DE9404041U1

DE9404041U1 - Aperturwandler

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Publication number: DE9404041U1
Application number: DE9404041U
Authority: DE
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Current assignee: Individual
Priority date: 1993-03-15
Filing date: 1994-03-10
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2004-03-11
Also published as: DE4308202A1; DE4308202C2

Description

Be s c hre ibunq

Die Neuerung betrifft einen Aperturwandler, wie er insbesondere für spektroskopische Systeme zur Analyse von kleinen und kleinsten Substanzmengen verwendet wird.

Die vorliegende Neuerung steht in Zusammenhang mit der Analytik, insbesondere der Spektralanalytik von kleinen oder kleinsten Substanzmengen, wie sie beispielsweise für die Biochemie typisch sind. Die verfügbaren absoluten Substanzmengen sind in sehr vielen Fällen extrem klein und die physiologisch relevanten Konzentrationen sind ebenfalls sehr niedrig, so daß es häufig problematisch ist, wenn nicht sogar unmöglich ist, die zur Analyse der Substanzen notwendigen spektralen Informationen zu gewinnen. Entsprechend zu den geringer werdenden Substanzmengen werden auch die Probenanordnungen immer kleiner. Dabei ergibt sich das Problem, daß mit kleiner werdenden Proben das Signal:Rauschverhältnis immer schlechter wird, weil immer weniger Licht die zu untersuchende Probe erreicht.

Es ist daher eine der Aufgaben spektroskopischer Systeme möglichst viel Licht auf die zu untersuchende Probe zu konzentrieren und möglichst viel des von der Probe ausgehenden Lichts aufzufangen, um es, beispielsweise spektral analysieren zu können.

Zur Lösung der genannten Aufgabe ist es nützlich zu wissen, daß in der Spektralanalytik nur energetisch-optische Fragestellungen zu lösen sind (Frequenz, Amplitude, Geschwindigkeit, Azimut und Achsenverhältnis der elektromagnetischen Strahlung), so daß alle Fragen nach der Bildlage, der Bildschärfe usw. zurückstehen können und daß man sich daher auf die Forderung beschränken kann, das Licht bzw. die Strahlung so verlustarm wie möglich durch den Objektraum zu führen sowie mit geeigneten Mitteln die

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Strahlneigungen, also die Aperturen, der Meßmethode anzupassen. Brechungs- und Beugungseffekte sind dispersionsbehaftet, also nicht achromatisch, und deshalb sind darauf beruhende Mittel auszuschließen. Als Mittel der Wahl verbleiben daher Reflexionsmittel, wobei man vorzugsweise von der Totalreflexion Gebrauch macht, die beispielsweise in Lichtleitern ausgenutzt wird.

Unter Ausnutzung der obengenannten Erkenntnisse wurde in der deutschen Of fenlegungsschrift DE 42 44 717 Al ein Polarisation-Spektrometer vorgeschlagen, dessen prinzipieller Aufbau mit Bezug auf Fig. 5 im folgenden kurz beschrieben wird. Der zwischen dem Spektrometer 1 und der Beleuchtungseinrichtung 6 gelegene Objektraura 8 enthält eine Probe 9, die in einer Durchflußküvette aufgenommen ist. Beiderseits der Probe 9 ist je ein Aperturwandler 14, 15 angebracht, der aus einem koaxialen kegelförmigen Lichtleiter oder Spiegel besteht, mit einer Lichteintritts- und einer Lichtaustrittsöffnung und einer spiegelnden bzw. totalreflektierenden Innenfläche. Der zwischen dem Bild L', der Lichtquelle L und der Probe 9 angeordnete Aperturwandler 14 ist mit seiner die Lichteintrittsöffnung bildenden kleineren Querschnittsöffnung bzw. -fläche in der Ebene des Bildes L' der Lichtquelle L angeordnet, während seine die Lichtaustrittsöffnung bildende größere Querschnittsöffnung bzw. -fläche gegebenenfalls über ein Stück 16 eines Lichtleiters an das Eintrittsfenster der die Probe 9 enthaltenden Küvette angekoppelt ist. Der zwischen der Probe 9 und dem Eintrittsspalt 3 des Spektrometers 1 angeordnete Aperturwandler 15 entspricht hinsichtlich seines Aufbaus identisch dem Aperturwandler 14, wobei er, bezogen auf die Probe 9, spiegelsymmetrisch zu letzterem eingebaut ist, so daß seine von der kleineren Querschnittsöffnung bzw. -fläche gebildete Lichtaustrittsöffnung in die Ebene des Eintrittsspalts 3 zu liegen kommt, während sich seine von der größeren Querschnittsöffnung bzw. -fläche gebildete

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Lichteintrittsoffnung gegebenenfalls über ein Stück 16 eines Lichtleiters an die Austrittsöffnung der die Probe 9 enthaltenden Küvette angekoppelt ist.

Mittels des Aperturwandlers wird ein großer Teil der von der Lichtquelle, bzw. deren Bild ausgehenden Strahlung durch die Probe geleitet, wobei die große Apertur der Strahlung am Eingang des ersten Aperturwandlers in eine kleine Apertur und damit in einen nahezu parallelen Strahlengang am Ausgang des Aperturwandlers umgesetzt wird. Die nahezu parallelen Strahlen durchsetzen die Probe und gelangen dann in den zweiten Aperturwandler. Der zweite Aperturwandler stellt die zum .Erreichen der spektralen Auflösung (Rayleigh Kriterium) notwendige Apertur am Eingang des Simultanspektrometers wieder her.

In diesem Beispiel sind die kegelförmigen Aperturwandler massive Körper aus Quarz mit blank polierten Oberflächen. Die Politurqualität ist entscheidend für die Funktion der inneren Totalreflexion, der Kegelwinkel bestimmt den Grad der Aperturwandlung, d.h. der verbleibenden Strahlneigung gegen die optische Achse im austretenden Lichtbündel. Die Herstellung dieser kleinen Quarzkegel in der erforderlichen Qualität und Maßgenauigkeit ist nicht einfach und hat Massgrenzen, die nur mit sehr großem Aufwand überschritten werden können. Die kleinsten noch einwandfrei herstellbaren Kegel besitzen am ihrem spitzen Ende einen Durchmesser von etwa 130 um und am weiten Ende von etwa 500 bis 600 um bei einem Kegelwinkel von etwa 3 bis 4 Grad. Die daraus resultierende Strahlneigung gegen die Achse beträgt etwa 2 Grad, was wiederum eine Bündelaufweitung von 0,4 mm auf 10 mm Länge ergibt. Leider ist diese Bündelaufweitung zur Untersuchung kleinster Probenvolumina nicht ausreichend und es wäre wünschenswert, wenn noch kleinere Aperturwandler hergestellt werden könnten.

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Will man nun noch kleinere Kegel, insbesondere einen Kegel mit einem kleineren Kegelwinkel herstellen, ergibt sich das Problem, daß sich das Kegelmaterial nicht mehr definiert bearbeiten läßt. Das Material ist nicht mehr schleifbar und die geforderten Maßgenauigkeiten können nicht eingehalten werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung Aperturwandler, Probenanordnungen bzw. spektrographische Systeme bereitzustellen, die auch zur Untersuchung kleinster Probenvolumina geeignet sind.

Neuerungsgemäß wird diese Aufgabe von dem Aperturwandler gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, dem Mikro-Küvettensystem gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 20 und dem Spektroskopischen System gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 25, gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Aspekte und Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Neuerungsgemäß wird ein Aperturwandler, insbesondere für spektroskopische Systeme zur Analyse von kleinen und kleinsten Substanzmengen, bereitgestellt, wobei in einem Trägermaterial ein kegelförmiger Hohlraum mit einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung vorgesehen und der kegelförmige Hohlraum mit einem Füllmaterial ausgefüllt ist, wobei die Eintrittsöffnung und die Austrittsöffnung unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen und die Brechzahl des Trägermaterials kleiner als die Brechzahl des Füllmaterials ist, so daß elektromagnetische Strahlung in dem Füllmaterial von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung durch Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem Füllmaterial und dem Trägermaterial führbar ist.

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Dadurch daß der Aperturwandler als "Negativ"-Form vorliegt, lassen sich die geforderte Maßgenauigkeit und mechanische Stabilität des Aperturwandlers bis hin zu kleinsten Dimension gewährleisten.
5

Naturgemäß ist es von Vorteil, wenn das Trägermaterial und/oder das Füllmaterial in bezug auf die in dem Füllmaterial geführte elektromagnetische Strahlung im wesentlichen absorptionsfrei ist. Weiterhin ist es nützlich, wenn das Trägermaterial und/oder das Füllmaterial isotrope Materialien sind. Das Füllmaterial kann ein festes Material sein, es ist jedoch bevorzugt, wenn das Trägermaterial eine Flüssigkeit ist. Als Trägermaterial können beispielsweise Calcium- oder Lithium-Fluorid und als Füllmaterial kann höchstreines Glyzerin verwendet werden.

Der Hohlraum kann mittels mechanischen Bohrens erzeugt werden, wodurch eine konische Bohrung mit glatten und, gegebenenfalls nach einem weiteren Bearbeitungsschritt, polierten Wänden entsteht.

Besonders feine, konische Kapillarbohrungen lassen sich nach heutigem Stand der Technik sowohl mit Elektronenstrahl- wie auch mit Laserstrahlbohrern erhalten. Wegen dieser immateriellen Werkzeuge ergeben sich auch automatisch absolut spurfreie, glatte Oberflächen in Politurqualität. Die gewünschten kleinen Kegelwinkel sind für die fokussierte Strahlführung dieser Bohrwerkzeuge kein Problem. Mit der Technik der Laser- oder Elektronenstrahlbohrung in dem niedrig brechenden Trägermaterial lassen sich Aperturwandler realisieren, die auf die dünnsten, optisch interessanten Lichtleitfasern abgestimmt sind und, aufgrund der flachen Kegelwinkel, noch kleinere Aperturen, also Strahlneigungen zulassen, als die massiven freitragenden Kegel.

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Die einfachste Ausführungsform eines neuerungsgemäßen Aperturwandlers erhält man, wenn der Hohlraum ein Kegelabschnitt mit einem festem Kegelwinkel ist. Für sehr niedrige Ausgangsapertüren ergeben sich zwangsläufig auch kleine Kegelwinkel und dementsprechend lange Lichtwege in dem Füllmaterial. Dies kann aus Gründen der Restabsorption unerwünscht sein. Der Lichtweg verkürzt sich jedoch/ wenn der Hohlraum in verschiedene Kegelabschnitte mit unterschiedlichen Kegelwinkeln unterteilt ist. Dabei ist darauf zu achten, daß die Kegelabschnitte nach der Größe ihrer Kegelwinkel angeordnet werden. Der Kegelabschnitt mit dem größten Kegelwinkel ist sofort anschließend an die kleinere Querschnittsöffnung vorgesehen. Dann folgt der Kegelabschnitt mit dem nächst kleineren Kegelwinkel bis zu dem Kegelabschnitt mit dem kleinsten Kegelwinkel direkt vor der größeren Querschnittsöffnung.

Es ist vorteilhaft, wenn an der jeweils kleineren Querschnittsöffnung des kegelförmigen Hohlraums zumindest ein Stück eines vorzugsweise zylindrischen Lichtleiters vorgeschaltet ist, dessen Querschnitt im Anlagebereich an den Aperturwandler der kleineren Querschnittsöffnung entspricht, zur Ankopplung des Aperturwandlers an eine Lichtquelle oder eine Meßvorrichtung.

Ebenso ist es nützlich, wenn an der jeweils größeren Querschnittsöffnung des kegelförmigen Hohlraums zumindest ein Stück eines vorzugsweise zylindrischen Lichtleiters vorgeschaltet ist, dessen Querschnitt im Anlagebereich an den Aperturwandler der größeren Querschnittsöffnung entspricht, zur Ankopplung des Aperturwandlers an eine Probe.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Aperturwandler an der größeren Querschnittsöffnung mit einer Sammellinse, insbesondere einer Plan-Konvexlinse abgeschlossen ist, die das Lichtbündel, das mit der Divergenz des letzten

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Kegelwinkels austreten konvergieren läßt.

würde, etwa gegen

Unendlich

Bei der Untersuchung kleinster Probenmengen liegen die Herstellungs- und Montage-Toleranzen im Bereich von wenigen Mikrometern. Dies hat zur Folge, daß ein Benutzer nur noch beschränkt in den Messaufbau eingreifen kann und darf. Es ist daher von Vorteil, wenn die Sammellinse und/oder der Lichtleiter ebenfalls in ein Trägermaterial eingebettet und mit dem Aperturwandler einstückig monolithisch ausgebildet sind. Probleme in Bezug auf die Justierung der einzelnen Komponenten lassen sich somit sicher vermeiden. Das Trägermaterial,, das zur Einbettung der Sammellinse und/oder der Lichtleiter dient, braucht nicht mit dem Trägermaterial des Aperturwandlers übereinzustimmen. Die einzelnen Trägermaterialien können beispielsweise verklebt oder verkittet werden. Einen besonders kompakte Aufbau erhält man jedoch, wenn die Sammellinse und/oder der Lichtleiter in das Trägermaterial des Aperturwandlers eingebettet sind.

Bei manchen Anwendungen, beispielsweise in der Absorptionsphotometrie, ist es sinnvoll, wenn die Probenflüssigkeit in einem Küvettenrohr von der Strahlung mehrfach durchsetzt wird. Dies läßt sich beispielsweise durch eine Schrägan- und/oder Auskopplung erreichen. Dazu wird an dem weiten Ende des kegelförmigen Hohlraums ein Kegelkörper zur An- und/oder Auskopplung von Strahlung in das Küvettenrohr angesetzt.

Es ist zweckmäßig, wenn zwischen Aperturwandler und Kegelkörper ein vorzugsweise zylindrisches Teil vorgesehen ist, welches die Austritts fläche des Aperturwandlers an die Eintrittsfläche des Kegelkörpers ankoppelt.

Auch hier ist es sinnvoll, wenn der Kegelkörper bzw. das zylindrische Teil in ein Trägermaterial eingebettet und mit

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dem Aperturwandler einstückig monolithisch ausgebildet sind. Das Trägermaterial, das zur Einbettung des Kegelkörpers und/oder des zylindrischen Teils dient, braucht nicht mit dem Trägermaterial des Aperturwandlers übereinzustimmen. Die einzelnen Trägermaterialien können beispielsweise verklebt oder verkittet werden. Einen besonders kompakten Aufbau erhält man jedoch, wenn der Kegelkörper bzw. das zylindrische Teil in das Trägermaterial des Aperturwandlers eingebettet sind.

Auch die Probe selbst kann in ein Trägermaterial eingebettet und mit dem Aperturwandler einstückig monolithisch ausgebildet sein. Wiederum stehen beide Möglichkeiten zur Verfügung. Das Trägermaterial, das zur Einbettung der Probe dient, braucht nicht mit dem Trägermaterial des Aperturwandlers übereinzustimmen. Die einzelnen Trägermaterialien können beispielsweise verklebt oder verkittet werden. Einen besonders kompakten Aufbau erhält man jedoch, wenn die Probe in das Trägermaterial des Aperturwandlers eingebettet ist.

Neuerungsgemäß wird ebenfalls ein Mikro-Küvettensystem für die Absorptionsphotometrie, enthaltend ein zylindrisches Küvettenrohr mit einem Hohlkern zur Aufnahme einer Probenflüssigkeit, die zumindest in einem Längsstück des Hohlkerns von einer Strahlung durchsetzt wird, deren Absorption anschließend gemessen wird, bereitgestellt, wobei das Küvettenrohr und die Probenflüssigkeit brechzahlmäßig so abgestimmt sind, daß sie für die Strahlung als Stufen-Wellenleiter wirken, in welchem die Probenflüssigkeit den Kern und die Wandung des Küvettenrohres den Mantel bilden, so daß die Strahlung an der Außenwand des Küvettenrohres eine mehrfache Reflexion, vorzugsweise eine mehrfache Totalreflexion, erfährt und die Probenflüssigkeit von der Strahlung mehrfach durchsetzt wird, und daß der Anschluß des Küvettenrohrs an eine Lichtquelle und/oder an eine

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Meßeinrichtung mittels eines Aperturwandlers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 erfolgt, wobei die größere der Öffnungen des Aperturwandlers jeweils dem Küvettenrohr zugekehrt ist.

Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkung derartiger Mikro-Küvettensysteme ist in der älteren deutschen Patentanmeldung P4308202.5-52 des Anmelders beschrieben, auf deren Inhalt hiermit Bezug genommen wird. Die Offenbarung dieser Patentanmeldung, von der eine Kopie beiliegt, wird in die vorliegende Anmeldung einbezogen.

Durch ein derartiges Mikro-Küvettensystem wird gewährleistet, daß trotz minimaler Kuvettenquerschnitte die Probe mit einer ausreichenden Leistungsdichte durchstrahlt wird. Durch die Kombination eines Küvettenrohrs, das wie ein Stufen-Wellenleiter wirkt, und den neuerungsgemäßen Aperturwandler laßt sich elektromagnetische Strahlung in gut definierter Weise in die kleinsten Probenvolumina führen.

Man erhält eine optimale Strahlungsausbeute, wenn die Strahlung dem aus Küvettenrohr und Probenflüssigkeit gebildeten Stufen-Wellenleiter mit einem Öffnungswinkel zuführbar ist, welcher der maximalen Apertur des Stufen-Wellenleiters entspricht. Das Küvettenrohr besteht vorzugsweise aus einem isotropen, im interessierenden Spektralbereich absorptionsfreien Material. Für sehr kleine Querschnitte des Küvettenrohrs sind die neuerungsgemäßen Aperturwandler eine gute Möglichkeit die gewünschte Aperturabstimmung zu gewährleisten.

Aus den oben genannten Gründen ist auch hier sinnvoll, daß das Küvettenrohr in ein Trägermaterial eingebettet oder von einem Hohlraum in einem Trägermaterial gebildet ist.

Auf diese Weise wird ermöglicht, daß das Küvettenrohr und die Aperturwandler einstückig monolithisch ausgebildet sind.

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Einen besonders kompakten Aufbau erhält man, wenn Küvettenrohr in das Trägermaterial der Aperturwandler eingebettet bzw. wenn das Küvettenrohr von einem Hohlraum innerhalb des Trägermaterial zwischen den beiden Aperturwandler gebildet ist.

Es ist vorteilhaft, wenn die Küvette als Durchflußküvette ausgebildet ist.

Weiterhin wird neuerungsgemäß ein spektroskopisches System bereitgestellt, in welchem zumindest eine Probe mittels von einer Lichtquelle ausgehendem Licht gerichtet beleuchtet und das von der Probe ausgehende Licht auf den Eintrittsspalt zumindest eines Spektrometers, gebündelt wird, wobei im Objektraum zwischen der Lichtquelle bzw. deren Bild und der Probe und zwischen der Probe und dem Eintritts spalt je ein Aperturwandler vorgesehen ist der eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung umfaßt, wobei die größere der Öffnungen jeweils der Probe zugekehrt ist. Das neuerungsgemäße spektroskopische System ist dadurch gekennzeichnet, daß im Objektraum zwischen der Lichtquelle bzw. deren Bild und der Probe und zwischen der Probe und dem Eintrittsspalt Aperturwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 19 und/oder im Objektraum ein Mikro-Küvettensystem nach einem der Ansprüche 20 bis 24 zur Aufnahme einer Probenflüssigkeit vorgesehen sind.

Spektroskopische Systeme dieser Art können beispielsweise in der UV-Spektroskopie, zur Bestimmung der Rotationsdispersion, des Absorptionsspektrums, des Reflexionsvermögens (Gonio-Spektralphotometer), und für Interferometeranordnungen verwendet werden.

Der grundsätzliche Aufbau und die Wirkung derartiger spektroskopischer Systeme ist in der älteren deutschen Patentanmeldung P4226884.5-52 des Anmelders beschrieben, auf

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deren Inhalt hiermit Bezug genommen wird. Die Offenbarung dieser Patentanmeldung, von der eine Kopie beiliegt, wird in die vorliegende Anmeldung einbezogen.

Durch den neuerungsgemäßen Aperturwandler bzw. das neuerungsgemäße Mikro-Küvettensystem lassen sich auch geringste Probenvolumina analysieren. Das neuerungsgemäße spektroskopische System ermöglicht eine gerichtete Beleuchtung kleinster Probenvolumina bei einer optimalen Energieübertragung.

Hierbei sind die Lichteintrittsöffnung und die

Lichtaustrittsöffnung des Aperturwandlers vorzugsweise

senkrecht zur optischen Achse verlaufende Querschnittsöffnungen.

Das spektroskopische System verwendet mit Vorteil als Beleuchtungsanordnung eine punktförmige oder quasi punktförmige Lichtquelle, die mittels eines asphärischen, vorzugsweise eines Ellipsoid-Spiegels, auf die Eintrittsöffnung des zwischen Lichtquelle und Objekt angeordneten Aperturwandlers oder des diesem vorgeschalteten Lichtleiters abgebildet ist. Zweckmäßigerweise wird als Spektrometer eine aus einem Beugungsgitter und einer Empfängereinheit bestehende Anordnung verwendet. Als Beugungsgitter dient mit Vorteil ein holographisches Konkavgitter und als Empfänger eine Photodiodenzeile. Es ist günstig, wenn der Spiegel der Beleuchtungseinrichtung und das Konkavgitter des Spektrometers die gleiche Apertur aufweisen.

Die beiliegenden Zeichnungen dienen der weiteren Erläuterung der Neuerung. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen neuerungsgemäßen Aperturwandler;

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Fig. 2 einen Querschnitt durch einen weiteren neuerungsgemäßen Aperturwandler mit zwei Kegelabschnitten unterschiedlicher Kegelwinkel;

Fig. 3 einen neuerungsgemäßen Aperturwandler ausgebildet als einstückiger Doppelkegel zur schrägen An- bzw. Auskopplung von Strahlung in eine Mikroküvette;

Fig. 4 ein neuerungsgemäßes monolithisches Mikro-Küvettensystem; und

Fig. 5 ein spektroskopisches System.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen neuerungsgemäßen Aperturwandler. In einen Block 20 eines isotropen und im wesentlichen absorptionsfreien Trägermaterials mit niedriger Brechzahl (Lithiurafluorid) ist ein kegelförmiger Hohlraum 21 mit einer Austrittsöffnung 22 und einer Austrittsöffnung 23 vorgesehen. Dabei besitzt die Eintrittsöffnung 22 eine kleinere Querschnittsöffnung als die Austrittsöffnung 23. Eine große Apertur der Strahlung an der Eintrittsöffnung 22 des Aperturwandler wird somit in kleine Apertur an der Austrittsöffnung 23 des Aperturwandlers umgesetzt. Der Hohlraum 21 besitzt die Form eines Kegelabschnitts mit einem festen Kegelwinkel. Der Hohlraum 21 ist mit einer isotropen absorptionsfreien Flüssigkeit 24 (Glyzerin), welche eine hohe Brechzahl aufweist, aufgefüllt. Durch die Eintrittsöffnung 22 eintretendes Licht kann somit mittels Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Trägermaterial in der Flüssigkeit von der Eintrittsfläche 22 zur Austrittsöffnung geführt werden. Naturgemäß ist auch eine Führung der Strahlung in die entgegengesetzte Richtung möglich.

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Der Hohlraum 21 ist an der Austrittsöffnung 23 mit einer Plan-Parallelplatte 25 dicht abgeschlossen. Diese Platte 25 ist mit optischen Kontakt angesetzt (angesprengt). An der Eintrittsöffnung 22 ist ein Quarzlichtleiter 26 dicht angesetzt. Der Lichtleiter 26 besitzt den gleichen Querschnitt wie die Eintrittsöffnung 22. Der Lichtleiter 26 ist in einen massiven Block 27 eingekittet. Dies ist möglich, da der Lichtleiter bereits mit einem Material, das eine niedrige Brechzahl aufweist, ummantelt ist. Das Material des massiven Blocks 27 ist das gleiche wie das Trägermaterial des Blocks 20, da man so die beste aneinander liegenden Dichtfläche 29 erzielen kann.

Auf diese Weise lassen Eintrittsöffnungen mit einem

Durchmesser von 30 bis 50 um und Austrittsöffnungen mit einem

Durchmesser von etwa 150 um realisieren. Ebenso sind Kegelwinkel von etwa 1 Grad möglich.

Fig. 2 zeigt eine weitere Aus führungs form eines neuerungsgemäßen Aperturwandlers. In einen Block 30 eines isotropen und im wesentlichen absorptionsfreien Trägermaterials mit niedriger Brechzahl (Lithiumfluorid) ist ein kegelförmiger Hohlraum 31 mit einer Austrittsöffnung 32 und einer Austrittsöffnung 33 vorgesehen. Dabei besitzt die Eintrittsöffnung 32 eine kleinere Querschnittsöffnung als die Austrittsöffnung 33. Eine große Apertur der Strahlung an der Eintrittsöffnung 32 des Aperturwandler wird somit in kleine Apertur an der Austrittsöffnung 33 des Aperturwandlers umgesetzt. Der Hohlraum 31 ist mit einer isotropen absorptionsfreien Flüssigkeit 34 (Glyzerin), welche eine hohe Brechzahl aufweist, aufgefüllt. Durch die Eintrittsöffnung 32 eintretendes Licht kann somit mittels Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Trägermaterial in der Flüssigkeit von der Eintritts fläche 32 zur Austrittsöffnung geführt werden.

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Für niedrige Ausgangsaperturen ergeben sich zwangsläufig auch kleine Kegelwinkel und dementsprechend lange Bauformen und Lichtwege in der Flüssigkeit. Dies kann aus Absorptionsgründen unerwünscht sein. Die Länge des Hohlraums 31 verkürzt sich, wenn man den Hohlraum in zwei Kegelabschnitte 31a und 31b mit verschiedenen Kegelwinkeln aufteilt Dabei ist der Kegelabschnitt 31a mit dem größeren Kegelwinkel an der Querschnittöffnung 32 des Hohlraums 31 mit der kleinere Querschnittsfläche angeordnet. Diese Aufteilung des Hohlraums hat auch Vorteile bei der Herstellung des Hohlraums, weil die Bohrtiefen dadurch kürzer werden. Die beiden Hohlraumabschnitte 31a und 31b sind über die Dichtfläche 40 miteinander dicht verbunden.

Der Hohlraum 31 ist an der Austrittsöffnung 33 mit einer Plan-Konvexlinse 35 dicht abgeschlossen. Diese Linse 35 ist mit optischen Kontakt angesetzt (angesprengt) und läßt das Lichtbündel, das mit der Divergenz des letzten Kegelwinkel austreten würde, etwa gegen Unendlich konvergieren. An der Eintrittsöffnung 32 ist ein Quarzlichtleiter 36 dicht angesetzt. Der Lichtleiter 36 besitzt den gleichen Querschnitt wie die Eintrittsöffnung 32. Der Lichtleiter 36 ist wie in Fig. 1 in einen massiven Block 37 eingekittet. Das Material des massiven Blocks 37 ist das gleiche wie das Trägermaterial des Blocks 30, da man so die beste aneinander liegenden Dichtfläche 39 erzielen kann.

Fig. 3 zeigt einen neuerungsgemäßen Aperturwandler ausgebildet als einstückiger Doppelkegel zur schrägen An- bzw. Auskopplung von Strahlung in eine die Probenflüssigkeit aufnehmende Mikroküvette. Hier ist ein Kegelkörper 41, der aus dem gleichen Material besteht wie ein Küvettenrohr 42, also z.B. aus Quarz, entlang seines Kegelmantels mit einer teil- bzw. halbzylindrischen Nut 49 versehen, die den gleichen Radius aufweist wie der Außenmantel des Küvettenrohres 42 und in die sich das Küvettenrohr 42 exakt

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einfügt. Die kreiszylindrische Nut kann über die gesamte Länge die gleiche Tiefe aufweisen, sie kann aber auch, von einem tangentialen Berührungspunkt ausgehend, zunehmend tiefer werden. Ein absorptionsfreies Immersionsmittel stellt den optischen Kontakt zwischen Kegelkörper 41 und Küvettenrohr 42 her. Der aufgesetzte Kegelkörper 41 wirkt als Aperturwandler und gestattet auf diese Weise eine optische Einkopplung mit dem bestmöglichen Wirkungsgrad durch Anpassung des Kegelwinkels, wobei eine effektiv größere Apertur der Beleuchtung erreicht wird mit der Folge, daß die Probenflüssigkeit 43 öfters durchlaufen und damit die wirksame Schichtlänge vergrößert wird.

Zum Anschluß des Kegelkörpers 41 an eine Lichtquelle (nicht gezeigt) ist ein Lichtleiter 44 und ein neuerungs gemäßer Aperturwandler mit einem mit Glyzerin gefülltem Hohlraum 45 vorgesehen. Der Aperturwandler ist mit seiner größeren Querschnittsöffnung 451 über ein zylindrisches Teil 46 an den Kegelkörper 41 angekoppelt. In diesem Beispiel sind die Kegelkörper 41 und das zylindrische Teil 46 einstückig ausgebildet.

Um einen möglichst kompakten Aufbau zu erhalten, sind der Lichtleiter 44 und das zylindrische Teil 46 in das Trägermaterial 49 des Aperturwandlers eingebettet und mit dem Aperturwandler über Dichtflächen 47 miteinander verbunden.

Fig. 4 zeigt eine neurungsgemäßes Mikro-Küvettensystem mit einer Anordnung zweier Aperturwandler 51, 52 mit dazwischen liegender Mikroküvette 53. Weiterhin sind Quarzlichtleiter 54, 55 vorgesehen, die Probenanordnung mit einer Lichtquelle (nicht gezeigt) und einem Spektrometer (nicht gezeigt) verbinden. Zwischen dem Aperturwandler 51 und der Mikroküvette 53 ist eine Zerstreuungslinse 56 angeordnet. Die Aperturwandler 51, 52 sind so aufgebaut wie im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschrieben.

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Die Mikroküvetten 53 besteht aus einem zylindrischen Küvettenrohr 57 mit einem Hohlkern 48 zur Aufnahme einer Probenflüssigkeit 59, die zumindest in einem Längsstück des Hohlkerns 58 von einer Strahlung durchsetzt wird. Das Küvettenrohr 57 und die Probenflüssigkeit 59 sind brechzahlmäßig so abgestimmt, daß sie für die Strahlung als Stufen-Wellenleiter wirken, in welchem die Probenflüssigkeit 49 den Kern und die Wandung des Küvettenrohres 57 den Mantel bilden, so daß die Strahlung an der Außenwand des Küvettenrohres 57 eine mehrfache Reflexion, vorzugsweise eine mehrfache Totalreflexion, erfährt und die Probenflüssigkeit

59 von der Strahlung mehrfach durchsetzt wird.

Die Aperturwandler 51, 52 sind so angeordnet, daß die größere der Öffnungen der Aperturwandler 51, 52 jeweils dem Küvettenrohr 57 zugekehrt ist.

Das Küvettenrohr 57 ist mittels Zu- und Abflußkanäle (nicht gezeigt) als Durchflußküvette ausgelegt.

Um einen möglichst kompakten Aufbau zu erzielen sind sowohl die Lichtleiter 54, 55 und das Küvettenrohr 57 in das Trägermaterial der Aperturwandler 51, 52 eigebettet. Die einzelnen Komponenten sind über die jeweiligen Dichtflächen

60 miteinander verbunden.

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Claims

Schutzansprüche

1. Aperturwandler, insbesondere für spektroskopische Systeme zur Analyse von kleinen und kleinsten Substanzmengen, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Trägermaterial (20; 30) ein kegelförmiger Hohlraum (21; 31) mit einer Eintrittsöffnung (32; 32) und einer Austrittsöffnung (23; 33) vorgesehen und der kegelförmige Hohlraum (21; 31) mit einem Füllmaterial (24; 34) ausgefüllt ist, wobei die Eintrittsöffnung (22; 32) und die Austrittsöffnung (23; 33) unterschiedliche Querschnittsöffnungen aufweisen und die Brechzahl des Trägermaterials (20; 30) kleiner als die Brechzahl des Füllmaterials (24; 34) ist, so daß elektromagnetische Strahlung in dem Füllmaterial (24; 34) von der Eintrittsöffnung (22; 32) zur Austrittsöffnung (23; 33) durch Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen dem Füllmaterial (24; 34) und dem Trägermaterial (20; 30) führbar ist.

2. Aperturwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial (20; 30) und/oder das Füllmaterial (24; 34) in bezug auf die in dem Füllmaterial (24; 34) geführte elektromagnetische Strahlung im wesentlichen absorptionsfrei sind.

3. Aperturwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial (20; 30) und/oder das Füllmaterial (24; 34) isotrope Materialien sind.

4. Aperturwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Füllmaterial (24; 34) eine Flüssigkeit ist.

5. Aperturwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (21; 31) eine

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konische Bohrung mit glatten, insbesondere polierten Wänden ist.

6. Aperturwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (21; 31) durch Laserstrahloder Elektronenstrahlbohren erhältlich ist.

7. Aperturwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (21; 31) ein Kegelabschnitt mit einem festem Kegelwinkel ist.

8. Aperturwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (31) in mehrere Kegelabschnitte (31a, 31b) mit verschiedenen Kegelwinkeln unterteilt ist, wobei die Kegelabschnitte (31a, 31b), geordnet nach der Größe der jeweiligen Kegelwinkel und beginnend mit dem Kegelabschnitt (31a), der den größten Kegelwinkel aufweist, anschließend an die kleinere Querschnittsöffnung des kegelförmigen Hohlraums (21; 31) angeordnet sind.

9. Aperturwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils kleineren Querschnittsöffnung (22; 32) des kegelförmigen Hohlraums (21;

31) zumindest ein Stück eines vorzugsweise zylindrischen Lichtleiters (26; 36) vorgeschaltet ist, dessen Querschnitt im Anlagebereich an den Aperturwandler der kleineren Querschnittsöffnung (22; 32) entspricht, zur Ankopplung des Aperturwandlers an eine Lichtquelle oder eine Meßvorrichtung.

10. Aperturwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils größeren Querschnittsöffnung (23; 33) des kegelförmigen Hohlraums (21; 31) zumindest ein Stück eines vorzugsweise zylindrischen

'35 Lichtleiters vorgeschaltet ist, dessen Querschnitt im Anlagebereich an den Aperturwandler der größeren

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Querschnittsöffnung entspricht, zur Ankopplung des Aperturwandlers an eine Probe.

11. Aperturwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem weiten Ende des kegelförmigen Hohlraums (31) eine Linse (35) angesetzt ist.

12. Aperturwandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (35) eine Plan-Konvexlinse oder Plan-Konkavlinse ist.

13. Aperturwandler nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (35) und/oder der Lichtleiter (26; 36) in ein Trägermaterial (27; 37) eingebettet und mit dem Aperturwandler einstückig monolithisch ausgebildet sind.

14. Aperturwandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (35) und/oder der Lichtleiter (26; 36) in das Trägermaterial (20; 30) des Aperturwandlers eingebettet sind.

15. Aperturwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem größeren Austrittsfläche (451) des kegelförmigen Hohlraums (45) ein kegelkörper (41) zur An- und/oder Auskopplung von Strahlung in ein Küvettenrohr (43) angesetzt ist.

16. Aperturwandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Aperturwandler und Kegelkörper (41) ein vorzugsweise zylindrisches Teil (46) vorgesehen ist, welches die Austrittst lache (451) des Aperturwandlers an die Eintrittstlache des Kegelkörpers (41) ankoppelt.

17. Aperturwandler nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelkörper (41) und/oder das zylindrische Teil (46) in ein Trägermaterial (49) eingebettet

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und mit dem Aperturwandler ausgebildet sind.

einstückig monolithisch

18. Aperturwandler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelkörper (41) und/oder das zylindrische Teil (46) in das Trägermaterial (50) des Aperturwandlers eingebettet sind.

19. Aperturwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Probe in ein Trägermaterial eingebettet und mit dem Aperturwandler einstückig monolithisch ausgebildet ist.

20. Mikro-Küvettensystem für die Absorptionsphotometrie, enthaltend ein zylindrisches Küvettenrohr (57) mit einem Hohlkern (58) zur Aufnahme einer Probenflüssigkeit (59), die zumindest in einem Längsstück des Hohlkerns (58) von einer Strahlung durchsetzt wird, deren Absorption anschließend gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Küvettenrohr

(57) und die Probenflüssigkeit (59) brechzahlmäßig so abgestimmt sind, daß sie für die Strahlung als Stufen-Wellenleiter wirken, in welchem die Probenflüssigkeit (59) den Kern und die Wandung des Küvettenrohres (57) den Mantel bilden, so daß die Strahlung an der Außenwand des Küvettenrohres (57) eine mehrfache Reflexion, vorzugsweise eine mehrfache Totalreflexion, erfährt und die Probenflüssigkeit (59) von der Strahlung mehrfach durchsetzt wird, und daß der Anschluß des Küvettenrohrs (57) an eine Lichtquelle und/oder an eine Meßeinrichtung mittels eines Aperturwandlers (51, 52) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 erfolgt, wobei die größere der Öffnungen des Aperturwandlers (51, 52) jeweils dem Küvettenrohr (57) zugekehrt ist.

21. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Küvettenrohr (57) in ein

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Trägermaterial (60) eingebettet oder von einem Hohlraum in einem Trägermaterial (60) gebildet ist.

22. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Küvettenrohr (57) und die Aperturwandler (51, 52) einstückig monolithisch ausgebildet sind.

23. Mikro-Küvettensystem nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Küvettenrohr (57) in das Trägermaterial (61) der Aperturwandler (51, 52) eingebettet oder von einem Hohlraum in dem Trägermaterial (61) gebildet ist.

24. Mikro-Küvettensystem nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette (53) als Durchflußküvette ausgebildet ist.

25. Spektroskopisches System, in welchem zumindest eine Probe mittels von einer Lichtquelle (L) ausgehendem Licht gerichtet beleuchtet und das von der Probe (9) ausgehende Licht auf den Eintrittsspalt (3) zumindest eines Spektrometers (1), gebündelt wird, wobei im Objektraum (8) zwischen der Lichtquelle (L) bzw. deren Bild (L') und der Probe (9) und zwischen der Probe (9) und dem Eintrittsspalt (3) je ein Aperturwandler (14, 15) vorgesehen ist der eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung umfaßt, wobei die größere der Öffnungen jeweils der Probe (9) zugekehrt ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Objektraum (8) zwischen der Lichtquelle (L) bzw. deren Bild (L') und der Probe (9) und zwischen der Probe (9) und dem Eintrittsspalt (3) Aperturwandler (14, 15) nach einem der Ansprüche 1 bis 19 und/oder im Objektraum ein Mikro-Küvettensystem nach einem der Ansprüche 20 bis 14 zur Aufnahme einer Probenflüssigkeit vorgesehen sind.

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26. System nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittsöffnung und die Lichtaustrittsöffnung des Aperturwandlers (14, 15) senkrecht zur optischen Achse verlaufende Querschnittsöffnungen sind.

27. System nach einem der Ansprüche 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß als Beleuchtungsanordnung (6) eine punktförmige oder quasi punktförmige Lichtquelle (L) verwendet ist, die mittels eines asphärischen, vorzugsweise eines Ellipsoid-Spiegels (7), auf die Eintrittsöffnung des zwischen Lichtquelle und Objekt angeordneten Aperturwandlers (14) oder des diesem vorgeschalteten Lichtleiters abgebildet ist.

28. System nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß als Spektrometer (1) eine aus einem Beugungsgitter (5) und einer Empfängereinheit (2) bestehende Anordnung verwendet ist.

29. System nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß als Beugungsgitter (5) ein holographisches Konkavgitter und als Empfänger (2) eine Photodiodenzeile dienen.

30. System nach Anspruch 28 und 29, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (7) der Beleuchtungseinrichtung (6) und das Konkavgitter (5) des Spektrometers (1) die gleiche Apertur &agr; aufweisen.

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