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    公开号:WO1984000217A1
    申请号:PCT/CH1983/000080
    申请日:1983-06-23
    公开日:1984-01-19
    发明作者:Oskar Oehler；David Sourlier；Alexis Fries
    申请人:Oskar Oehler；David Sourlier；
    IPC主号:G01N21-00
    专利说明:
    [0001] Lichtsammel-Vorrichtung und deren Anwendung für spektroskopische Zwecke
    [0002] Die Erfindung liegt auf den Gebieten der geometrischen Optik und der optischen Spektroskopie. Sie betrifft eine Vorrichtung zur Sammlung der Strahlung, die von einer Lichtquelle im Innern eines konkaven Reflektors ausgeht, zu einem engen, quasiparallelen Strahlenbündel und die Anwendung dieser Vorrichtung für optisch-spektroskopische Zwecke, insbesondere zur Detek tion von Gasen. die Erfindung stützt sich auf das Schweizer Patentgesuch No. 1 266/81-0 vom 25.Febr.1981, die PCT-Anmeldung No. PCT/CH82/00026 vom 23.Febr.1982 das Schweizer Patentgesuch No. 3939/82-9 vom 25.Juni 1982 und das Schweizer Patentgesuch vom 14.Mai 1983 No 2654/83.
    [0003] Konkavspiegel sind wohlbekannt zur Sammlung der Strahlung von Lichtquellen. Insbesondere werden sphärische, elliptische und parabolische Reflektoren häufig verwendet, wobei den beiden letzteren Vorrichtungen besondere Bedeutung zukommt.
    [0004] Es soll vorerst auf die elliptische Hohlspiegel näher eingegangen werden. Solche Reflektionsvorrichtungen werden sehr oft eingesetzt, wenn die Strahlung einer kleinen Lichtquelle mit hohem Wirkungsgrad auf ein Target fokussiert werden soll. Zu diesem Zweck werden Lichtquellen und Target in den beiden gegenüberliegenden Brennpunkten angeordnet. Eine praktische Anwendung ist beispielsweise die Anregung des Rubin-Lasers: Der eine Brennpunkt befindet sich in der Anregungs-Lichtquelle und der andere ist in den, die Laser-cavity bildenden, Rubinstab verlegt. Es sei in diesem Zusammenhang etwa auf das Buch von B.A.Lengyet, über "Laser", Wiley Publ.1971 hingewiesen. Es wird bei dieser Anwendung von der Tatsache ausgegangen, dass jeder Strahl, der vom einen Brennpunkt ausgeht, nach einer Reflexion in den anderen Brennpunkt fällt. Es kann damit ein sehr grosser Wirkungsgrad der Strahlungsintensitäts-Uebertra-gung erzielt werden. Allerdings ist das Lichtbündel stark divergent, falls Strahlung aus einem grosseπ Raumwinkel eingefangen wird. Diese Divergenz kann oft nicht in Kauf genommen werden - beispielsweise dann nicht, wenn das Licht in einem Monochromator zerlegt werden soll.
    [0005] Die effiziente Bildung eines quasi-parallelen Strahles mittels eines ellipsoid-förmigen Reflektors ist im Schweizer Patentgesuch No. 1 266/81-0 beschrieben. Es wird nicht nur eine einzige Reflexion am Ellipsoid-Hohlspiegel betrachtet, sondern man geht davon aus, dass das Licht nach einer zweiten Reflexion an der Reflektorfläche wieder in die Quelle zurückgeworfen wird und diese teilweise durchdringt. Die Ellipsoidflache hat somit die Doppelaufgabe, einerseits als Reflektor das Licht der Quelle, die sich im einen Brennpunkt befindet,in den anderen Brennpunkt zu leiten, andererseits als Rückstrahlreflektor die Strahlung wieder in die Quelle zurückzuwerfen. Die Lichtsammlung beruht nun darauf, dass sich alle Lichtstrahlen, die von einem Brennpunkt ausgehen, mit zunehmender Anzahl Reflexionen an der Ellipsoid-Spiegelfläche und Lichtquellen-Durchdringungen asymptotisch der grossen Hauptachse nähern. Es findet somit eine Lichtsammlung längs dieser Achse statt. Das Strahlenbündel wird durch eine kleine Oeffnung mit Durchmesser D, die in Verlängerung dieser grossen Hauptachse A angebracht ist, ausgekoppelt. Versuche wurden an einem gestreckten Rotationsellipsoid, also für den Fall, dass A zugleich Rotationsachse ist und demzufolge die andern beiden Hauptachsen gleiche Länge B besitzen, durchgeführt. Für A/B = 1.2 und D/B = 0.1 ergab sich, dass 30% des Lichtes einer im einen Brennpunkt angeordenten Glühwendel ausgekoppelt werden konnte, wobei das emittierte Licht innerhalb eines Konus von 15º lag.
    [0006] Ein Nachteil der Konstruktion liegt darin, dass der Lichtstrahl jeweils nach 2, 4, 6, ... Reflexionen die im einen Brennpunkt angebrachte Lichtquelle durchdringen muss. Wegen der nicht vollständigen Transparenz der Lichtquelle - im Falle einer Glühwendel beträgt dieselbe ca. 70% - wird der Wirkungsgrad der Lichtsammel-Vorrichtung reduziert.
    [0007] Ferner müssen die geometrischen Abmessungen der Vorrichtung recht gross gewählt werden, da eine gute Lichtausbeute nur gewährleistet ist, falls die Dimensionen des Reflektors gross sind gegenüber denjenigen der Strahlungsquelle.
    [0008] Es ist oft wünschenswert, die Lichtstrahlung auf eine kleine kreisfömige oder quadratische Fläche zu konzentrieren, beispielsweise auf die lichtempfindliche Fläche eines Photodetektors. Gelegentlich stellt sich aber das Problem, ein linear ausgedehntes Element, beispielsweise eine Spaltblende zu beleuchten. Für diesen letzteren Fall stellen die besprochenen, rotationssymmetrischen Reflektorvorrichtungen bezüglich Lichtausbeute keine optimale Lösung dar.
    [0009] Das obige Licht-Kollimationsverfahren setzt wie erwähnt, eine teilweise transparente Strahlungsquelle voraus. Eine Quelle mit dieser Eigenschaft kann recht befriedigend durch eine Glühwendel realisiert werden. Da der Wirkungsgrad des Reflektors für eine seitliche Verschiebung des Lichtpunktes aus dem Brennpunkt stark abfällt, muss die Wendel sehr dünn gehalten und genau in der Ellipsoid-Hauptachse adjustiert werden. Die verlangte Dünnheit der Glühwendel bedeutet aber eine einschneidende Beschränkung ihrer elektrischen Belastbarkeit und somit auch eine Beschränkung der Lichtleistung der Quelle. Die Positionierung der Wendel längs der Hauptachse entspricht einer Adjustierung in zwei Dimensionen - eine Forderung, die beachtlichen Aufwand bedeutet.
    [0010] Bei gewissen Anwendungen ist ein enger, möglichst paralleler Lichtstrahl oft wünschenswert. Ausgehend von einer klein-dimensionierten Lichtquelle kann ein Parallelstrahl dadurch erzeugt werden, dass die Quelle beim Brennpunkt eines parabolischen Reflektors angeordnet wird.
    [0011] Falls eine gute Parallelität des Strahlenbündels verlangt wird, so müssen die Dimensionen des Reflektors gross sein gegenüber denjenigen der Lichtquelle. Das bedeutet aber - vor allem wenn zusätzlich eine hohe Lichtausbeute erwünscht ist dass der Parallelstrahl einen grossen Querschnitt besitzt. Die Leuchtdichte des Lichtstrahls ist damit gering.
    [0012] Gase, vor allem solche mit niedriger Atomzahl wie CO, CO2, CH4 usw. lassen sich mit optisch-spektroskopischen Methoden zuverlässig und selektiv nachweisen, da dieselben im infraroten Spektralbereich sehr spezifisch das Licht absorbieren.
    [0013] Zwei grundsätzlich verschiedene Methoden können zur optischspektroskopischen Detektion von Gasen verwendet werden: einerseits die Extinktionsmethode, andererseits die photoakustische Methode.
    [0014] Erstere beruht auf einer Bestimmung der LichtabSchwächung im Probegas. Bei einer solchen Messung ist es aber absolut notwendig, dass die Intensität des Lichtstrahles vor Eintritt in die Absorptionszelle sehr genau bekannt ist, da ja die Konzentrationsbestimmung aus der Differenz der Lichtintensität der für das Gas spezifischen Wellenlänge vor und nach der Licht-Absorptionsstrecke erfolgt. Ueblicherweise wird deshalb ein Teil des Lichtes durch eine Hilfsoptik, z.B. einen halbdurchlässigen Spiegel, ausgekoppelt. Das erfordert aber zusätzlichen Material- undAdjustierungsaufwand.
    [0015] Zur Gewährleistung eines langen Lichtweges und damit zur Erreichung einer grossen Abschwächung des Strahles, trotz beschränkter Abmessung der Messvorrichtung, werden für Extinktionsmessungen von Gasen oft Zellen eingesetzt, in denen das Licht mehrfach hin und her reflektiert wird, sog. Mehrfach- Reflexions-Zellen. Bei einer solchen Zelle ist es einerseits notwendig, dass der einfallende Lichtstrahl eng gebündelt ist - allenfalls kann der Divergenz des Strahles durch spezielle Spiegelform entgegengewirkt werden - andererseits muss das Spiegelsystem sehr genau adjustiert sein. Mehrfach-Reflexionszellen sind daher in der Regel recht aufwendig. Ein schwerwiegender weiterer Nachteil von Mehrfach-Reflexionszellen ist die Alterung des optischen Systems, d.h. die Tatsache, dass sich das Lichtreflexionsvermögen im Laufe der Zeit ändert und sich die Geometrie desadjustieren kann. Solche Veränderungen führen zu Intensitätsabschwächungen, die, falls nicht des öfteren Eichmessungen durchgeführt werden, von der Probegasbedingten Signalabschwächung nicht unterschieden werden können.
    [0016] Die zweite optisch-spektroskopische Gasdetektions-Methode eignet sich für den Nachweis niedrig konzentrierter atmosphärischer Gasverunreinigungen, wie etwa Kohlenmonoxid, Stickoxid oder Methan. Es handelt sich um die photoakustische Gasdetektionsmethode. Dieselbe besteht darin, dass die Druckänderungen, die in einer Gasmischung bei Absorption von monochromatischem Licht (vornehmlich Infrarotstrahlung) durch eine Gaskomponente entstehen, durch ein Mikrophon erfasst werden, wie das etwa im Artikel von L.G.Rosengren, Applied Optics, Vol.14, Seite 1960 (1975) nachzulesen ist. Zu diesem Zweck werden meistens inten sive, abstimmbare Infrarotlaser zusammen mit hochempfindlichen Kondensator-Mikrophonen eingesetzt.
    [0017] Die Tatsache, dass die Hauptbestandteile der Luft, nämlich Stickstoff, Sauerstoff und Argon - im Rahmen der Dipolnäherung - keine Infrarotstrahlung absorbieren, wirkt sich dabei ungünstig aus. Beispielsweise konnte L.B. Kreuzer wie es in J.Appl. Physics, Vol.42, Seite 2934 (1971) beschrieben ist,
    [0018] Methan in Stickstoff, entsprechend einer Konzentration von 10 ppb (10-8) mit Hilfe eines 16 mW-Lasers nachweisen. Es wird weiter die Vermutung geäussert, dass bei Verwendung intensiver Infrarot-Laserstrahlung Konzentrationen bis 10-13 gemessen werden können.
    [0019] Unter wesentlich schwächeren Anforderungen an die Empfindlichkeit der Gasdetektion lässt sich das NachweisSystem stark vereinfachen. Insbesondere kann der kostspielige abstimmbare Infrarotlaser durch ein einfaches System, bestehend aus einem Glühkörper und einem Schmalband-Interferenzfilter, ersetzt werden. In neuerer Zeit ist von M.J.D. Low und G.A. Parodi in Infrared Physics, Vol. 20, Seite 333 (1980) zwar ein auf dem opto-akustischen Effekt beruhendes Infrarot-Spektrometers beschrieben worden, bei dem statt des Lasers ein Glühstift verwendet worden ist. Diese Quelle hat sich allerdings wegen ihrer Intensitätsschwäche in Kombination mit einem Gitter-Monochromator für ein opto-akustisches Infrarot-Spektrometer nicht gut bewährt.
    [0020] Ein wesentlicher Vorteil der photoakustischen Methode besteht darin, dass die Lichtquellen-Intensität direkt als Proportionalitätsfaktor in die Grosse des photoakustischen Signales eingeht. Die Gaskonzentrationsmessung folgt also nicht aus einer Intensitäts-Differenzmessung wie bei der Extinktionsmethode. Bei hohen Anforderungen an die Stabilität der Detektions empfindlichkeit ist es aber angezeigt, die Lichtquellen-Intensität auch zu überwachen.
    [0021] Zur Erreichung eines selektiven Gasnachweises mittels optisch spektroskopischer Methoden ist monochromatische Lichtstrahlung unbedingt erforderlich. Bei Verwendung von Laser-Lichtquellen ist diese Bedingung zum vorneherein erfüllt (allenfalls müssen die ungewünschten Modes beseitigt werden). Wird hingegen eine breitbandige - beispielsweise thermische Lichtquelle eingesetzt, so ist der Einbau eines Prisma-Gitter oder Interferenz filter-Monochromators unumgänglich.
    [0022] Intensitätsmässig bringt der Ersatz des Gittermonochromators durch ein Interferenzfilter Vorteile - allerdings auf Kosten von Flexibilität und Genauigkeit.
    [0023] Bei Verwendung von Interferenzfiltern sind die Anforderungen bezüglich der Divergenz des Lichtstrahls nicht allzu gross. Zur Vermeidung einer unerwünschten Veränderung der Bandpasseigenschaften des Interferenzfilters soll der halbe Oeffnungswinkel des Lichtbündels unterhalb 15 Winkelgraden liegen.
    [0024] Um elektronische Drifterscheinungen auszuschalten, werden optische Spektrometer in der Regel mit intensitäts-modulierten Lichtquellen betrieben. Meistens wird die Modulation der Lichtintensität mechanisch mit Hilfe einer rotierenden Segmentscheibe vorgenommen. Solche Lichtunterbrecher sind allerdings relativ teuer und störungsanfällig.
    [0025] Da preisgünstige Detektoren (beispielsweise pyroelektrische Elemente oder photoakustische Zellen) vielfach bei niedriger Frequenz optimal betrieben werden, kann oft unter Verzicht auf einen mechanischen Lichtunterbrecher die Lichtquelle direkt thermisch moduliert werden. Diese Lösung ist für ein einfacheres, zuverlässig arbeitendes Gas-Detektionssystem besonders günstig.
    [0026] Eine korrekte Gaskonzentrationsbestimmung bedingt, dass die Zelle vor oder während der Messung gut gespült werden kann. Im Fall einer identischen Probegas- und Lichtdetektionszelle, wie das beim photoakustischen Verfahren zutrifft, ist die Messung während des Gasaustausches wegen der unvermeidlichen strömungsbedingten Druck- und Temperaturfluktuationen problematisch. Dieses Problem lässt sich allenfalls noch bewältigen, wenn bei hoher Modulationsfrequenz gearbeitet wird.
    [0027] Hingegen ist im Falle einer thermisch und somit niedrigfrequenten Modulation ein alternierender Spül-Mess-Vorgang unumgänglich. Das bedeutet, dass Ventile notwendig sind, welche die Steuerung des Gasflusses erlauben. Bei photoakustischen Zellen sind allerdings die Ansprüche, welche an diese Ventile gestellt werden müssen niedrig, denn das photoakustische Drucksignal ist sehr klein. Es liegt im mPa-Bereich. Elektromagnetische Ventile, wie sie für pneumatische Zwecke eingesetzt werden, sind daher den gestellten Anforderungen bezüglich Preis, Dimensionen und Aufwand nicht optimal angepasst.
    [0028] Es ist Aufgabe der Erfindung, unter Vermeidung der beschriebenen Nachteile, eine Vorrichtung zur effizienten Sammlung der Strahlung einer Lichtquelle im Inneren eines konkaven Reflektors zu einem engen, quasiparallelen Bündel zu schaffen, die für optisch spektroskopische Zwecke, insbesondere für die Detektion von Gasen, geeignet ist.
    [0029] Die Aufgabe wird gelöst durch Anordnung einer kleinen spotförmigen Lichtquelle in einem der beiden Brennpunkte eines geschlossenen Rotations-Ellipsoid-Reflektors und der Auskoppe lung des gebildeten Strahlenbündels durch ein Loch in Richtung der verlängerten grossen Hauptachse des Ellipsoids. Durch einen lichtbrechenden Körper im Innern des Ellipsoids wird verhindert, dass ein grösserer Teil der Strahlung nach Mehfachrefle xion wieder in die Lichtquelle zurückgeworfen wird. Die Abmessungen des Ellipsoid-Reflektors werden dadurch reduziert, indem statt eines Vollellipsoids eine ellipsoid-förmi ge Halbkalotte als Reflektor eingesetzt wird und als Rückstrahl-Reflektor ein ebener Spiegel Anwendung findet. Das gebildete Strahlenbündel wird entweder durch eine Oeffnung in Richtung der grossen Hauptachse der Ellipsoidkalotte oder durch eine Oeffnung im Zentrum des ebenen Spiegels ausgekoppelt.
    [0030] Die Aufgabe kann ferner gelöst werden durch Anordnen einer draht-wendel-, oder band-förmigen Lichtquelle in der Umgebung eines der beiden Brennlinien eines geschlossenen Zylinders mit elliptischer Grundfläche oder beim Brennpunkt eines elliptischen Halbzylinders, der durch einen Planspiegel teilweise abgedeckt ist.
    [0031] Statt mittels eines Rotations-Ellipsoids resp. eines elliptischen Zylinders kann die Aufgabe auch mit Hilfe eines Rotations-Paraboloids, das teilweise durch einen Planspiegel abgedeckt ist, oder eines teilweise durch- einen Planspiegel abgedeckten Zylinder mit parabolischer Grundfläche gelöst werden. Die Lichtquelle ist beim Brennpunkt des Paraboloids, resp. bei der Brennlinie des parabolischen Zylinders angebracht. Die Lichtauskopplung aus der optischen Vorrichtung erfolgt durch eine Oeffnung resp. einen transparenten Bereich im Zentralbereich des Planspiegels.
    [0032] Die messtechnisch notwendige Intensitäts-Modulation kann entweder direkt durch Steuerung des LeuchtkörperStromes, oder mechanisch mit Hilfe einer rotierenden Sektorscheibe erzeugt werden. Als Monochromator wird beispielsweise ein optisches Schmalband-Bandpassfilter, vorzugsweise ein Interferenzfilter, verwendet. Mehrere optische Filter können allenfalls auf einer drehbaren Scheibe angeordnet werden, die beispielsweise gleichzeitig die Aufgabe des Lichtmodulators übernimmt.
    [0033] Zur Lichtintensitätsmessung wird entweder ein nicht gasselektiv arbeitender Detektor, beispielsweise ein pyroelektrisches Element, oder eine photoakustische Messzelle, die allenfalls das Messgas enthält, verwendet.
    [0034] Im letzteren Fall kann der Wirkungsgrad der Gasdetektion durch Anbringen eines Spiegels auf der Rückseite der photo-akustischen Zelle verbessert werden.
    [0035] Wird die Gas -Messzelle bei niedriger Frequenz betrieben, so muss sie während der Messung von der Umwelt akustisch getrennt sein.Dies geschieht durch enge Kapillaren oder Sinterkörper in der Zellenwandung, durch einfache mechanische Ventile oder unter Verwendung eines nicht linearen, auf hydrodynamischen Prinzipien basierenden Durchflussystems, das in der Funktionsweise einem Schmitt-Trigger gleicht.
    [0036] Zur forcierten Gasumwälzung dient eine Fördereinrichtung, die im wesentlichen auf einem Kleinlautsprecher basiert. Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
    [0037] Fig. 1 Prinzip erklärende Skizze des Voll-Ellipsoid-Reflektors,
    [0038] Fig. 2 mögliche Realisierung des Voll-Ellipsoid-Reflektors mit erfindungs-gemässem ebenem licht-brechendem Körper,
    [0039] Fig. 3 Prinzip erklärende Skizze der Ellipsoid-Halbkalotte mit ebenem Spiegel gemäss Erfindung, Fig . 4 und
    [0040] Fig . 5 und
    [0041] Fig. 6 Realisierung der Lichtauskopplung aus der Ellipsoid- Halbkalotte,
    [0042] Fig. 7 Ellipsoid-Halbkalotte mit rückseitig partiell ver spiegeltem ebenem Spiegel,
    [0043] Fig. 8 Prinzip erklärende Skizze des elliptischen Vollzylin ders mit Lichtquelle und Strahlauskopplungsspalt gemäss Erfindung.
    [0044] Fig. 9 Prinzip erklärende Skizze des elliptischen Halbzylinders mit ebenen, den Strahl-Austrittsspalt bildenden Front-Abdeckungs-Spiegeln und Lichtquelle gemäss Erfindung.
    [0045] Fig.10 Prinzip erklärende Skizze des elliptischen Halbzylinders mit ebenen, den Strahl-Austrittsspalt bildenden Front-Abdecklungs-Spiegeln, seitlicher Abdeckungs- Spiegeln und Lichtquelle gemäss Erfindung.
    [0046] Fig.11 und
    [0047] Fig.12 Beispiele für mögliche Aufhängungen der Lichtquelle.
    [0048] Fig.13 Prinzip erklärende Skizze des teilweise abgedeckten Rotations-Paraboloids gemäss Erfindung.
    [0049] Fig.14 Prinzip erklärende Skizze des teilweise abgedeckten Parabol-Zylinders gemäss Erfindung.
    [0050] Fig.15 Skizze des kombinierten elliptisch-parabolischen Zylinders.
    [0051] Fig.16 und
    [0052] Fig.17 sind Anwendungen des Ellipsoid-Reflektors als Mehrfach- Reflexions-Gasmesszellen. Fig.18 Mögliches Anwendungsbeispiel der erfindungsgemässen Reflektorvorrichtung zur Beleuchtung des Eintrittspaltes einer optischen Vorrichtung, wie beispielsweise eines Monochromators .
    [0053] Fig.19 Anwendungsbeispiel für das teilweise abgedeckte Rota tions-Paraboloid zur Detektion von Gasen mittels der optischen Extinktions-Methode.
    [0054] Fig.20 Verwendung des Ellipsoid-Reflektors zur photoakustischen Detektion von Gasen.
    [0055] Fig.21 Weiteres Anwendungsgebiet der erfindungsgemässen Reflektorvorrichtung zur Lichteinkopplung in eine photoakustische Zelle.
    [0056] Fig.22 Mögliche Ausführungsform eines kombinierten Monochro mator-Lichtunterbrechers.
    [0057] Fig.23 Mögliche Realisierung einer Küvette zur kombinierten photoakustischen Messung der Gaskonzentration und der Lichtquellenintensität mittels einer mechnischen Vorrichtung.
    [0058] Fig.24 Weitere Möglichkeit zur kombinierten photoakustischen Gaskonzentrations- und Lichtquellenintensitäts-Messung mittels einer optischen Vorrichtung.
    [0059] Fig.25 Photo-akustische Zelle mit akustischer Flüssigkeitsabsperrung.
    [0060] Fig.26 Ausführung nach Fig.25 mit zusätzlicher Flüssigkeitsaustauschvorrichtung.
    [0061] Fig.27 Photo-akustische Zelle mit akustischer Absperrung mittels flüssigkeitsgefüllten Kapillaren.
    [0062] Fig.28 Beispiel einer magneto-mechanischen Vorrichtung zur akustischen Entkopplung der photoakustischen Zelle. Fig.29 Beispiel einer elektro-mechanischen Vorrichtung zur akustischen Entkopplung der photoakustischen Zelle.
    [0063] In der Darstellung von Fig.1 ist der Voll-Ellipsoid-Reflektor skizziert, wie er in den Patentgesuchen No. 1 266/81-0 vom 25.Febr.1981 und No. PCT/CH 82/00026 vom 23.Feb.1982 beschrieben ist. Den Gesetzen der geometrischen Optik zufolge geht ein von Brennpunkt 11 eines Ellipsoids gemäss Fig.1 ausgehender Lichtstrahl, nach einer Reflexion an der Reflektorwandung in den Brennpunkt 11'. Umgekehrt wirkt das Ellipsoid auch als Rückstrahl-Reflektor, indem es den, den Brennpunkt 11' durchdringenden Strahl wieder in den Ursprung 11 zurückwirft. Das Licht wird demzufolge - eine vollständige Transparenz der Quelle vorausgesetzt - zwischen den beiden Brennpunkten 11, 11' hin und her reflektiert.
    [0064] Verfolgt man einen solchen Lichtstrahl, so stellt man fest, dass er sich mit zunehmender Anzahl Reflexionen an der Ellip soidflache Zusehens der grossen Ellipsoidhauptachse nähert. Eine in einem der beiden Brennpunkte angebrachte Lichtquelle 20 erzeugt daher in der grossen Hauptachse ein sehr intensives, im Idealfall parallelel Lichtbündel.
    [0065] Durch eine kleine Oeffnung in einem der Durchstosspunkte der grossen Hauptachse mit der Ellipsoidoberflache (z.B. bei 12' in Fig.1), ist es möglich, dieses Lichtbündel auszukoppeln. Die endliche Grosse der Oeffnung 12' bewirkt allerdings, dass ein Strahl das Reflektorsystem 10 verlassen kann, bevor er in die grosse Hauptachse fällt.
    [0066] Dieser Umstand ist für die Entstehung eines Lichtkegels, dessen Oeffnungswinkel durch den Durchmesser dieser Oeffnung einerseits und die Ellipsoidparameter andererseits determiniert wird, verantwortlich.
    [0067] Wesentlich ist, dass der hintere, der Oeffnung 12' gegenüberliegende, Bereich 13 der Reflektorfläche 10' ein gutes Reflexionsvermögen aufweist und nicht durch die Lichtquellen-Aufhängung verdeckt ist.
    [0068] Entgegenzuhalten ist der Vorrichtung, dass sie im Idealfall, nämlich dann, wenn die Lichtquelle mit optimalem Emmissionsvermögen genau punktförmig ist und genau im einem Brennpunkt eines fehlerhaften Ellipsoids angebracht ist, überhaupt nicht funktioniert. Alles Licht, das die Quelle emittiert, wird nach zwei Reflexionen wieder auf dieselbe zurückgeworfen und dort absorbiert. Realistisch ist aber die Verwendung einer wendeiförmigen Lichtquelle mit beachtlicher Transparenz und vernachlässigbaren Dimensionen. Das auf die Wendel zurückgeworfene Licht ist ohnehin nicht verloren, es bewirkt eine zusätzliche Aufheizung des Glühkörpers. Immerhin bewirkt die nichtvollständige Transparenz der Lichtquelle eine Reduktion der Lichtausbeute. So wurde für eine 3mm lange Wendel, deren Strahlung durch eine lcm-Oeffnung eines Rotations-Ellipsoids mit Hautachsenlängen von 14.4 und 12 cm ausgekoppelt wurde, eine Ausbeute von 30% gefunden, während auf Grund einer Computer-Simulation mehr als 50% erwartet wurde.
    [0069] Das Wesen der Erfindung besteht nun darin, dass der Lichtstrahl 21 durch einen licht-brechenden Körper 30, wie er in Fig.2 dargestellt ist, schwach abgelenkt wird, sodass er nach 2 Reflexionen nicht mehr auf die Quelle zurückfällt. Der lichtbrechende Körper kann beispielsweise aus einer Planscheibe 30 bestehen, die in der Mitte zwischen den beiden Brennpunkten 11, 11' angebracht ist, wie das in der Darstellung von Fig.2 zu sehen ist. Eine entsprechende Computer-Simulation zeigte die Vorteile dieser Anordnung. Der ursprüngliche, nicht abgelenkte Strahl 21' , wie er ohne Anbringen des licht-brechenden Körpers 30 vorhanden wäre, ist durch eine unterbrochene Linie markiert, während der durch 30 gebrochene Strahl 21 durch eine durchgehende Linie charakterisiert wird. Bei der Dimensionierung des licht-brechenden Körpers ist darauf zu achten, dass die Lichtablenkung nur gering ist, da sonst die Lichtsammeiwirkung des Ellipsoids stark reduziert wird. In Fig.3 ist die, die geometrischen Abmessungen reduzierende , ellipsoidfδrmige Halbkalotte 10 ' mit dem ebenen Rückstrahl- Reflektor 40 dargestellt. Das Funktionsprinzip dieser Anordnung ist genau dasselbe wie beim in Fig.1 dargestellten Voll ellipsoid-Reflektor. Zur Veranschaulichung wurde die fehlende Ellipsoidhälfte 10" durch eine unterbrochene Linie eingezeichnet. Die ebene Spiegelfläche fällt mit der Mittelnormalebene der beiden Brennpunkte 11 und 11' zusammen. Demzufolge ist der Strahlenverlauf und somit auch der Lichtsammeieffekt längs der grossen Hauptachse genau derselbe wie im Vollellip soid. Dies ist anhand des eingezeichneten Strahles 22 und seiner virtuellen, mit unterbrochenen Linie eingezeichneten Ergänzung 22' sofort ersichtlich.
    [0070] Nachteilig bei der Halbkalotte von Fig.3 gegenüber dem Vollellipsoid von Fig.1 ist der Umstand, dass stets der, die Lichtquelle enthaltende Brennpunkt 11 durchdrungen werden muss, was wegen der nicht vollständigen Transparenz derselben zu einer Lichtabschwächung führt. Des weiteren tritt eine zusätzliche Reflexion, nämlich diejenige am Rückstrahl-Reflektor 40, auf. Diese beiden Nachteile werden jedoch teilweise dadurch wettgemacht, dass ein grosser Teil der Strahlen mit einer Reflexion weniger an der Ellipsoid-Mantelflache auskommt, um unter einem bestimmten Winkelkonus ausgekoppelt werden zu können. Je nach Ellipsoidparametern erhält man deshalb sogar eine grössere Lichtausbeute als beim Vollellipsoid.
    [0071] Die Auskopplung des gesammelten Strahles geschieht entweder in Analogie zur Oeffnung 12' in Fig.l durch eine Oeffnung 12 in der Ellipsoidkalotte, wie das in Fig.4 dargestellt ist, oder durch eine Oeffnung 41 im Zentrum der ebenen Spiegelfläche 40 nach der Darstellung von Fig.5. Wie Fig.6 zeigt, kann das Lichtbündel statt durch die Oeffnung 41 auch durch einen nichtreflektierenden transparenten Zentralbereich 42 in der ebenen Rückstrahl-Reflektorfläche 40 der Lichtammeivorrichtung 10 ' , 40 entnommen werden.
    [0072] Die Lichtauskopplung durch 41 resp. 42 der ebenen Spiegelfläche 40, wie sie in Fig.5 und Fig.6 dargestellt ist, bringt gegenüber derjenigen durch die Oeffnung 12' , resp. 12 in der Ellipsoidflache 10"resp. 10' von Fig.1 und Fig.4 einen grossen Vorteil. Da sich der Fokalpunkt 11' ausserhalb der Lichtsammeivorrichtung befindet, kann er beispielsweise in die zu bestrahlende Vorrichtung verlegt werden, wie das in den Darstellungen von Fig.17und Fig.20 skizziert ist. Dadurch kann im bestrahlten Objekt eine hohe Lichtintensität erzielt werden. Zudem erhält man so an der Austrittsöffnung ein konvergierendes anstelle eines divergierenden Strahlenbündels. Eine Kombination der Strahlablenkung durch einen licht-brechenden Körper 30 nach Fig.2 (zwecks Verhinderung der Lichtabsorption durch die Quelle) mit der ebenen Spiegelfläche nach Fig.3 ist in Fig.7 dargestellt. Die ebene Spiegelfläche 40 ist aussenseitig vollständig oder partiell verspiegelt. Dadurch kann sowohl die lichtbrechende, als auch die reflektierende Eigenschaft dieses Körpers ausgenützt werden. Die Lichtauskopplung kann wiederum durch eine Oeffnung 41 resp. einen nicht-reflektierenden Zentralbereich 42 dieser Fläche 40 vorgenommen werden, wie das in Fig.7 abgebildet ist, oder an Analogie zu Fig.4 durch eine Oeffnung 12 in der Ellipsoidflache.
    [0073] Die rotationssymmetrische, mit einem Planspiegel 40 abgedeckte Halbellipsoidkalotte 10' mit Lichtauskopplung im Zentralbereich 41 des Planspiegels 40, wie sie in Fig.5 abgebildet ist, besitzt eine sehr hohe Lichtausbeute. So konnte in Uebereinstimmung mit Computersimulationen experimentell bestätigt werden, dass sich für eine 0,7 mm lange Glühwendel mit 0.75 mm Durchmesser, die sich beim Brennpunkt 11 eines rotationssymmetrischen Halbellipsoid-Reflektors 10', 40 befindet, eine Lichtausbeute von ca.60% ergibt. Die Längen der grossen Achsen betrugen« A = B/2 = 40 mm und der Durchmesser des Lichtdurchlassbereiches im Planspiegel 40 war D = 20 mm. Den Berechnungen wurden die folgenden experimentell ermittelten Werte zugrunde gelegt: Reflexionsvermögen der Kalottenfläche: 71%, Reflexionsvermögen des Planspiegels: 95% und Transmission der Wendel: 65%. Voraussetzung für die Erzielung einer solch hohen Lichtausbeute sind allerdings die kleinen Dimensionen der Quelle gegenüber dem Reflektor. Da die maximale elektrische Belastbarkeit und somit die erreichbare Lichtemission - abgesehen von Materialkonstanten - durch die Glühkörperoberfläche gegeben ist, ist die effektive Lichtleistung gering. Der in Fig.8 dargestellte elliptische Normalzylinder 50 weist gegenüber dem rotationssymmetrischen Reflektor 10 gewisse Vorteile auf. Der Verzicht auf die Rotationssymmetrie bedeutet allerdings eine Reduktion der Lichtausbeute, die sich zwar noch verbessern lässt, indem der elliptische Zylinder 50 beidseitig mit ebenen Planspiegeln 52, 52' abgedeckt wird, wie das in Fig.8 dargestellt ist . Der hohe Wirkungsgrad der rotationssymmetrischen Reflektorvorrichtung lässt sich aber nicht erreichen.
    [0074] Es stellt sich damit die Frage, inwiefern der zylindrische Reflektor überhaupt Vorteile bringen kann. Messungen, aber auch Computersimulationen haben gezeigt, dass beim rotationssymmetrischen Reflektor die Lichtquelle sehr genau auf der Rotationsachse 14 von Fig.1 liegen muss, ansonst ein starker Abfall der Ausbeute stattfindet. Hingegen ist die Quellen-Positionsabhängigkeit der Ausbeute für eine Verschiebung der Quelle auf der Achse selbst weniger ausgeprägt. Das bedeutet aber, dass vor allem der Durchmesser der Wendel klein gehalten und sehr genau in der Rotationsachse adjustiert werden muss. Beim vorgeschlagenen ellipsenförmigen Zylinder 50 kann ohne wesentliche Reduktion des Wirkungsgrades die Lichtquelle als rechteckiges Band 21 ausgebildet werden, wie das in Fig.8 beispielsweise dargestellt ist. Damit ist es möglich, der Lichtquelle eine grosse Ausdehnung zu verschaffen, was die Erreichbarkeit einer erhöhten Lichtintensität bedeutet.
    [0075] Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Reflexionsvorrichtung ist, dass die Lichtquelle nur in einer einzigen Dimension genau adjustiert werden muss, nämlich in Richtung parallel zur kleinen Ellipsen-Hauptachse, wie das in Fig.8 mit dem Pfeil 23 dargestellt ist.
    [0076] In Analogie zum Rotations-Halbellipsoid von Fig.3 ist es auch sinnvoll, nur die eine Hälfte des elliptischen Zylinders zu verwenden. In Fig.9 ist diese Vorrichtung dargestellt. Zusammenfallend mit der Normalebene der Brennpunkte der, den Normalzylinder 50' bildenden, Ellipse 53', sind zwei ebene Rückstrahl-Reflektoren 54 und 54' angeordnet. Dieselben besitzen analoge Funktion wie der Rückstrahl-Reflektor 40 beim rotationssymmetrischen Halbellipsoid-Reflektor 10' von Fig.3, nämlich die Rückreflektion des Strahls in die, die Lichtquelle 21 enthaltende Brennlinie 51. Die beiden Planspiegel 54 und 54' sind derart positioniert, dass ein, die Liσhtauskopplung gewährleistender Spalt 56' freigehalten wird. Zu diesem Zweck muss sich der Spalt 56' in der Umgebung der Symmetrieebene, die aus der grossen Hauptachse der Ellipse 53' und der Zylinderachse gebildet wird, befinden.
    [0077] Die beiden ebenen Rückstrahl-Reflektoren 54 und 54' lassen sich auch durch einen einzigen Planspiegel ersetzen, der in der Mitte einen, dem Spalt 56' entsprechenden, transparenten Bereich aufweist.
    [0078] Die beiden seitlich angebrachten Planspiegel 57 und 57' , wie sie in Fig.10 abgebildet sind, dienen zur Erhöhung der Lichtausbeute, indem sie seitlich entweichende Strahlung in den Reflektor zurückwerfen. Optisch entsprechen sie einer Verlängerung des Zylinders ins Unendliche. Die Planspiegel 57, 57' können entweder parallel angeordnet, oder aber gegeneinander geneigt sein, wie das in Fig.10 dargstellt ist. Es ist festzuhalten, dass die seitlichen Planspiegel bewirken, dass auch Licht unter einem allenfalls grossen Divergenzwinkel in den Fokalbereich 58"gelangen kann. Diese Feststellung dürfte bei Verwendung von optischen Filterelementen, die den Interferenzeffekt ausnützen, von Bedeutung sein, da Veränderungen der Bandpass-Charakteristik auftreten können. Diesem Umstand kann, zwar unter Reduktion der Lichtausbeute, abgeholfen werden, indem die beiden Planspiegel 57, 57' nicht ganz nach vorne gegen die Rückstrahl-Reflektoren 54, 54' reichen, sodass Licht, das unter einem grossen Ausfallwinkel durch die Oeffnung 56' ausgekoppelt würde, die Optik durch den Spalt 55, oder 55' vorzeitig verlässt (siehe Fig.10) . Die nicht-vollständige Abdeckung durch die Planspiegel 52, 52', wobei die Spalte 55, 55' freibleiben, ist auch beim elliptischen Vollzylinder 50 sinnvoll, wie das in Fig.8 dargestellt ist. Der Wert des elliptischen Zylinderreflektors nach Darstellung von Fig.10 wurde anhand einer Computer-Simulation überprüft. Unter der Annahme einer streifenförmigen Lichtquelle der Dimensionen 8 mm x 4 mm x 0.5 mm ergab ein rotationssymmetrischer Halbellipsoidreflektor nach Fig.5 mit den Dimensionen A/2 = 24 mm, B = 40 mm und einem Lochdurchmesser im Planspiegel von 20 mm eine Lichtausbeute von 40%. Der elliptische Zylinder nach Fig.10 lieferte für dieselbe Lichtquelle und dieselben Ellipsenparameter, einer Spaltbreite von 20 mm und einer Zylinderhöhe von 30 mm eine Lichtausbeute von annähernd 60%.
    [0079] Fig. 11 und 12 zeigen Beispiele von möglichen Aufhängungen der Lichtquelle 21. Günstig ist beispielsweise eine seitliche Aufhängung der Quelle, wie sie in Fig.11 dargestellt ist. Die seitliche Stütze 59 führt zu kleineren Ausbeuteverlusten als das bei einer Aufhängung im hinteren Teil des elliptischen Zylinders, also im Lichtkollimationsgebiet, der Fall wäre. Zudem kann die Lichtausbeute mittels der Stütze 59 durch eine Verschiebung in Längsrichtung 23 in der einzigen kritischen Dimension verändert und damit die Lichtquelle beispielsweise adjustiert werden. In der Darstellung von Fig.12 ist die bandförmige Lichtquelle 21 seitlich herausgeführt. (24) Bei dieser Aufhängung ist darauf zu achten, dass eine gute Adjustierung in der in Fig.12 dargestellten Richtung gewährleistet werden kann.
    [0080] Oft ist es zwar wünschenswert, die Lichtstrahlung direkt effizient auf einen kleinen Fleck, beispielsweise auf den lichtempfindlichen Bereich eines Detektors zu fokussieren. Andererseits ist man gelegentlich bestrebt, vorerst die Strahlung zu einem engen Parallelstrahl zu sammeln. Auf Grund der Gesetze der geometrischen Optik lässt sich, ausgehend von einer punktförmigen Lichtquelle, ein Parallel-Strahlen- bündel schaffen, wenn die Quelle im Brennpunkt eines Parabol- Reflektors angebracht wird. Allerdings kann man mit solchen Vorrichtungen keine hohe Strahlungsdichte erreichen. Eine Verbesserung lässt sich durch den modifizierten Parabolreflektor 70, 40, wie er beispielsweise in Fig.13 abgebildet ist, erzielen. In Analogie zu den optischen Vorrichtungen von Fig.1 bis Fig.12 beruht die Steigerung der Lichtsammlung auf der Verwendung eines Rückstrahl-Reflektors 40, der einen Teil der emittierten Strahlung wieder in die Quelle zurückwirft. Wesentlich für das Funktionieren dieser Vorrichtung ist wiederum die teilweise Transparenz der Quelle.
    [0081] Der Rotations-Parabolspiegel 80 von Fig.13 ist beispielsweise mit dem ebenen Rückstrahl-Reflektor 40 abgedeckt, in dessen Zentrum eine kreisscheibenförmige Oeffnung 41 oder ein entsprechender lichttransparenter Bereich 42 vorhanden ist. Die Grosse dieser Kreisscheibe 41, 42 stimmt mit der Scheibe 83 überein, die aus einer im Brennpunkt 81 angeordneten Orthogonalebene 82 zur Rotationsachse 84 durch das Rotations-Paraboloid 80 herausgeschnitten wird.
    [0082] Das Licht, das ausgehend von der Quelle 20, in den, bezüglich der Normalebene 82, hinteren Teil 85 des Paraboloids 80 fällt, wird parallel zur Rotationsachse 84 durch die Oeffnung 41, 42 aus dem ReflektorSystem 80, 40 ausgekoppelt. Derjenige Anteil der Strahlung, der in den vorderen Teil 86 des Paraboloid-Reflektors 80 fällt, gelangt vorerst auf den ebenen Rückstrahl-Reflektor 40, wird von dort auf dem gleichen Lichtweg nach einer Reflexion an der Paraboloidflache in die Quelle 20 zurückgeworfen, durchdringt dieselbe teilweise und gelangt schliesslich in den hinteren Teil 85 des Paraboloidreflektors. Von dort aus wird das Licht als Parallelstrahl zur Rotationsachse 84 durch die Oeffnung 41, 42 ausgekoppelt.
    [0083] Beim gedeckten Halbellipsoid-Reflektor, wie er in Fig.3 dargestellt ist, wird das Licht, das von der Quelle 20 ausgehend vorerst auf den Rückstrahl-Reflektor 40 fällt, ebenso gesammelt wie derjenige Anteil, der vorerst auf die Ellipsoidflache 10' gelangt. Das hängt damit zusammen, dass die elliptische Optik durch den Rückstrahl-Reflektor 40 virtuell ergänzt wird. Dieser Umstand führt dazu, dass mit Hilfe des gedeckten Halbellipsoid-Reflektors eine sehr hohe Effizienz der Lichtsammlung erreicht werden kann. Ein solch gutes Resultat lässt sich mit dem gedeckten Paraboloid-Reflektor, wie er in Fig.13 gezeigt ist, nicht erreichen. Das Licht, das ausgehend von der Quelle 20, direkt auf den Planspiegel 40 fällt, wird nicht mehr in den Brennpunkt zurückgeworfen und kann damit keinen Anteil zum Parallelstrahl liefern. Dieser Strahlungsanteil muss daher als unkontrollierter Verlust angesehen werden. Dieser Nachteil ist sofort einleuchtend, denn die Aneinanderfügung von zwei Paraboloiden, wie das durch die virtuelle Ergänzung des Reflektors 80 durch den Rückstrahl-Reflektor 40 gegeben ist, ist für Strahlen, die vom einen Brennpunkt 81 auf die andere Paraboloid-Reflektorhälte fallen, wenig sinnvoll.
    [0084] Es wurde angenommen, dass der äussere Durchmesser D des Planspiegel 40 doppelt so gross ist, als derjenige Durchmesser der Scheibe, die durch die, den Brennpunkt 81 enthaltende Normalebene 82 aus dem Paraboloid herausgeschnitten wird. Des weiteren wurde vorausgesetzt, dass das Reflexionsvermögen des Paraboloid-Reflektors 80 69% und dasjenige des ebenen Rückstrahl-Reflektors 40 95% beträgt, sowie dass die Lichtquelle 20 eine Transparenz von 65% aufweist. Unter diesen Voraussetzungen ist immerhin gegenüber dem nicht abgedeckten Reflektor eine Erhöhung der Strahlungsdichte im Parallelstrahl von 30% zu erwarten.
    [0085] Eine leichte Erhöhung der Effizienz der Optik, kann dadurch erzielt werden, dass, in Analogie zur Anordnung von Fig.2 und Fig.7, ein lichtbrechender Körper im Innern der Reflektor-Vorrichtung angebracht wird, der den Lichtstrahl leicht ablenkt. Der Strahl fällt nun nicht genau in die Lichtquelle 20 zurück wo er teilweise absorbiert würde, sondern er läuft knapp an ihr vorbei. Die Ablenkung kann nicht wie beim Ellipsoid-Reflektor 10 mittels einer planparallelen Platte 30 erreicht werden, da die, in den Lichtquellenbereich zurückgeworfene, Strahlen stets senkrecht auf den ebenen Rückstrahl-Reflektor 40 auftreffen. Die erwünschte Ablenkung kann aber durch einen Körper 35 mit der gekrümmten Fläche 36, wie sie in Fig.13 mit unterbrochener Linie eingezeichnet ist, erzielt werden. Als Alternativlösung mit ähnlicher Wirkung kann als Rückstrahl-Reflektor 40 ein leicht gekrümmter Spiegel gewählt werden.
    [0086] Die Darstellung von Fig.14 zeigt ein Analogon zum gedeckten elliptischen Zylinder von Fig.10. Der Reflektor 88 ist als parabolischer Zylinder ausgebildet. Abgedeckt ist derselbe entweder durch zwei, den Rückstrahl-Reflektor bildende Planspiegel 54, 54' oder durch einen einzigen Planspiegel mit einer Oeffnung resp. einer transparenten Aussparung im Zentralbereich 56'.
    [0087] Die beiden seitlich angebrachten Spiegelflächen 57 und 57', die als Planspiegel entweder parallel oder schief zueinander stehen oder aber eine Krümmung aufweisen, dienen zur Erhöhung der Effizienz der Optik, indem sie seitlich entweichende Strahlung in den Reflektor zurückwerfen. Werden als seitliche Reflektoren 57, 57' Planspiegel verwendet, so liegt der, durch die Oeffnung 56' austretende Lichtstrahl wohl in einer Parallelebene zur Ebene, die aus der Parabel- und der Zylinderachse gebildet wird, nicht aber in einer Orthogonalebene zur Zylinderachse .
    [0088] Will man verhindern, dass die Strahlung nicht unter allzu schiefem Winkel austreten kann, so sind die seitlichen Reflektoren 57, 57' nicht bis nach vorne zu den Rückstrahl-Reflektoren 54, 54' zu ziehen. Strahlen, die unter stark schiefem Winkel durch die Oeffnung 56' austreten würden, können durch die seitlichen Schlitze 55, 55' vorzeitig entweichen.
    [0089] Der parabolische Zylinder von Fig.14 hat eine niedrigere Effizienz als das gedeckte Rotationsparaboloid von Fig.13. Der Vorteil des parabolischen Zylinders liegt im Umstand, dass die Lichtquelle 21 draht- wendel- oder bandförmig parallel zur Brennlinie 89 ausgebildet und angeordnet werden kann. Sie darf somit eine grössere Fläche aufweisen als die Quelle beim rotationssymmetrischen Analogon von Fig.13.
    [0090] Die einzige kritische Adjustierrichtung der Lichtquelle 21 ist durch den Pfeil 23 in Fig.14 dargestellt. Sie verläuft orthogonal zur Parabel- und zur Zylinderachse.
    [0091] Im Zusammenhang mit den Aufhängungen der Lichtquelle 21 sei auf die Darstellung in Fig.11 und Fig.12 hingewiesen, die in gleicher Weise wie für den elliptischen Zylinder auch für den parabolischen Zylinder ihre Gültigkeit haben.
    [0092] Bei der Beschreibung der Fig.8, Fig.10 und Fig.14 wurde angenommen, dass die Seiten-Reflektoren 52, 52' resp. 57, 57' plan sind. An sich ist es auch denkbar, dass gekrümmte Spiegel verwendet werden.
    [0093] Sehr sinnvoll ist beispielsweise eine Anordnung, bei der der Zylinder von elliptischer Form 50' ist, wie er in Fig.9 abgebildet ist, während die beiden Seiten-Reflektoren 57, 57' einen parabolischen Zylinder 88 approximieren. In Fig.15 ist diese Vorrichtung dargestellt. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass das Licht zu einer seitlich weitgehend begrenzten Brennlinie 58" gesammelt wird. Die elliptische Form ist für die Fokussierung zu einer Brennlinie verant wortlich und die parabolische Zylinderform der Seiten-Reflektoren 57, 57' für die Parallelität der Strahlung zur Orthogonalebene der Brennlinie 51 des elliptischen Zylinders, Als Rückstrahl-Reflektor 44" wird vorteilhafterweise ein Planspiegel mit einer rechteckigen zentralen Oeffnung 56" oder einem entsprechenden transparenten "Bereich verwendet, wie das in Fig.15 dargestellt ist.
    [0094] Allenfalls kann der Uebergang vom elliptischen zum Orthogonal dazu stehenden parabolischen Zylinder kontinuierlich gewählt werden.
    [0095] Im folgenden wird auf die Anwendung der besprochenen Vorrichtungen von Fig.1 - Fig.15 für optisch-spektrokopische Zwecke eingegangen. Das Schwergewicht wird auf die optische Detektion von Gasen gelegt (es sei in diesem Zusammenhang auch auf PCT-Anmeldung No. PCT/CH82/00026 vom 23.Feb.1982 hingewiesen), obwohl natürlich auch die Untersuchung von Flüssigkeiten und Festkörpern, sowie deren Grenzflächen angezeigt ist.
    [0096] In Fig.16 und Fig.17 sind mögliche Anwendungen des Ellipsoid-Reflektors von Fig.2 und Fig.3 zur Detektion von Gasen dargestellt. Die Reflektions-Vorrichtungen sind als Kombination von Lichtkollektoren und Mehrfach-Reflexions-Gasabsorptionsküvetten konzipiert.
    [0097] In Fig.16 ist ein Voll-Ellipsoid-Reflektor dargestellt, in dessen einen Hälfte 10' sich die Lichtquelle 20, und in der anderen Hälfte 10" sich der, das Messgas enthaltende Bereich 64 befindet. Dieser Bereich ist durch die Flächen 40 und 61 vom übrigen Reflektorraum 62 abgetrennt. Sowohl 40 als auch 61 sind für die Wellenlängen, die für die Gasdetektion wichtig sind, transparent, wobei allerdings im Zentrum der ebenen Rückstrahl-Reflektorfläche 40 ein reflektierender Bereich 43 vorhanden ist. Damit wird erreicht, dass das Licht während des Sammlungsvorganges in der, das Messgas enthaltenden Ellipsoidhälfte 10" gefangen bleibt und nicht mehr der Abschwächung beim Durchdringen der Lichtquelle 20 unterworfen ist. Die Auskopplung des Lichtes geschieht durch die Oeffnung 12'. Auf die Trennwand 61 kann allenfalls verzichtet werden. Dieselbe hat lediglich den Zweck, Verunreinigungen, die beim Messgasaustausch durch die Oeffnungen 63 und 63' in den Messgasbereich 60 gelangen können, von der, für die Reflexion wichtige Reflektorzone (um die Lichtauskoppelungsöffnung 12') fernzuhalten.
    [0098] In der Darstellung von Fig.17 befindet sich das Messgas beispielsweise in einem Zwischenbereich 60, der durch die Trennwände 40 und 61 vom Lichtquellenraum 62 abgetrennt ist. Der Gasaustausch findet durch die Oeffnung 63 und 63' statt. Die Trennwand 61 ist für Strahlung der Wellenlänge, die für die Gasdetektion wichtig ist, transparent, während die ebene Trennwand 40 verspiegelt ist und im Zentrum entweder mit einer Oeffnung 41 oder einem transparenten Bereich 42 versehen ist. Die Trennwand 61 kann allenfalls weggelassen werden, wobei allerdings gasströmungs-bedingte Intensitätsfluktuationen der Lichtquelle in Kauf genommen werden müssen.
    [0099] Das durch den transparenten Bereich 41, 42 von 40 austretende Licht wird beispielsweise nach Passieren eines Bandpassfilters 31 einem Strahlungsdetektor 65 zugeführt. Die Filter-Detektor-Vorrichtung 31, 65 lässt sich allenfalls auch durch eine, mit der zu detektierenden Gasart gefüllte photoakustische Zelle 68 ersetzen. Die messtechnisch notwendige Intensitätsmodulation der Lichtquelle kann entweder direkt durch Steuerung des Betriebsstromes des Leuchtkörpers vorgenommen werden oder mechanisch durch eine rotierende oder vibrierende Blende, die zwischen Quelle 20 und Detektorzelle 65 angeordnet ist.
    [0100] Fig.18 zeigt den Einsatz des elliptischen Zylinders zur Beleuchtung des Lichteintrittsspaltes 66 eines optischen Gerätes, beispielsweise eines Prisma- oder Gitter-Monochroma tors. Der Uebersichtlichkeit halber sind die allfälligen seitlichen Planspiegel 57, 57', wie sie in Fig.10 eingezeichnet sind, weggelassen. Der Reflektor wird derart angeordnet, dass die Spaltfläche mit dem Fokalbereich des Reflektors, wie er in Fig.10 durch 58"dargestellt ist, zusammenfällt.
    [0101] Die Darstellung von Fig.19 betrifft ein Beispiel einer Anwendung des gedeckten Paraboloid-Reflektors, wie er in Fig.13 zu sehen ist. Der aus der Reflektorvorrichtung 80, 40 austretende parallele Lichtstrahl wird einer Gasküvette 67 zugeführt, wo ein Teil des Lichtes absorbiert wird. Der Parallelstrahl wird anschliessend mittels der Fokussiervorrichtung 35 auf die lichtempfindliche Fläche des Lichtdetektors 65 fokussiert. Die absorptionsbedingte Abschwächung der Lichtintensität ist ein Mass für die Gaskonzentration in der Gasküvette 67. Mit 31 ist das Monochromator-Element bezeichnet.
    [0102] Fig.20 zeigt ein Beispiel einer Anwendung des gedeckten Halbellipsoidreflektors 10', 40 von Fig.5 zur photoakustischen Detektion von Gasen.
    [0103] Der, durch die Oeffnung 42 austretende Lichtstrahl wird einer mit Gas gefüllten photoakustischen Zelle 68 zugeführt. Es sei in diesem Zusamenhang etwa auf die PCT-An meidung No. PCT/CH 82/00026 hingewiesen. Der gebündelte Lichtstrahl, der durch die Oeffnung 42 in der ebenen Spiegelfläche austritt, fällt zunächst auf ein optisches Bandpassfilter 31 und gelangt anschliessend in die photoakustische Zelle 68. Falls der Lichtstrahl intensitäts-moduliert ist, was beispielsweise durch alternierendes Ein- und Ausschalten der Lichtquelle 20 möglich ist, so bewirkt die vom Gas in der Zelle 68 absorbierte Strahlung periodische Druckschwankungen, die mit dem Mikrophon 69 detektiert werden. Zur Verlängerung des Lichtweges ist es sinnvoll, an der Rückwand der photoakustischen Zelle 68 einen ebenen oder gekrümmten Lichtreflektor anzubringen. Besonders günstig ist ein Hohlspiegel 57, wie er in Fig.20 abgebildet ist, welches der Form der substituierten Ellipsoidhälfte 10" angepasst ist. Damit kann erreicht werden, dass der nichtabsorbierte Anteil der in der Zelle 68 fallenden Strahlung ohne Veränderung des Strahlenganges in den Ellipsoidreflektor 10' , 40 zurückgeworfen wird. Die Folge ist eine Erhöhung des optischen Wirkungsgrades der Lichtsammel-Vorrichtung.
    [0104] Fig.21 zeigt in Analogie zur Darstellung von Fig.20 als Anwendungsbeispiel des elliptischen Zylinders eine photoakustische Messapparatur. Die photoakustische Messzelle 68' ist zylinderförmig ausgebildet, was eine gute Ausnützung des Lichtes bedeutet. Die Form des Rückspiegels 57' kann ebenfalls derart ausgelegt werden, dass er die elliptische Zylinderform 50" des Hauptreflektors 50' ergänzt. Dies führt dazu, dass Licht, das in der Zelle nicht absorbiert worden ist, nach einer Reflexion im Hauptreflektor 50' wieder in die photoakustische Zelle 68' gelangen kann.
    [0105] Die selektive Gasdetektion mit optisch-spektroskopischer Methode bedingt die Verwendung von monochromatischem Licht. Falls als Lichtquelle ein Glühkörper eingesetzt wird, der naturgemäss in einem breiten Spektralbereich Licht emittiert, ist ein Monochromator erforderlich. Für unsere Zwecke am besten geeignet ist ein Schmalband Interferenzfilter 31. Daneben ist es aber auch denkbar, eine mit einem geeigneten Gas gefüllte verschlossene Küvette zu verwenden, die, bedingt durch die spezifischen Absorptions-Banden des Gases (vornehmlich im Infrarot-Spektralbereich) in gewissen Spektralbereichen nicht transparent ist.
    [0106] In Fig.22 ist die Kombination eines mechanischen Lichtmodulators mit einem Monochromator dargestellt. Eine solche Kombination ist besonders sinnvoll, da aus messtechnischen Gründen die Lichtintensität sowieso moduliert werden muss. Auf der rotierenden Scheibe 32 ist mindestens ein Interferenzfilter 33 oder mindestens eine Gasküvette 34 angeordnet. Werden verschiedene Interferenzfilter 33, 33', 33" usw. verwendet bzw. Küvetten 34, 34', 34" usw. mit verschiedenen Gasfüllungen, oder Kombinationen von Interferenzfiltern und Gasküvetten, so wird ermöglicht, gleichzeitig mehrere Komponenten einer Gasmischung getrennt zu erfassen (darauf wird später näher eingegangen).
    [0107] Statt kreisrunde Interferenzfilter bzw. Gasküvetten zu verwenden, wie das in der Darstellung in Fig.22 angegeben wurde, ist es denkbar, dass sektorförmig ausgebildete und zusammengefügt angeordnete Filterelemente zum Einsatz gelangen.
    [0108] Wie bereits erwähnt, hat das photoakustische Gasmessverfahren gegenüber der Extinktionsmethode den Vorteil, dass die Gaskonzentrationsbestimmung nicht aus der Differenzmessung zweier Intensitäten folgt, sondern direkt aus der Lichtleistung, welche in der Gasküvette absorbiert worden ist. Die Intensität I0 der Lichtquelle geht somit lediglich als Proportionalitätskonstante in die Gaskonzentrations-Messung ein. In vielen Fällen ist die natürliche Stabilität der Lichtquelle hinreichend für die Genauigkeit der Messung. Gelegentlich ist es aber vorteilhaft, wenn ständig die Lichtintensität I0. überwacht wird. Diese I0 -Messung kann beispielsweise durch Auskopplung eines, der Lichtabsorption im Probegas nicht unterworfenen, Teilstrahles bewerkstelligt werden. Dieser Teilstrahl wird einem Referenzdetektor zugeführt. Es ist ein Nachteil dieser Anordnung, dass Mess- und Referenzsignale von verschiedenen Detektoren erfasst werden, die allenfalls verschiedene Temperatur- und Druckabhängigkeiten und abweichende Alterungs-Eigenschaften besitzen. Daher ist es wünschenswert, wenn sowohl das Mess- als auch das Referenzsignal mit demselben Detektor erfasst werden können. Eine solche Anordnung brächte zugleich den Vorteil einer zuverlässigen Selbstüberwachung der Vorrichtung.
    [0109] In Fig.23 und Fig.24 sind Vorrichtungen dargestellt, die eine kombinierte Messung der Gaskonzentration und der Lichtquellen-Intensität I0 erlauben.
    [0110] Bei der Vorrichtung, wie sie in Fig.23 dargestellt ist, wird die kombinierte Messung durch eine mechanische Manipulation in der photoakustischen Zelle erreicht, während bei der Vorrichtung von Fig.24 die Umstellung des Messvorganges in der Zelle rein optischer Natur ist. In beiden Fällen beruht die Gaskonzentrationsmessung auf dem photoakustischen Effekt in Gasen, der bereits eingehend besprochen worden ist. Für die Lichtquellen-Intensitätsmessungen wird hingegen der Oberflächen-spezifische photoakustische Effekt beigezogen. Derselbe beruht darauf, dass sich bei Lichtabsorption die Oberfläche und die sich unmittelbar darüber befindliche Luftschicht erwärmt. Diese Lufterwärmung führt zu einer Ausdehnung und somit im Falle einer modulierten Lichtanregung zu einer alternierenden Expansion und Kontraktion der Luftschicht unmittelbar über der lichtabsorbierenden Oberfläche. Die da durch erzeugten Schallwellen können als oberflächenspezifisches photoakustisches Signal gemessen werden. Dieses Signal ist, ebenso wie das gasabsorptions-bedingte, proportional zur Lichtquellenintensität. Es kann somit zur Referenzmessung verwendet werden.
    [0111] Es ist lediglich zu vermeiden, dass eine Ueberlagerung des gasspezifischen photoakustischen Effektes des Probegases mit dem gasunspezifischen photoakustischen Effekt der Oberfläche auftritt. Die Entkopplung der beiden Effekte kann erreicht werden, indem vorerst ein Monochromator-Element, beispielsweise ein Interferenzfilter 36, in den Strahlengang 14 gebracht wird, das der lichtabsorbierenden Gasart angepasst ist. Gleichzeitig ist dafür gesorgt, dass wenig Licht von der Absorberfläche 37 absorbiert wird. Anschliessend wird ein Monochromator-Element 36' in den Strahlengang gebracht, dessen Transmissionsbereich nicht mit einem Absorptionsgebiet des Messgases in der Gasküvette 68 zusammenfällt. Gleichzeitige Massnahmen sorgen dafür, dass möglichst viel Licht von der Absorberfläche 37 absorbiert wird. Mittels des Mikrophones 69 kann somit vorerst die Messgaskonzentration (Fig.23a, Fig.24a) und anschliessend die Lichtquellen-Intensität (Fig.23b, Fib.24b) ermittelt werden.
    [0112] Nach der Darstellung von Fig.23 wird die Umstellung von der einen zur anderen Messung durch den Filterwechsel 36, 36' und ein bezüglich des einfallenden Lichtes Parallel- resp. Querstellen der Platte 39 mit der Absorberfläche 37 erreicht. Nachteilig bei dieser Anordnung ist der mechanische Eingriff in der photoakustischen Zelle 68.
    [0113] In dieser Hinsicht günstiger ist die Vorrichtung, wie sie in Fig.24 dargestellt ist. Während der Gaskonzentrations-Messung wird der Lichtstrahl 14 als seitlich eng begrenztes Bündel in die photoakustische Zelle 68 geführt. Am Mikrophon 69 wird somit ein Signal gemessen, das zur Gaskonzentration in der Zelle 68 korrespondiert. Anschliessend wird nebst des Monochromator-Elementes 36' ein lichtstrahl-erweiterndes oder lichtstrahl-streuendes Element 38 in den Strahlengang gebracht, sodass ein Teil des Lichtes im Innern der photoakustischen Zelle 68 auf eine seitlich des Hauptstrahles 14, beispielsweise ringförmige Scheibe 39' mit der Absorberfläche 37 fällt.
    [0114] Auf die geometrische Lichtstrahlveränderungen durch das Element 38 und die bezüglich des Lichtstrahls seitliche Anordnung der Absorberfläche 37 kann allenfalls verzichtet werden, wenn dafür gesorgt wird, dass das Messgas in der Zelle 68 und die Absorberfläche 37 in möglichst nicht überlappenden spektralen Gebieten Licht absorbieren und die Monochromator-Elemente 36, 36' entsprechend gewählt werden. In diesem Fall kann die Absorberfläche 37 beispielsweise direkt an der Rückwand der photoakustischen Zelle 68 angebracht werden. Für diesen Zweck kann sich ein selektiver Lichtabsorber, der im infraroten Spektralbereich gut reflektiert, hingegen im Sichtbaren viel Licht absorbiert, als Absorberfläche 37 eignen.
    [0115] Der photoakustische Effekt beruht darauf, dass das Schallfeld gemessen wird, das in der Gasküvette durch die Absorption von intensitäts-modulierter Lichtstrahlung ensteht. Damit ist eine photoakustische Messvorrichtung zum vorneherein empfindlich gegenüber akustischen Störungen. Es ist daher unumgänglich, dass entsprechende schalldämpfende Massnahmen getroffen werden:
    [0116] Während der Messung muss einerseits verhindert werden, dass sich das lichtabsorptionsbedingte Schallsignal durch Entweichen von Gas aus der photoakustischen Zelle abschwächt, ande rerseits muss das Eindringen von externem Raumschall, der den Rauschpegel der Messung heraufsetzen könnte, verhindert werden.
    [0117] Falls bei hoher Lichtmodulationsfrequenz gearbeitet wird, ist es allenfalls möglich, mit Strömungswiderstände darstellenden Elementen,wie enge Kapillaren, Gasfilterscheiben usw. auszukommen. Bei tiefer Modulationsfrequenz ist es aber unumgänglich,effiziente .Schalldämpf-Vorrichtungen einzusetzen. Kommerzielle mechanische Ventile befriedigen diese Bedingung in technischer Hinsicht ideal; sie sind aber verhältnismässig teuer und umständlich in der Ansteuerung. Zwei Möglichkeiten der akustischen Entkopplung sind in der Schweizer Patentanmeldung Nr. 4 853/81-8 vom 24.Juli 1981 und in der PCT-Anmeldung No. PCT/CH82/00026 vom 23.Febr.1982 beschrieben. Sie beruhen auf einer hydrodynamischen akustischen Abkoppelung.
    [0118] Fig. 25 zeigt eine der Realisationsmöglichkeiten: die Pumpenvorrichtung 71 zieht das Gas ausserhalb des Systems über die Zuleitung 74 durch das flüssige Medium 75 in den Behälter 76, von wo aus es über die Verbindung 74" in die photoakustische Zelle 68 gelangt. Das aus der photoakustischen Zelle 68 verdrängte Gas gelangt über die Verbindung 74'" durch das flüssige Medium 75' in den Behälter 76', wo es über die Zuleitung 74' abgepumpt wird.
    [0119] Ist die Pumpvorrichtung 71 ausser Betrieb, so ist die photoakustische Zelle wegen der flüssigen Medien 75 und 75' von der Aussenwelt weitgehend abgekoppelt, d.h. das photo-akustische Signal wird kaum abgeschwächt und das Eindringen von akustischen Störsignalen ist weitgehend verhindert. Die akustische Entkoppelung der photoakustischen Zelle beruht auf der Tatsache, dass Luft und flüssige Medien sehr unterschiedliche Schallhärten (h =
    E: Elastizitätsmodul, p: Dichte) besitzen und demzufolge die akustische Leistungsanpassung an den Gas-Flüssigkeits- und Flüssigkeits-Gas-Schnittstellen sehr schlecht ist. Im menschlichen Ohr beispielsweise, wo dieses Problem bei der Schallübertragung vom äusseren Ohr auf die Gehörflüssigkeit des Innenohrs auch auftritt, wird eine gute Leistungsanpassung durch die Gehörknöchelchen im Mittelohr gewährleistet. Der unterschiedlichen Schallhärte von Luft und Gehörflüssigkeit wird mit einer mechanischen UeberSetzung (Uebersetzungsverhältnis 60:1) Rechnung getragen.
    [0120] Beim Betrieb der Pumpvorrichtung 71 entstehen wegen dem durch die flüssigen Medien 75 und 75' nur stossweise strömenden Gas in der photoakustischen Zelle 68 charakteristisch modulierte Druckschwankungen, die mit dem Mikrophon 69 registriert werden. Das so entstehende Mikrophonsignal gestattet es, die Funktion des Durchflussystems zu überprüfen.
    [0121] Die flüssigen Medien 75 und 75' wirken gleichzeitig als Gasfilter; sie ermöglichen es, das Gas vor seinem Eintritt in die phσtoakustische Zelle 68 zu waschen. Durch geeignete Wahl der Medien 75 und 75' können dem zu messenden Gas auch gewisse, die Messung beeinträchtigende Komponenten entzogen werden (z.B. H2O). Zu diesem Zwecke ist es auch denkbar, über die Zuleitungen 74 und 74' die Behälter 76 und 76' mit weiteren, zu 76 und 76' analogen Behältern und sonstigen Gasaufbereitungsanlagen zu verbinden. Die Medien 75 und 75' können auch, so es sich um eine zusätzliche Gasvorreinigung handelt, durch feste Stoffe ersetzt werden.
    [0122] Fig.26 zeigt eine zusätzliche Massnahme, mit der es ferner möglich ist, die Behälter 76 und 76', beispielsweise unter halb der flüssigen Medien 75 und 75' über Zuleitungen 77 mit einem oder mehreren Behältern 76" zu verbinden, in denen Reserven der Medien 75 und 75' lagern, so dass das Auswechseln dieser Medien in 76 und 76' nach einer gewissen Zeit automatisch, beispielsweise mit den Ventilen 77', möglich ist. Diese Methode ist vor allem bei Verwendung mehrerer Messzellen anzuwenden.
    [0123] In Fig.27 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. In den Kapillaren 78 und 78' befinden sich die flüssigen Medien 75 und 75'. Die Durchmesser der Kapillaren 78 und 78' sind so bemessen, dass bei Druckgleichheit im Expansionsbehälter 78" bzw. 78''' und im Ausgangsstutzen 78IV bzw. 78V die Kapillarkräfte ein Ausfliessen des flüssigen Mediums 75 im Bereich der Betriebstemperaturen verhindern.
    [0124] Die PumpVorrichtung 71 erzeugt im Ausgangsstutzen 78V einen derartigen Druckabfall, dass das flüssige Medium 75 aus der Kapillare 78 in den Expansionsbehälter 78" entweicht und das Gas im Ausgangsstutzen 78 über die Kapillare 78 in den Expansionsbehälter 78" und über die Zuleitung 74" in die photoakustische Zelle 68 gelangt.
    [0125] Das aus der photo-akustischen Zelle 68 verdrängte Gas gelangt über die Zuleitung 74''' in den Expaήsionsbehältet 78''', wo es das in der Kapillare 78' befindliche Medium 75' in den Ausgangsstutzen 78V drückt und abgepumpt wird.
    [0126] Wird die Pumpvorrichtung 71 ausgeschaltet, so fliesst das sich nun im Expansionsbehälter 78" respektive im Ausgangsstutzen 78 befindliche flüssige Medium 75 respektive 75' in die Kapillaren 78 respektive 78' zurück und koppelt dadurch die photo-akustische Zelle 68 von äusseren Raumschallquellen ab und gewährleistet gleichzeitig die Verdammung des photo-akustischen Drucksignals in der Zelle. Statt die Pumpenvorrichtung 71 am Ausgangsstutzen 78V anzubringen, kann man sie auch am Ausgangsstutzen 78IV befestigen.
    [0127] Um das Eindringen der Medien 75 und 75' in die Zelle 68 zu verhindern und den Rückfluss in die entsprechenden Kapillaren zu gewährleisten, ist bei der hier beschriebenen Anordnung die Zelle nur während der Gasaustauschphase, wie in Fig.2.7 gezeigt, in Bezug auf die Schwerkraft richtig zu lagern. Ausserhalb der Gasaustauschphasen, beispielsweise Transport, Messung etc., spielt die Lagerung, wegen der in diesen Zwischenphasen wirkenden Kapillarkräfte keine Rolle, da sie das AusfHessen der Medien 75 und 75' verhindern.
    [0128] Auch bei dieser Anordnung kann die Funktion der Durchflussvorrichtung während des Gasaustausches, wegen der dadurch entstehenden charakteristisch modulierten Druckschwankungen in der photo-akustischen Zelle 68, mit dem Mikrophon 69 überprüft werden.
    [0129] Die beschriebenen, auf hydrodynamischen Prinzpien beruhenden akustischen Abkopplungselemente von Fig.25 und Fig.27 besitzen die Nachteile einerseits des viskositätsbedingten eingeschränkten Temperaturbereiches und andererseits der Verschmutzbarkeit der photoakustischen Zelle durch das Aerosol, das beim Durchströmen des Messgases durch die Absperrflüssigkeit entsteht. Durch Wahl einer geeigneten Absperrflüssigkeit und durch Einbringen eines Aerosolfilters lassen sich diese Nachteile allerdings weitgehend beheben.
    [0130] Als Alternative zu den hydrodynamischen Abkopplungselementen sind in Fig.28 und Fig.29 akustische Abkopplungsvorrichtungen dargestellt, die eine rein mechanische Abtrennung gewähr leisten, den grossen Aufwand von Solenoidventilen aber nicht enthalten.
    [0131] In der Darstellung von Fig.28 ist eine modifizierte Form einer Reed-Relais-Kapsel, wie sie in elektrischen Schaltern Verwendung finden, aufgeführt. Die magnetisierbare Feder 91 wird unter dem Einfluss des Magnetfeldes, das bei eingeschalteter Erregung parallel zu Feder 91 verläuft, gegen das ebenfalls magnetisierbare Gegenstücke 92 gepresst, wobei die Oeffnung 93 im Gegenstück 92 verschlossen wird. Die Dichtung 94 gewährleistet die akustische Abtrennung. Die Gegendruckfestigkeit eines solchen Ventils ist nur gering; da die Druckschwankungen des photoakustischen Signals im mPa-Be-reich liegen, genügt das Ventil durchaus den gestellten Anforderungen.
    [0132] Die akustische Abkopplungsvorrichtung von Fig.29 ist derjenigen von Fig.28 sehr ähnlich. Die Abstandhaltung des Teiles 94 vom Gegenstück 92', also die Steuerung des Ventils, wird allerdings nicht magnetisch, sondern mittels eines Piezo-Elementes 95 elektrostatisch vorgenommen.
    [0133] Abschliessend soll mit Nachdruck betont werden, dass es für das Funktionieren der besprochenen Lichtreflektor-Vorrichtungen von Fig.1 - Fig.21 wesentlich ist, dass ein Rückstrahl-Reflektor existiert, welcher das Licht wieder in die Quelle zurückwirft, dass die Lichtquelle für die emittierte Strahlung teilweise transparent ist und dass der hintere, der Lichtaustrittsöffnung gegenüberliegende, Bereich des Reflektors ein gutes Reflexionsvermögen aufweist und nicht durch die Aufhängung der Quelle verdeckt ist.
    权利要求:
    Claims
    P A T E N T A N S P R U E C H E
    1. Vorrichtung zur Sammlung der Strahlung einer Lichtauelle im Innern eines konkaven rotations- oder soiegel summetrisehen Reflektors zu einem quasi paral lelen Lichtbuendel, gekennzeichnet durch die Kombination eines Reflektors ( 18' ,50',38,83) mit einem diesen partiell abdeckenden Rueckstrahl-Ref lektor ( 10" , 48 ,50" , 54 , 54', 57) so angeordnet, dass mindestens ein Teil der ref lektier ten.gebuende 1 ten Lichtstrahlen (22) in den Bereich der Lichtauelle (28.21) zurueckgelangen und der Durchstosspunkt (13') der Rotations-achse respektive die Schnittlinie (58') der Summetrieebene mit dem Rueckstrahl-Reflektor (18",40,58",54,54') zu einer Oeffnung ( 12' ,41 ,42 ,56 , 56' ) erweitert ist, wobei die Haiterung (24,59) der Lichtauelle (28,21) ausserhalb der naeheren Umgebung des entgegengesetzten Durchstosspunktes (13) respektive der entgegengesetzten Schnittlinie (58) des Reflektors (10',50',80.88) diesen beruehrt oder durchdrinot.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kruemmung des Reflektors (10') eine elliptische ist und der Rueckstrahl-Ref lektor (40,54,54') plan ist.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kruemmung des Reflektors (80,88) eine parabolisehe ist und der Rueckstrahl-Reflektor (48.54,54') plan ist.
    4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor als Teil eines Rotationsellipsoids (10) und die Lichtquelle (20) in einer Zone um den Beennpunkt spotfoermig oder linear zur Rotationsachse draht- oder Wendel foermig ausgebildet und dort angeordnet sind.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor als Teil eines Rotationsparaboloids (80) und die Lichtquelle (20) in einer Zone um den Brennpunkt spotfoermig oder linear zur Rotationsachse draht- oder Wendelfoermig ausgebildet und dort angeordnet sind.
    6 . Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor als elliptischer Teil Zylinder (50' ) und die Lichtquelle (21) in einer Zone um die Brenn l i n i e linear zur Zylinderachse band-, draht- oder wendel foermig ausgebildet und dort anoeordnet sind.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor als parabolischer Teil zulinder (88) und die Lichtauelle (21) in einer Zone um die Brennlinie linear zur Zylinderachse band-, draht- oder wendel foermig ausgebildet und dort anoeordnet sind.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (10') als Teil eines vollstaendi gen Rotationsellipsoids (18) ausgebildet ist und der Rueckstrahlreflektor (10",57) in der gleichen elliptischen Funktion im Reflektor (18') integriert ist und die Lichtquelle (28) in eine der Zonen um die beiden Brennpunkte (11,11') sootfoermig ausgebildet und dort anoeordnet ist.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (50') als Teil eines elliptischen Voll Zylinders (50) ausgebildet ist und der Rueckstrahl-Reflektor (50 '',57') in der gleichen elliptischen Funktion im Reflektor (58') integriert ist und die Lichtquelle (21) in einer der Zonen um die beiden Brennlinien (51,51') linear zur Zylinderachse band-, draht- oder wendelfoermig ausgebildet und dort anoeordnet ist.
    18. Vorrichtung nach einem der Ansprueche 6,7 oder 9 , dadurch gekennzeichnet. dass am gekruemmten Zylinder (50, 50', 88) zusaetzliche Seiten-Reflektoren (52.52' ,57.57') derart angeordnet sind, dass sie von der Zylinderachse unter einem bestimmten Winkel durchstossen werden.
    11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Seiten-Reflektoren (52,52',57,57') sich bis in den Bereich der Rueckstrahl reflektoren ( 48 ,50",54,54') erstrecken und zwischen diesen einen Spalt (55,55') freilassen.
    12. Vorrichtung nach den Ansoruechen 10 und/oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Seiten-Reflektoren (52 ,52' ,57,57') plan sind und orthoqonal zur Zylinderac
    13. Vorrichtung nach den Anspruechen 10 und/oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Seiten-Reflektoren (52.52' ,57 ,57' ) plan sind und zur Zylinderachse oeneiot stehen.
    14. Vorrichtung nach den Anspruechen 7 und 18 oder 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zusaetzl ichen Seiten-Reflektoren (52,52',57,57') oekruemmt sind.
    15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei elliptischer Zyl Inder kruemmung (58') die Seiten-Reflektoren (57,57') eine zylindrisch-parabolische Kruemmung (88) und bei parabolischer Zylinderkruemmung (88) die Seiten-Reflektoren (57,57') eine zylindrisch-elliptische Kruemmuno (50') aufweisen.
    16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Uebergang vom Zylinder (50',88) zu den Seiten- Reflektoren (83,50') ein kontinuierlicher ist.
    17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Lichtquelle (20,21) und dem elliptisch ge kruemmten Rueckstrahl-Reflektor (18",48,58",54,54') ein das ausgestrahlte Licht beeinflussender Koerper (30,60,64,63,68') angeordnet ist.
    13. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der das Licht beeinflussende Koerper (30,35) lichtbrechende Eigenschaften aufweist.
    19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der das Licht beeinflussende Koerper (68,64,68,68')
    1 ichtabsorbi erende und allenfalls partiell reflektierende Eioenschaf ten aufweist.
    28. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtabsorbierende Koerper (60,64,63,68') eine mit einem Messgas gefuellte Küvette ist, deren Inhalt ueber mit der Küvette verbundenen Zuleitungen (63,63' ,74",74''') und allenfalls ueber hydrodynamische (76,76',78,78') elektrostatisch-mechanische (98') oder magnetisch-mechanische Ventile (98) austauschbar ist.
    21, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im durch die Oeffnung ( 12' ,41 ,42,56,56' ) im Rueckstrahlref lektor ( 18",48,50",54,54') ausgekoppelten Lichtstrahl sich ein das Licht beeinflussender Koerper (30,60,64,67,68,63') befindet.
    22. Vorrichtung nach Anspruch 21.dadurch gekennzeichnet, dass der das Licht beeinflussende Koerper (67,63,63') lichtabsorbi erende und allenfalls partiell reflektierende Eigenschaften aufweist.
    23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der das Licht beeinflussende Koerper (67,68,63') eine mit einem Messgas gefuellte Küvette ist, deren Inhalt ueber mit der Küvette verbundenen Zuleitungen (63 ,63' ,74",74''') und allenfalls ueber hydrodynamische (76,76',78,78'), elektrostatisch-mechanische (90') oder magnetisch-mechanische (98) Ventile austauschbar ist.
    24. Vorrichtung nach den Anspruechen 19 , 20 , 22 und 23, dadurch gekennzeichnet, dass der das Licht beeinflussende
    Koerper (67,68,68') nebst dem das Licht absorbierende Medium eine fixe (39') oder mechanisch bewegbare (39) Vorrichtung mit einer lichtabsorbierenden Schicht (37) aufweist.
    25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der 1 ichtabsorbi erende Koerper (67,68') eine Gasküvette (67,63,68') und das lichtabsorbierende Medium ein Gas ist.
    26. Vorrichtung nach den Anspruechen 17,18,19,28,21,22,23.24 und 25, dadurch gekennzeichnet, dass im durch die Vorrichtung zur Sammlung der Strahlung erzeugten Lichtstrahl sich ein monochromatisierendes (31 ,33,33',33'',34,36,36') und/-oder den Lichtweg beeinflussendes (35,33) Element befindet, das fix (31) oder auf einer rotierenden Scheibe (32) angeordnet ist.
    27. Vorrichtung nach Anspruch 26. dadurch gekennzeichnet, dass das monochromatisi erende Element ( 13,33,33',33'',34,36, 36') ein optisches Bandpassfilter ist und das den Lichtweg beeinflussende Element (35,33) ein lichtbrechender (35,33) oder lichtstreuender (33) und/oder ein lieinbrechender (35,38) Koerper ist.
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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    CH265483||1983-05-14||AT83901891T| AT38907T|1982-06-25|1983-06-23|Lichtsammel-vorrichtung und deren anwendung fuer spektroskopische zwecke.|
    DE8383901891T| DE3378551D1|1982-06-25|1983-06-23|Light collector device and utilization thereof for spectroscopy|
    JP50205083A| JPS59501281A|1982-04-30|1983-06-23||
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