnitt beinhaltet, wobei der kegelstumpfartige Abschnitt eine Lichtkopplungsoberfläche (60) aufweist, welche eine Kegeloberfläche (64) in Verbindung mit dem Lichtübertragungselement (34) in der Nähe des ersten distalen Endes und einen ebenen mittigen Oberflächenbereich (66) in Verbindung mit und im Wesentlichen parallel zu der ebenen Endfläche (58) des Lichtempfangselements (50) in der Nähe des zweiten distalen Endes beinhaltet, wobei das Lichtübertragungselement und das Lichtempfangselement sich in optischer Verbindung mit dem Sichtbereich (68) durch das Fenster derart befinden, dass, wenn eine Probe im Inneren des Sichtbereichs in der Nähe der Probensichtoberfläche positioniert ist, ein wesentlicher Anteil des durch das Lichtübertragungselements übertragenen Lichts von dem ersten distalen Ende durch das Fenster zu der Kegeloberfläche in den Sichtbereich gerichtet und durch die Probe durch das Fenster als diffus reflektiertes Licht reflektiert und durch die ebene Endfläche des Lichtempfangselements von dem mittigen Oberflächenbereich des Probensichtfensters gesammelt wird.
  2. Sonde nach Anspruch 1, bei welcher die Kegeloberfläche den mittigen Oberflächenbereich umgibt.
  3. Sonde nach Anspruch 1, bei welcher die Kegeloberfläche in einem Winkel im Bereich von 25° bis 65° relativ zu einer Ebene angeordnet ist, welche parallel zu der Probensichtoberfläche ist.
  4. Sonde nach Anspruch 3, bei welcher die Kegeloberfläche in einem Winkel von 45° relativ zu einer Ebene angeordnet ist, welche parallel zu der Probensichtoberfläche ist.
  5. Sonde nach Anspruch 1, bei welcher das Lichtübertragungselement (34) eine erste optische Faser (36) und das Lichtempfangselement (50) eine zweite optische Faser 112, 114 aufweist.
  6. Sonde nach Anspruch 5, weiter aufweisend ein Gehäuse (48) zur Befestigung der ersten und zweiten optischen Faser in paralleler axialer Ausrichtung.
  7. Sonde nach Anspruch 1, bei welcher das Lichtübertragungselement eine Faseroptik (36) aufweist, welche eine Endfläche (44) in der Nähe des Probensichtfensters(26) an dem distalen Ende aufweist.
  8. Sonde nach Anspruch 6, bei welcher die Endfläche (44) der Faseroptik (36) in einem Winkel zu einer Ebene angeordnet ist, welche senkrecht zu der mittigen Achse (42) davon ausgerichtet ist.
  9. Sonde nach Anspruch 8, bei welcher der Winkel in einem Bereich von 0° bis 35° liegt.
  10. Sonde nach Anspruch 8, bei welcher der Winkel in einem Bereich von 15° bis 25° liegt.
  11. Sonde nach Anspruch 1, bei welcher die Kegeloberfläche (64) in einem Winkel ausgerichtet ist, welcher ausgewählt ist, um die gerichtete Reflektion des übertragenen Lichts zu minimieren.
  12. Sonde nach Anspruch 11, bei welcher der Winkel der Kegeloberfläche ausgewählt ist, um eine gerichtete Reflektion von weniger als 10 % des diffus reflektierten Lichts bereitzustellen.
  13. Sonde nach Anspruch 11, bei welcher der Winkel der Kegeloberfläche ausgewählt ist, um eine gerichtete Reflektion von weniger als 5 % des diffus reflektierten Lichts bereitzustellen.
  14. Sonde nach Anspruch 11, aufweisend eine antireflektierende Beschichtung auf der Probensichtoberfläche und bei welcher der Winkel der Kegeloberfläche ausgewählt ist, um eine gerichtete Reflektion von weniger als 1 % des diffus reflektierten Lichts bereitzustellen.
  15. Sonde nach Anspruch 1, weiter aufweisend eine antireflektierende Beschichtung auf der Probensichtoberfläche zur Verminderung der gerichteten Reflektion.
  16. Sonde nach Anspruch 11, bei welcher der Winkel der Kegeloberfläche ausgewählt ist, um eine maximale Unterdrückung der gerichteten Reflektion von der Probensichtoberfläche bereitzustellen.
  17. Sonde nach Anspruch 1, bei welcher das Probensichtfenster eine Dicke T aufweist, welche ausreicht, um die Übertragung von Beleuchtungslicht über das Sichtfeld bereitzustellen, welches die zweite Achse des Lichtempfangselements beinhaltet.
  18. Sonde nach Anspruch 1, bei welcher das Probensichtfenster ausgestaltet ist, um mit einer Probe in Kontakt zu gelangen.
  19. Sonde nach Anspruch 1, bei welcher die Sonde betätigbar ist, um mit einer Probe in Kontakt zu gelangen.
  20. Sonde nach Anspruch 1, bei welcher das Lichtempfangselement zumindest einen Lichtleiter aus einer flexiblen Faseroptik und/oder eine feste Faseroptik aufweist.
  21. Sonde nach Anspruch 1, weiter aufweisend eine Lichtquelle (22), welche mit dem Lichtübertragungselement optisch gekoppelt ist, wobei die Lichtquelle ausgewählt ist aus einem FTIR-Spektrometer, einem akustisch-optisch einstellbaren Filter, einem Filter-Photometer, einem Dispersionsspektrometer und einem Spektrometer, welches zumindest ein ultraviolettes, sichtbares und/oder infrarotes Licht zur Verfügung stellt.
  22. Sonde nach Anspruch 1, bei welcher das Lichtübertragungselement ein optischer Wellenleiter ist; und das Lichtempfangselement ein optischer Wellenleiter ist.
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