DE3144860C2

DE3144860C2 -

Info

Publication number: DE3144860C2
Application number: DE3144860A
Authority: DE
Inventors: Anthony C. Foxboro Mass. Us Gilby
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1980-11-12
Filing date: 1981-11-11
Publication date: 1991-06-20
Also published as: GB2087097B; IT8149665A0; JPH0345329B2; NL8105029A; CA1162414A; DE3144860A1; JPS57108721A; GB2087097A; IT1145464B; US4382656A; FR2493998A1; FR2493998B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur nichtabbildenden Energieübertragung sowie eine Energieübertragungsvorrichtung zur Verwendung bei einem Infrarotspektrometer und ein Verfahren zur Übertragung von Energie zwischen zwei räumlich voneinander getrennten Abschnitten einer optischen Vorrichtung.

Optische Energieübertragungsvorrichtungen oder -systeme aus einer Kombination von Linsen und Spiegeln sind seit vielen Jahren bekannt. Tatsächlich spielten solche Vorrichtungen eine große Rolle bei der industriellen Entwicklung bestimmter analytischer Instrumente und Geräte. Ein Beispiel für ein solches Gerät ist ein Spektrometer, das einen Lichtstrahl durch eine Probenzelle leitet, um das Absorptionsspektrum eines unbekannten Gases in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich zu messen. Ein solches Spektrometer ist beispielsweise aus der DE-25 59 806 B1 bekannt.

Zwei wesentliche Eigenschaften von optischen Systemen der beschriebenen Art bestehen darin, daß diese Systeme in der Lage sein müssen, die f-Zahl des Strahls bei seinem Durchgang durch das System zu ändern, dabei aber gleichzeitig den optischen Durchsatz bzw. Fluß vom einen Teil des Gerätesystems zum anderen im wesentlichen anzupassen, um Energieverluste durch Vignettierung zu vermeiden. Dies ist von besonderer Wichtigkeit bei den derzeitigen handelsüblichen bzw. industriellen optischen Geräten, bei denen Größen- und Kosteneinschränkungen stark variierende optische Erfordernisse zwischen räumlich getrennten Stellen im Gerät bedingen.

Im speziellen Beispielsfall eines Infrarotspektrometers ist es wünschenswert, mit der verfügbaren Quellenleistung den größtmöglichen Signalpegel zu erzielen, indem möglichst viel Infrarotenergie durch den Monochromatorschlitz in das System geleitet wird. Zu diesem Zweck wird ein Eingangsstrahl mit einem möglichst großen Raumwinkel, der die spektrale Auflösung nicht beeinträchtigt (z. B. f/1,5 für ein auf einem kreisförmigen, variablen Filter basierendes Spektrometer), benutzt, um die erste Abbildung (Strahlenbündel) der Lichtquelle am Schlitz zu bilden. Die Divergenz des Strahls bei seinem Durchgang durch die Zelle ist jedoch aufgrund von optischen Aberrationen und praktischen Größenerfordernissen der Absorptionszelle selbst sowie der zugeordneten Optik stärkeren Einschränkungen unterworfen. Typischerweise besitzt der in die Zelle eintretende und aus ihr austretende Strahl die f-Zahl 4,5.

Das Produkt aus der Schlitzfläche und dem Raumwinkel des Strahls am Schlitz bestimmt den optischen Fluß des Spektrometersystems. Zur Gewährleistung bester Geräteleistung sollte diese Größe in anderen Abschnitten des Systems, etwa in der Absorptionszelle, jeweils gleich groß sein, damit der Energiedurchsatz maximiert wird, auch wenn die f-Zahl-Erfordernisse in weitem Maße variieren. Zur weitgehenden Verminderung von Vignettierverlusten sollten die Pupillenabmessungen in den betreffenden Abschnitten erhalten werden, während die erheblich verschiedenen Raumwinkel der Strahlen in den verschiedenen Abschnitten des Geräts gleichzeitig angepaßt werden.

Die bisherigen optischen Energieübertragungssysteme sind mit bestimmten Nachteilen behaftet. Insbesondere dann, wenn sehr weite Winkel oder "lichtstarke" Strahlen im Spiel sind, erfordert ein bisheriges Linsen/Spiegelsystem starke Linsen (d. h. solche mit kurzer Brennweite), um die angestrebte f-Zahl-Änderung mit minimaler Vignettierung zu erreichen. Solche Linsen ergeben aber Aberrationen (Abbildungsfehler) und Fresnelsche Reflexionen, so daß diese Linsen selbst Ursachen für Energieverlust im System darstellen. Außerdem nehmen diese Linsen viel Einbauraum ein, wobei Feldlinsen und Fokussierlinsen die angestrebten Ergebnisse liefern müssen; alle diese Umstände tragen zur Gesamtgröße und zum Gewicht des Geräteaufbaus bei.

Aus der DE-OS 19 29 736 ist eine optische Konzentrationsvorrichtung bekannt, die aus einer Sammeloptik und einem kegelstumpfförmigen Spiegel besteht. Konische Lichtleitrohre verschiedener Konfigurationen werden seit geraumer Zeit als Energiekollektoren oder -konzentratoren verwendet, wobei in den meisten Fällen das weite Ende die Lichtstrahlen von einer Lichtquelle abnimmt und die optische Energie durch interne Reflexionen im Lichtleitrohr auf einen unmittelbar am schmalen Ende angeordneten Detektor fokussiert wird. Weitere Einzelheiten bezüglich der Eigenschaften und des Aufbaus solcher konischer Lichtleitrohre finden sich in einem Artikel "Cone Channel Condenser Optics" von D. E. Williamson, veröffentlicht in "Journal of the Optical Society in America", Band bzw. Jahrgang 42, Nr. 10, 1952. Was dieser Artikel und andere bezüglich konischen Lichtleitrohren vorschlagen, ist, daß diese Lichtleitrohre als ein Endpunkt eines optischen Systems, nicht aber als Teil eines Energieübertragungsmechanismus zweckmäßig sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, den dargelegten Mängeln bisheriger optischer Energieübertragungssysteme abzuhelfen und eine nicht abbildende Energieübertragungsvorrichtung sowie ein entsprechendes Verfahren so auszuführen, daß ein kegelstumpfförmiges Lichtleitrohr mit zugeordneter Feldlinse als zentraler Energieübertragungsmechanismus vorgesehen ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den in den beigefügten Patentansprüchen 1, 9 und 15 gekennzeichneten Merkmalen.

Das konische Lichtleitrohr soll dabei im Zentrum des optischen Systems angeordnet sein, weil es bei der Energieübertragung vom einen Abschnitt des Systems zum anderen an seinen Enden Strahlen unterschiedlicher f-Zahl-Erfordernisse aufeinander abstimmt. Gleichzeitig mit der Übertragung der Strahlenbrennpunkte paßt die Kombination aus konischem Lichtleitrohr und Linse die Pupillen im engen Endabschnitt an die Pupillen im weiten Endabschnitt an.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei einem Infrarotspektrometer ein konisches Lichtleitrohr rechteckigen Querschnitts als ein Element des optischen Verbindungsglieds zwischen der Strahlungs-Quelle der monochromatischen Infrarotenergie und der Probenabsorptionszelle verwendet. Ein Strahlenbündel der Quelle wird durch einen lichtstarken Strahl an der als Filterbestimmungsschlitz dienenden schmalen Endöffnung des Lichtleitrohrs erzeugt. Der aus dem weiten Ende des Lichtleitrohrs austretende Strahl ist in seinem Raumwinkel ausreichend verkleinert, um den optischen Erfordernissen der Zelle zu genügen, die im wesentlichen durch die Fläche der Begrenzungspupille der Zelle (Objektspiegel), die Fläche des Strahlenbündels am weiten Ende des Lichtleitrohrs und den Trennabstand dazwischen vorgegeben sind. Diese Größen bestimmen den optischen Fluß der Absorptionszelle. Der Fluß des Quellen/Monochromatorabschnitts ist mit derselben gleichbleibenden Größe ausgelegt.

Die Grenzpupille wird gleichzeitig durch ein zweites optisches Element, nämlich eine Feldlinse am weiten Ende des Lichtleitrohrs, zur anderen Seite des Lichtleitrohrs übertragen. Diese Linse gewährleistet in Verbindung mit einer zweckmäßig gewählten Verjüngung (Kegelwinkel) des Lichtleitrohrs eine im wesentlichen totale Energieübertragung zwischen den Pupillen, wobei der optische Fluß durch das System auf gleichbleibender Größe gehalten wird. Zusätzlich vermeidet die Verwendung eines sich verjüngenden Lichtleitrohrs die Funktion zweier starker Linsen (oder äquivalenter Spiegel) in einer vergleichbaren Linsen/Spiegelkonstruktion. Hierdurch wird eine vereinfachte, kompaktere Konstruktion erreicht, die den Bau eines tragbaren Geräts begünstigt.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bisherigen optischen Energieübertragungssystems zur Verwendung bei einem Spektrometer,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer ebenfalls zur Verwendung bei einem Spektrometer vorgesehenen optischen Energieübertragungsvorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines kegelstumpfförmigen bzw. konischen Lichtleitrohrs für die Vorrichtung nach Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen optischen Energieübertragungsvorrichtung zur Veranschaulichung von Kombination aus konischem Lichtleitrohr und Linse zur Gewährleistung eines maximalen optischen Flußes,

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Strahlenverlaufs durch die Lichtleitrohr/Linsenkombination bei der Vorrichtung nach Fig. 2 und

Fig. 6 eine schematische optische Darstellung der Energieübertragungsvorrichtung nach Fig. 2 in Kombination mit einem Mehrfachinnenreflexionskristall.

Zum besseren Verständnis von Konstruktion und Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zunächst bisherige optische Energieübertragungssysteme bzw. -vorrichtungen für Spektrometer erläutert. Fig. 1 veranschaulicht schematisch ein bisheriges Infrarotspektrometer 10, das aus drei Hauptbaugruppen besteht, nämlich einem Gerätekopf 12, einer Probenabsorptionszelle 14 und einem pyroelektrischen Detektor 16. Das optische Übertragungssystem des Spektrometers umfaßt alle drei Baugruppen.

Der Gerätekopf 12 enthält eine Lichtquelle 20, einen Lichtquellen-Spiegel 21 und ein kreisförmiges, variables Filter 22; diese Teile erzeugen ein erstes Bild S₁ der Lichtquelle mit zweckmäßiger Infrarotwellenlänge an einem rechteckigen Austrittsschlitz 23. Weiterhin vorgesehen ist der übliche umlaufende Unterbrecher 24, welcher den ununterbrochenen Strahl in eine Reihe von Impulsen aufbricht, um den Detektor und die zugeordnete Signalverarbeitungseinrichtung auf Änderungen der diese Teile erreichenden Energie ansprechen zu lassen, dabei aber gleichzeitig einen großen Teil des elektrischen Störsignals im System zu unterdrücken.

Zwischen dem Gerätekopf und der Probenzelle ist eine Silberbromid-Fokussierlinie 26 angeordnet, die ein zweites Bild S₂ der Lichtquelle an einem Eintrittsfenster 28 der Probenzelle erzeugt. Das Eintrittsfenster besteht tatsächlich aus einer Feldlinse, die ein Bild P eines am abgewandten Ende der Zelle angeordneten Objektspiegels 30 so auf die Fokussierlinse wirft, daß der Objektspiegel durch den aus dem Eintrittsfenster austretenden Strahl voll beleuchtet wird. Der Objektspiegel ist die begrenzende Eintrittspupille P₁ der Probenzelle, und er bestimmt zusammen mit dem zugeordneten Strahlenbündel am Zelleneintrittsfenster den optischen Fluß des gesamten optischen Systems.

Der Objektspiegel 30 reflektiert sodann den Strahl auf das Zellenaustrittsfenster 29, wo ein drittes Bild S₃ der Lichtquelle gebildet wird. Der aus der Zelle 14 austretende Strahl wird schließlich auf eine Detektorlinse 32 gerichtet, um am Detektor 16 ein viertes Lichtquellen- Bild S₄ zu erzeugen. Das durch dieses Bild erzeugte Signal wird dann in an sich bekannter Weise verarbeitet, um eine Spektralanalyse des in der Zelle enthaltenen Probengases zu liefern.

Der in die Zelle 14 eintretende und aus ihr austretende Strahl besitzt eine wesentlich größere f-Zahl (z. B. f/4,5) als der durch den Schlitz 23 fokussierte Strahl (z. B. f/1,5). In diesem Fall erfolgt die Strahlwinkelanpassung für die Energieübertragung durch die Fokussierlinse 26. Bei der dargestellten Anordnung besitzt die Linse 26 eine sehr kurze Brennweite, und sie ist als solche mit chromatischer Aberration und anderen Aberrationen sowie Oberflächenreflexionen behaftet, die sämtlich zu einem Energieverlust im System und zu einem entsprechend schlechteren Signal/Rauschverhältnis ("Rauschabstand") bei vorgegebener Eingangsleistung führen.

Außerdem ist ersichtlich, daß unabhängig von der Tatsache, daß das Bild P der Grenzpupille P₁ durch die Feldlinse 28 auf die Fokussierlinse 26 aus der Zelle 14 herausgeführt wird, das Pupillenbild nicht auf den Eingangsteil (d. h. den Gerätekopf 12) der Vorrichtung übertragen wird, wie dies durch den rückprojezierten Randstrahl 33 dargestellt ist, der nicht auf den Lichtquellen- Spiegel trifft. Im Übertragungssystem gehen somit zahlreiche Strahlen verloren. Sofern nicht eine weitere Feldlinse am Schlitz 23 angeordnet oder die Größe des Lichtquellen-Spiegels 21 beträchtlich vergrößert wird, geht optischer Fluß verloren. In der Praxis ist es nicht möglich, diese unerwünschte Vignettierung mittels solcher Maßnahme auszuschalten, weil durch die sehr kurzen Brennweiten der betreffenden optischen Bauteile weitere, noch stärkere Verluste eingeführt werden würden.

Fig. 2 verdeutlicht die optische Energieübertragungsvorrichtung gemäß der Erfindung. Fig. 2 zeigt die Vorrichtung in Kombination mit einem Spektrometer, und zur besonderen Hervorhebung bestimmter Vorteile der erfindungsgemäßen Energieübertragungsvorrichtung sind beide Spektrometer mit Probenabsorptionszellen gleicher Länge ausgelegt, wobei die Abmessungen der restlichen Teile des Geräts auf diese Länge abgestimmt sind. Es ist besonders auf den Teil des Strahls vom Unterbrecher/ Filternetzwerk bis zum Zelleneintrittsfenster 28 hinzuweisen. Der restliche Teil der Vorrichtung, mit Ausnahme der noch zu beschreibenden Detektoroptik, entspricht der vorstehend beschriebenen Konstruktion, weshalb zur Erleichterung des Vergleichs die betreffenden Teile in den Fig. 1 und 2 mit jeweils gleichen Bezugsziffern bezeichnet und daher im folgenden nicht mehr näher erläutert sind.

Gemäß Fig. 2 ist ein sich kegelstumpfförmiges bzw. konisches Lichtleitrohr 40 im Strahlengang zwischen dem Gerätekopf 12 und der Absorptionszelle 14 angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform bildet das Lichtleitrohr, das einen hohlen inneren Durchgang 46 von rechteckigem Querschnitt aufweist (vgl. Fig. 3), einen geschlossenen Durchgang oder Kanal im Zentrum des optischen Systems, wobei sein schmales Ende 42 mit einem Strahlenbrennpunkt im Gerätekopf koinzidiert und sich sein weites Ende 44 am Strahlenbrennpunkt der Zelle befindet. Insbesondere reicht das schmale Ende des Lichtrohrs bis dicht an das Filter 22 heran, so daß es lagenmäßig mit einem Strahlenbrennpunkt (Lichtquellenbild S₁) koinzidiert.

Außerdem ist die Fläche der kleinen Endöffnung dem Querschnitt dieses Strahlenbündels angepaßt, so daß sie als Filterbestimmungsschlitz dient. Das weitere Ende stößt andererseits gegen die Zelleneintrittsfenster/ Feldlinse 28 an, die ebenfalls Strahlenbrennpunkt bzw. -bündel einer Querschnittsfläche entsprechend derjenigen der weiteren Endöffnung darstellt.

Nach dem Durchgang durch die Absorptionszelle 14 und der Reflexion vom Objektsspiegel 30 wird der Strahl auf das Zellenaustrittsfenster 29 geworfen, welches die Strahlen auf ein zweites sich kegelstumpfförmiges bzw. konisches Lichtleitrohr 50 konzentriert, das mit seinem weiten Ende 54 das Austrittsfenster bedeckt. Dieses Lichtleitrohr besitzt einen ähnlichen Aufbau wie das Lichtrohr 40, doch weist es wegen der kürzeren Strecke zwischen dem Austrittsfenster und dem Detektor 16 eine stärkere Verjüngung auf. Es ist auch zu erwähnen, daß sich der Detektor unmittelbar am schmalen bzw. kleineren Ende 52 des Lichtleitrohrs befindet. Dieses konische Lichtleitrohr wirkt mithin als Energiekollektor bzw. -sammler der vorher erwähnten und im oben genannten Artikel näher erläuterten Art.

Ein Vergleich der Fig. 1 und 2 zeigt, daß es neben dem Verzicht auf starke Fokussierlinsen möglich ist, den Abstand zwischen dem Gerätekopf 12 und der Zelle 14 zu verkleinern. Derart kompakte Abmessungen begünstigen nicht nur die Auslegung als tragbares Gerät, sondern verringern auch atmosphärische Interferenz durch Bildung kürzerer optischer Strahlengänge außerhalb der Absorptionszelle. Neben der Verkleinerung der linearen Abmessungen bietet die Erfindung - wie noch näher erläutert werden wird - den weiteren Vorteil einer Maximierung der Energieübertragung zwischen der Lichtquelle 20 und der Absorptionszelle.

Fig. 3 veranschaulicht die Einzelheiten der Konstruktion des konischen Lichtleitrohrs 40. Dieses besteht aus vier Teilen aus 6,35 mm dickem, klarem thermoplastischen Kunstharz, nämlich zwei identischen oberen und unteren Teilen 40A sowie zwei ebenfalls identischen, sich verjüngenden Seitenwandteilen 40B. Ober- und Unterteil 40A weisen jeweils eine zentral angeordnete Leiste oder "Feder" 43 auf, die sich über die Gesamtlänge des betreffenden Teils erstreckt und die sich verjüngenden Seitenwandteile paßgenau so festzulegen vermag, daß im zusammengesetzten Zustand der hohle innere Durchgang oder Kanal 46 gebildet wird und die Außenflächen des Lichtleitrohrs jeweils glatt und unterbrechungsfrei sind. Die den Durchgang festlegenden Innenwände der vier Teile sind vergoldet, um Reflexionsverluste zu verringern und dadurch den Energieübertragungswirkungsgrad des Lichtrohrs zu verbessern. Das Verhältnis zwischen den Höhen der Öffnung an beiden Enden und den jeweiligen Breiten, welches die Vergrößerung M und damit die Größe der mit dem Lichtleitrohr erzielbaren Änderbarkeit der f-Zahl bestimmt, bleibt durchweg konstant. Bei der dargestellten Ausführungsform besitzt die Öffnung am weiteren Ende 44 eine Größe von 20×5 mm², und die Öffnung am schmalen Ende 42 besitzt eine Größe von 5×1,25 mm², so daß M=4 gilt. Das Lichtleitrohr nimmt somit einen Lichtstrahl von f/1,5 ab und bewirkt eine vierfache Erhöhung der f-Zahl unter Umbildung des Lichtstrahls zu f/6 am weiteren Ende.

Fig. 4 veranschaulicht schematisch Konstruktionsbedingungen für die Anwendung einer Kombination aus konischem Lichtleitrohr und Feldlinse auf eine optische Energieübertragungsvorrichtung für die Paarung der optischen Lagrangschen Differentialgleichung und Durchsatzparameter des Systems. Auf diese Weise wird eine maximale Energieübertragung durch das System gewährleistet, während auch eine unerwünschte Strahlaufweitung vermieden wird. Fig. 4 veranschaulicht ein konisches Lichtrohr (TLP) und eine Feldlinse im Zentrum des Übertragungssystems zwischen einem Strahlenbrennpunkt S₁ und der Pupille P an der rechten Seite der gestrichelten Linie A-A (schmaler Endabschnitt des Lichtleitrohrs) sowie einem Strahlenbrennpunkt S₂ und einer Pupille P₁ an der linken Seite der gestrichelten Linie B-B (weites Ende des Lichtleitrohrs). Der Abstand zwischen den optischen Bauteilen und ihre Größen sind in der Darstellung angegeben. Die Querschnittsflächen der Strahlenbündel und der Pupillen (z. B. A_S, A_P, usw.) werden zur Bestimmung des optischen Flußes benutzt. Da der Abstand zwischen Strahlenbrennpunkt und Pupille in den beiden Abschnitten verschieden ist, sind auch die f-Zahl-Bedingungen in jedem Abschnitt verschieden. Es ist darauf hinzuweisen, daß durch das konische Lichtleitrohr zwar keine Brennpunkte abgebildet werden, jedoch eine Strahlfokussierung und damit eine Energieflußkonzentration erzielt wird.

Der optische Fluß (E) für das System bzw. die Vorrichtung bestimmt sich durch die von der Lichtquelle verfügbare, über das Strahlenbündel am schmalen Ende des konischen Lichtleitrohrs in die Vorrichtung eintretende Energiemenge und läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken:

Darin bedeutet E_SES den optischen Fluß des schmalen Endabschnitts, während die entsprechenden Abstände denen nach Fig. 4 entsprechen.

Wenn angenommen wird, daß der weite Endabschnitt der Vorrichtung geometrische und/oder optische Begrenzungen enthält (z. B. ist P₁ eine Grenzpupille des Systems), so sollte das optische System für beste Leistung eine zugehörige Pupille in diesem Abschnitt bilden, die mit der Pupille P im schmalen Endabschnitt koinzidiert. Zunächst sei der Fall betrachtet, in welchem nur die Feldlinse in der dargestellten Lage an geordnet und das konische Lichtleitrohr in der Vorrichtung nicht vorgesehen ist; hierbei wird ersichtlicherweise ein Bild der Pupille P₁ und P gebildet, so daß ent sprechend gilt:

wobei die Definition des Audrucks

den optischen Durchsatz des weiteren Endabschnitts (E_LES) darstellt.

Wenn das konische Lichtleitrohr so gewählt wird, daß seine Spitze bzw. sein Scheitel (d. h. der Punkt, an welchem sich Verlängerungen seiner Seiten treffen würden) in der Ebene von P liegt, ergibt sich:

Bei Kombination von Gleichungen (2) und (3) erhält man folgende Gleichung:

Die Energie wird mithin zum Punkt P₁ praktisch ohne jede Vignettierung übertragen, und der optische Durch satz ist über die verschiedenen Abschnitte der Über tragungsvorrichtung hinweg angepaßt.

Fig. 5 veranschaulicht die Anwendung der Kombination aus konischem Lichtleitrohr und Feldlinse auf das Spektrometer system bei der dargestellten Ausführungsform sowie den Verlauf von drei Strahlen rückwärts von der Unterkante des Objektspiegels 30. Unter Anwendung der von Williamson im oben genannten Artikel beschriebenen Mehreck-Auffalt technik können diese reflektierten Strahlen als eine Reihe gerader Linien wiedergegeben werden. Dies schließt selbst verständlich sowohl virtuelle Strahlen (dünne ausge zogene Linien) als auch reelle Strahlen (dickere ausge zogene Linien) ein, die tatsächlich das Lichtleitrohr durchlaufen. Der Strahlenverlauf zeigt deutlich, daß mit dem an der Spitze des Lichtleitrohrs angeordneten Licht quellenspiegel 21 die Energiekonzentration auf dieser Pupille mit symmetrisch (verteilten) Punkten auf dem Objektspiegel übereinstimmt, und daß mithin praktisch die gesamte Energie zwischen dem Objektspiegel und dem Lichtquellenspiegel übertragen wird. Aufgrund des Bündelungseffekts erscheinen Strahlen von diesem einen Punkt auf dem Objektspiegel in dieser zweidimensionalen Darstellung tatsächlich auf zwei in einer gemeinsamen Ebene liegenden Punkten auf dem Lichtquellenspiegel, doch sind alle diese Strahlen (reel und virtuell) unabhängig von der Zahl von Reflexionen innerhalb des Lichtleitrohrs an diesen beiden Punkten fokussiert. Die auf diese Weise erfolgende Einhaltung der Pupillenabmessungen ermöglicht die Konstruktion von Spiegeln mit kleinsten Abmessungen ohne Verlust an Strahlen zum System durch Vignettierung. Wenn andererseits ein kleiner Grad einer Vignettierung zulässig ist (vgl. das System gemäß Fig. 1), kann der Lichtquellenspiegel näher am schmalen Ende des konischen Lichtleitrohrs angeordnet sein, so daß die Gesamtgröße des Geräts weiter verkleinert wird.

Fig. 5 zeigt zudem, daß die Länge des Lichtrohrs geändert werden kann, während die Spitze bzw. der Scheitelpunkt und die Lage des weiteren Endes unver ändert bleiben, und damit die Brenngröße des schmalen Endes und das f-Zahl-Verhältnis an weitem und schmalem Ende geändert werden.

Fig. 6 veranschaulicht die Anwendung der erfindungs gemäßen Energieübertragungsvorrichtung in Kombination mit einem Mehrfachinnenrefelxionskristall (MIR) 60 zur Durchführung gedämpfter Totalreflexionsmessungen. Dieser Kristall besitzt im wesentlichen den Aufbau gemäß der US-PS 41 75 864, nur mit dem Unterschied, daß im vorliegenden Fall seine Eintrittsfläche konvex ist. Der kompakteste Strahlengang durch den Kristall, und mithin die geringste Größe des Kristalls für einen vorgegebenen optischen Fluß, wird er zielt, wenn ein Lichtquellenbild am einen Ende des Kristalls und eine Pupielle an seinem anderen Ende vor gesehen werden. Dies kann durch Verwendung eines konischen Lichtleitrohrs in Verbindung mit einem Mehrfachinnenreflexionskristall mit konvexer Eintritts fläche erreicht werden. Lichtquellenspiegel und Aus trittsschlitz bilden die Pupielle P bzw. das Licht quellenbild S₁ am schmalen Endabschnitt der Vor richtung, während Eintrittsfläche 62 und Austrittsfläche 64 des Kristalls das Lichtquellen bild S₂ bzw. die Pupille P₁ im weiten Endabschnitt darstellen. Die Energie wird von der Lichtquelle zur Austrittsfläche des Kristalls übertragen, wobei gemäß den vorstehend erörterten Prinzipien die Höhe des aus dem Kristall austretenden Strahls kontrolliert wird, um eine Energieübertragung praktisch ohne jede Vignettierung zu ermöglichen. Eine Krümmung der Aus trittsfläche und die Anordnung eines energiesammelnden konischen Lichtleitrohrs der von Williamson vorgeschlagenen Art ermöglichen eine höchst wirksame Energieübertragung zu einem am Ende dieses konischen Lichtleitrohrs ange ordneten Detektor 66.

Ersichtlicherweise läßt sich die vorstehende Schilderung des Strahlenbrennpunkts bzw. der Strahlenbündelung und der Pupillenfläche zur Anpassung des opti schen Flußes zwischen verschiedenen Teilen eines optischen Systems auch in Form von Lagran geschen Differentialgleichungen aus drücken. Es ist somit möglich, einen Astigmatismus auf weisende optische Systeme mit solchen ohne Astigmatismus zu paaren, indem ein konisches Lichtleitrohr mit einen Scheitel in einer Ebene verwendet wird, die nicht mit seinem Scheitel in der orthogonalen Ebene koinzidiert.

Es wird angenommen, daß vorstehend zahlreiche der Vor teile der erfindungsgemäßen Energieübertragungsvor richtung gegenüber den bisherigen Linsensystemen aufge zeigt werden konnten, beispielsweise die folgenden:

1. Eine äquivalente Vorrichtung, die mindestens drei Linsen erfordert, von denen zwei starke Linsen sind, wird zu einem System mit einer Linse niedriger Leistung und mit einem konischen Lichtleitrohr vereinfacht.
2. Die Pupillenabmessungen bleiben erhalten, wodurch die Abmessungen der Bauteile verkleinert werden und gleichzeitig unerwünschte Vignettierung ausgeschaltet wird.
3. Die Kombination aus dem konischen Lichtleitrohr und der Linse ist kompakter als das nur aus Linsen bestehende System, so daß sie die Konstruktion eines tragbaren Geräts begünstigt.

Selbstverständlich sind dem Fachmann verschiedene Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß vom Rahmen der Erfindung abgewichen wird. Während bei spielsweise vorstehend lediglich konische Lichtleitrohre mit hohlen Durchgängen beschrieben sind, sind die be schriebenen Prinzipien gleichermaßen auf sich konische Lichtleitrohre aus massivem dielektrischen Material und effektiv auch auf das sich schnell erwei ternde Gebiet der Faseroptik anwendbar. Die vorstehende Beschreibung soll daher die Erfindung lediglich erläutern und keinesfalls einschränken.

Abschließend sei noch darauf verwiesen, daß die f-Zahl, wie üblich, das Verhältnis der Brennweite einer Linse zum Durchmesser von deren Eintrittspupille darstellt, während unter dem optischen Fluß das Produkt aus der Fläche eines Lichtstrahls senkrecht zu dessen Aus breitungsrichtung und dem Raumwinkel dieses Lichtstrahls zu verstehen ist.

Claims

1. Vorrichtung zur nichtabbildenden Energieübertra gung
mit einer optischen Energiequelle (20),
mit einem ersten und einem zweiten räumlich von einander getrennten Abschnitt (12, 14), zwischen denen die optische Energie übertragen werden soll,
mit in jedem Abschnitt angeordneten Einrichtun gen (20, 21, 22, 28, 30) zur Festlegung eines Strahlenbündels mit Strahlenbrennpunkten, sowie
mit einer der Einrichtung zugeordneten Eintritts pupille (P) und einer Pupille (P₁), die gleich zeitig eine f-Zahl festlegen, und wobei der erste Abschnitt (12) eine kleine f-Zahl und der zweite Abschnitt (14) eine höhere f-Zahl besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß
im optischen Strahlengang zwischen den beiden Abschnitten (12, 14) ein kegelstumpfförmiges Licht leitrohr (40) so angeordnet ist, daß sein stumpfes Ende (42) mit einem Brennpunkt (S₁) im ersten Abschnitt (12) und sein weites Ende (44) mit einem Brennpunkt (S₂) im zweiten Abschnitt (14) zu sammenfällt, daß die Eintrittspupille (P) im er sten Abschnitt (12) in einer Ebene angeordnet ist, in der der Scheitel des kegelstumpfförmigen Licht leitrohres (40) liegt, daß das Lichtleitrohr (40) so angeordnet ist, daß es mindestens einen Teil des jeweiligen Strahlenbündels von einem Abschnitt zum anderen überträgt, wobei das Produkt aus der Fläche des übertragenen Teils und dem Raumwinkel des Strahls an jedem Ende des Lichtleitrohres gleich ist, so daß der optische Fluß in jedem Abschnitt gleich ist, und
daß zwischen dem weiten Ende (44) und der Pupille (P₁) im zweiten Abschnitt (14) eine Fokussier einrichtung (28) angeordnet ist zur Übertragung der Energie zwischen den beiden Pupillen praktisch ohne Vignettierungsverlust.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Strahlenbrennpunkt und die Pupille im ersten Abschnitt (12) jeweils eine ähnliche Form wie ihre Gegenstücke im zweiten Abschnitt (14) be sitzen, sich jedoch von letzteren in Querschnitts fläche und Abstand unterscheiden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das konische Lichtleitrohr (40) Wände (40A, 40B) aufweist, die einen hohlen inneren Durchgang (46) zum Hindurchleiten von optischer Energie festlegen, welcher sich über die Gesamt länge des Lichtleitrohrs (40) erstreckt und sich an dessen weiten Ende (44) und schmalen Ende (42) öff net.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß der Durchgang (46) eine konstante Quer schnittsform besitzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß der Durchgang (46) eine rechteckige Quer schnittsform besitzt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Wände (40A, 40B) des Lichtleitrohres (40) zur Verringerung von Reflexionsverlusten beim Durchtritt der optischen Energie durch das Licht leitrohr (40) vergoldet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Fokussiereinrichtung (28) eine am weiten Ende (44) des Lichtleitrohres (40) angeord nete Feldlinse ist.

8. Vorrichtung nach Ansprurch 1, dadurch gekennzeich net, daß das konische Lichtleitrohr (40) aus einem massiven Werkstoff hergestellt ist.

9. Energieübertragungsvorrichtung zur Verwendung bei einem Infrarotspektrometer mit einer Infrarotener giequelle (20) und einer Absorptionszelle (14) mit Eintritts- und Austrittsfenster, wobei die Zelle und die Energiequelle (20) getrennte Abschnitte (14, 12) bilden, zwischen denen optische Energie übertragen werden soll, wobei jeder Abschnitt Ein richtungen (20, 21, 22, 28, 30) zur Festlegung von jeweiligen Strahlenbündeln mit Strahlenbrennpunk ten und zugeordneten Pupillen (P, P₁) aufweist, so daß in jedem Abschnitt eine f-Zahl festgelegt wird, wobei die f-Zahl im Zellenabschnitt (14) von derjenigen im Energiequellenabschnitt (12) ver schieden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß im optischen Strahlengang zwischen der Ener giequelle (20) und der Zelle (14) ein kegelstumpf förmiges Lichtleitrohr (40) so angeordnet ist, daß sein stumpfes Ende (42) mit einem Strahlenbrenn punkt (S₁) im Energiequellenabschnitt (12) und sein weites Ende (44) mit einem Strahlenbrennpunkt (S₂) in der Zelle (14) zusammenfällt,
daß die Eintrittspupille (P) im Energiequellen abschnitt (12) in einer Ebene angeordnet ist, in der der Scheitel des kegelstumpfförmigen Licht leitrohres (40) liegt, um zumindest einen Teil der jeweiligen Strahlenbündel zwischen den Abschnitten (12, 14) zu übertragen, daß das Produkt aus der Querschnittsfläche des übertragenen Teils und dem Raumwinkel des Strahls an den jeweiligen Enden (42, 44) des Lichtleitrohres (40) gleich ist, so daß der optische Fluß in der Zeile (14) derselbe ist wie derjenige im Energiequellenabschnitt (12), und
daß zwischen dem weiten Ende (44) und der Pupille (P₁) im Zellenabschnitt (14) eine Fokussier einrichtung (28) angeordnet ist, so daß die Ener gie zwischen den Abschnitten (12, 14) praktisch ohne Vignettierungsverluste übertragbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß die Begrenzungspupille (P₁) im Zellenab schnitt (14) ein Objektspiegel ist und daß die Ein trittspupille (P) im Energiequellenabschnitt (12) ein Lichtquellenspiegel (21) ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß der Quellenspiegel (21) auf dem Scheitel des Lichtleitrohres (40) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinrichtung (28) eine am weiten Ende (44) des Lichtleitrohres (40) ange ordnete Feldlinse ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, daß die Feldlinse (28) die Eintrittsöffnung der Zelle (14) darstellt und daß das weite Ende (44) des Lichtleitrohres (40) unmittelbar an der Eintrittsöffnung angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß das Lichtleitrohr (40) eine sich über seine Gesamtlänge erstreckende innere hohle Kammer (46) aufweist mit einer weiten (44) und einer schmalen Öffnung (42) an seinen jeweiligen Enden, wobei das schmale Ende (42) dem Querschnitt des Strahlenbündels entspricht und dadurch als Filter festlegungsschlitz des Spektrometers dient.

15. Verfahren zur Übertragung von Energie zwischen zwei räumlich voneinander getrennten Abschnitten (12, 14) einer optischen Vorrichtung, wobei jeder Ab schnitt (12, 14) Strahlenbündel und Strahlenbrenn punkte und eine zugeordnete Pupille (P, P₁) zur Festlegung sowohl einer f-Zahl als auch eines opti schen Flußes in jedem Abschnitt (12, 14) aufweist, wobei die f-Zahlen in jedem Abschnitt verschieden, die optische Flüße dagegen jeweils gleich sind, da durch gekennzeichnet, daß im optischen Strahlengang zwischen den Abschnitten (12, 14) ein kegelstumpf förmiges Lichtleitrohr (40) so angeordnet wird, daß seine Enden (42, 44) lagenmäßig mit den betreffen den Strahlenbrennpunkten (S1, S2) koinzidieren und sein Scheitel in der Ebene der Pupille (P) am schmalen Ende (42) des Lichtleitrohres (40) liegt, und daß eine der Pupille (P) des ersten Abschnitts (12) entsprechende Pupille (P₁) im zweiten Ab schnitt (14) gebildet wird.