DE60121439T2

DE60121439T2 - Geometrischer Strahlteiler und Sensor mit einem Detektor aus mehreren Elementen

Info

Publication number: DE60121439T2
Application number: DE60121439T
Authority: DE
Inventors: Kurt Weckström
Original assignee: Instrumentarium Oyj
Current assignee: Instrumentarium Oyj
Priority date: 2001-08-30
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: EP1288700B1; ATE333106T1; DE60121439D1; US20030043469A1; US6665124B2; EP1288700A1

Description

Die Erfindung betrifft einen geometrischen Strahlteiler zum transversalen Teilen eines Strahlungsstrahls in mindestens einen reflektierten Strahlteil und mindestens einen durchgehenden Strahlteil, wobei der Strahlteiler aus einem Stück aus festem Material mit einer nicht-transparenten reflektierenden Oberfläche bei einem Winkel in Bezug auf die Einfallsrichtung des Strahlungsstrahls besteht, wobei der Winkel im wesentlichen vom rechten Winkel abweicht. Die Erfindung betrifft auch einen Sensor, der eine Strahlungsquelle, eine Meßkammer, mindestens zwei Detektoren, mindestens zwei optische Filter, jeweils einen zwischen der Strahlungsquelle und einem der Detektoren, und einen Strahlteiler, der aus einem Stück aus festem Material besteht und zumindest teilweise reflektierend ist, aufweist; wobei der Strahlungsstrahl von der Strahlungsquelle durch die Meßkammer und durch die jeweiligen optischen Filter zu den mindestens zwei Detektoren geht, wobei der Strahlteiler zwischen den Detektoren und der Meßkammer positioniert ist, so dass ein reflektierter Teil und ein unabgelenkter Teil des Strahlungsstrahls die Detektoren gleichzeitig erreichen können.
Strahlteiler werden in Optiken zum Zweck des Zusammenführens zweier Strahlen oder zum Separieren eines Strahls in zwei verwendet. Der Wellenlängenbereich oder das Verteilungs- und Intensitätsverhältnis zwischen zwei separierten Strahlteilen hängt von den spezifischen Eigenschaften des Strahlteilers ab. Der typischste Strahlteiler ist eine dünne Platte aus Glas oder Plastik, bei der eine Oberfläche mit einer teilweise reflektierenden Beschichtung oder einer teilweise transparenten Spiegelbeschichtung beschichtet ist. Ein Teil des Strahls wird durch den Strahlteiler transmittiert und der andere Teil wird typischerweise bei 90° reflektiert. Mögliche Absorption in den Strahlteilermaterialien wird hier ignoriert. Die Nachteile, die durch die Reflektion von der zweiten Glasoberfläche bewirkt werden, können vermieden werden, indem ein Strahteilerwürfel verwendet wird. Er besteht aus zwei rechtwinkligen, zusammen zementierten Prismen. Die Hypotenuse eines Prismas wird mit einer teilweise reflektierenden Beschichtung vor dem Zementieren beschichtet. Die Konstruktion ist teuer, insbesondere, wenn die verwendeten Wellenlängen im infraroten Bereich sind, wo es wenige geeignete Materialien gibt. Es sind auch andere Typen von Prismen und Kombinationen von Prismen bekannt. Ferner ist eine dünne teilweise reflektierende Membran, eine Pellikula, eine mögliche Lösung, die aber in vielen Fällen nicht robust genug sein kann und die empfindlich auf Temperaturschwankungen sein kann und bei der eine zuverlässige Befestigung ebenfalls ein Problem ist. Die oben beschriebenen Strahlteiler werden physikalische Strahlteiler genannt, weil die vollständige Strahlapertur sowohl im transmittierten als auch im reflektierten Teil zur Verfügung steht. Physikalische Strahlteiler werden z. B. beschrieben in der Veröffentlichung Naumann/Schröder: BAUELEMENTE DER OPTIK Taschenbuch der technischen Optik; Carl Hanser Verlag 1987, Seiten 186–187, und die Verwendung eines Strahlteilers kann in der Veröffentlichung US-5 908 789 gefunden werden.
Eine andere Alternative von Strahlteilern sind sogenannte geometrische Strahlteiler, bei denen der Strahlquerschnitt entweder in zwei Teile mit unterschiedlichen Wellenlängenverteilungen mittels eines Gitters oder eines metallischen Rasters oder eines Netzes unterteilt wird oder in zwei Teile mit derselben Wellenlängenverteilung, die beide eine kleinere Querschnittsfläche als der ursprüngliche Strahl haben, unterteilt wird mittels reflektierender Streifen oder Punkte z. B. auf einer Glasplatte oder einem Prisma oder mittels eines Spiegels, um einen Abschnitt des ursprünglichen Strahls abzudecken. Der letzter Typ von Strahlteilern wird häufig im Infrarotbereich benutzt, aber das Vermeiden von Strahlungsabsorption des Materials erfordert die Verwendung von speziellen Materialien, was bei manchen Anwendungen Probleme bewirken kann, weil das Material dünn sein muß, und eine robuste Halterung mit wenig Temperaturabhängigkeit ist in diesem Fall ebenfalls schwierig zu konstruieren. Die Gitter, Raster und Netze, die in der Veröffentlichung W. Driscoll, W. Vaugham: HANDBOOK OF OPTICS, McGraw-Hill Book Company 1978, Seiten 8-106–8-109 beschrieben sind, leiden nicht unter Strahlungsabsorptionsproblemen, aber das Merkmal, das der transmittierende Teil und der abgelenkte Teil verschiedene Wellenlängenverteilungen haben, ist für viele Zwecke nicht akzeptabel. Die geometrischen Strahlteiler zum querschnittsmäßigen Teilen sind in den Veröffentlichungen Naumann/Schröder: BAUELEMENTE DER OPTIK, Taschenbuch der technischen Optik; Carl Hanser Verlag 1987, Seiten 186–187 und Module 6-6 "FILTERS AND BEAM SPLITTERS", Center of Occupational Research and Development, 1987 {http://www.cord.org/cm/leot/course06} offenbart. 29 in der zuletzt genannten Veröffentlichung zeigt einen planaren Spiegel mit einer Apertur, wobei der Spiegel rechtwinkelig zu der Strahlungsrichtung ist. Diese Art von Spiegelkonstruktion wird lediglich bei Hochleistungs-CO₂-Lasern verwendet, bei denen semitransparente Spiegel nicht verwendet werden können aufgrund der extrem hohen Leistung von mehreren Kilowatt, was eine Kühlung erfordert. Bei diesen CO₂-Lasern, die zum Schweißen und Schneiden von Metallen verwendet werden, wird der Spiegel mit der Apertur als einer der Endspiegel verwendet, wobei der Hauptteil des Lichts direkt zurück zu dem anderen Spiegel an dem entgegengesetzten Ende des Lasers reflektiert wird, und der erzeugte Laserleistungsstrahl kommt durch die Apertur heraus. 28 in der zuletzt genannten Veröffentlichung zeigt einen Anlagenspiegel, der teilweise in den einfallenden Lichtstrahl ragt und ihn so in einen kleineren Anteil reflektierten Lichts und einen größeren Anteil nicht abgelenkten Lichts aufteilt. Diese Alternative hat den Nachteil, dass sie nicht robust oder stabil ist, und sie ist auch schwierig in kleinen Größen mit einer Präzision, die insbesondere für moderne Sensoren mit mehreren Detektoren hoch genug ist, herzustellen.
Die Veröffentlichung JP-05-215 683 offenbart eine Vorrichtung zum Analysieren z. B. der Konzentrationen von Gaskomponenten in einem Gasgemisch auf der Basis der Absorption von Infrarotstrahlung. Die Vorrichtung umfaßt eine Strahlungsquelle, wobei die durch diese emittierte Strahlung so ausgerichtet ist, dass sie durch eine Meßzelle läuft, die das zu analysierende Gasgemisch enthält, einen ersten optischen Filter, der in dem Strahlungsweg positioniert ist, und einen ersten Detektor, der in der Strahlungsrichtung stromabwärts des ersten Filters positioniert ist und zum Detektieren der darauf einfallenden Strahlungsintensität verwendet wird. Die Vorrichtung weist ferner mindestens einen zweiten optischen Filter, der mit einem Detektor zum Identifizieren und/oder Messen der Konzentration mindestens einer anderen Gaskomponente vorgesehen ist, auf. Damit diese mindestens zwei separaten Detektoren Strahlung gleichzeitig von der Meßzelle empfangen, ist die Vorrichtung ferner mit einem Strahlteiler versehen. Gemäß der Veröffentlichung kann der Strahlteiler von dem Typ mit der teilweise reflektierenden Beschichtung oder der teilweise transparenten Spiegelbeschichtung wie oben beschrieben sein. Alternativ schlägt diese Veröffentlichung einen reflektierenden Spiegel vor, in dessen Mitte eine Apertur zum Durchlassen eines Teils der hereinkommenden Strahlung ausgestanzt ist, und gefolgt durch einen Gasfilter und einen Detektor. Auch JP-05-215 684 offenbart einen Gasanalysator mit einer Mehrzahl von Detektoren. Der Strahlteiler besteht jedoch nur aus reflektierenden Teilen. Kein transmittierender Teil des Strahls ist gezeigt oder beschrieben.
Die Veröffentlichung US-6 122 106 beschreibt ein opto-mechanisches System, das als ein Laser-Transmitter/Receiver zum Messen von Distanzen verwendet werden kann. Das hereinkommende Licht wird tatsächlich nicht in einen reflektierten und einen durchgehenden Strahlteil unterteilt, sondern es gibt nur einen reflektierten Teil. Die zwei Löcher in dem Spiegel werden zum Transmittieren von Strahlung in die entgegengesetzte Richtung verglichen mit den hereinkommenden und dem reflektierten Licht verwendet. Gemäß der Veröffentlichung sind diese Löcher so klein wie möglich, z. B. "Stecknadel-dünn", so dass der reflektierte Teil maximiert ist, wobei der Bereich der in die inverse Richtung transmittierenden Strahlung sehr klein ist verglichen mit dem Bereich der reflektierten Strahlung. Die Veröffentlichung JP-63-107 082 beschreibt einen Laserspiegel. Er hat ein oder mehrere sehr kleine Löcher, wie Nadellöcher, in sich, wobei die reflektierende Fläche viele Größenordnungen größer ist als die Fläche der kleinen Löcher. Das durch dieses (diese) kleine Loch (kleinen Löcher) transmittierte Laserlicht bildet demgemäß einen extrem kleinen Anteil der gesamten Strahlung, was für diesen Fall tatsächlich genug ist, weil der transmittierte Anteil auf einen Detektor gerichtet wird, der dazu verwendet wird, nur die Laseroszillation zu kontrollieren. Kupfer und Molybdän werden als das Basismaterial vorgeschlagen und Gold wird als die reflektierende Beschichtung verwendet.
Die Veröffentlichung US-4 940 309 beschreibt eine Vorrichtung, die eine hereinkommende Wellenfront in mehrere nicht-überlappende Teile unterteilt oder herab bremst, d. h. in Bildunterabschnitte, und die Vorrichtung ist ein Scanner, der als "Tesselator" bezeichnet wird. Die Idee ist, eine große abbildende Fläche mittels einer Mehrzahl kleiner abbildender Flächen zu erzeugen. Die Veröffentlichung schlägt vor, eine oder mehrere Glasplatte(n) mit reflektierenden Bereichen eines rück-beschichteten Spiegels zu verwenden, wobei die Platte(n) in den Bereich der gesamten Wellenfront ragen. Es wird dabei bevorzugt, dass das Material der teilenden Komponenten für Strahlung transparent ist und dass dieses transparente Material Bereiche einer metallischen Beschichtung hat, wobei die Struktur ein Vermeiden von Verzerrung fördert. Demgemäß ist jeder Detektor hier dazu angeordnet, Strahlung von separaten Teilen des Objekts zu empfangen.
US-1 253 138 und EP-0 635 745 offenbaren im Prinzip ähnliche licht-teilende Vorrichtungen, das US-Patent für Farbfotografie und die EP-Patentanmeldung für Meßzwecke im ultravioletten Bereich. Beide Veröffentlichungen schlagen vor, einen Spiegel so dünn wie möglich zu verwenden, wobei die EP-Veröffentlichung definiert, dass das Material des Spiegels eine Folie mit einer Dicke geringer als 0,0762 Millimetern ist und der Spiegel vorzugsweise eine Mehrzahl von Löchern hat. Da der Strahlteiler des US-Patents Teil einer bildgebenden Vorrichtung ist, ist es besonders wichtig, dass die Löcher in dem Spiegel klein und zahlreich sind, wie in der Veröffentlichung offenbart. Beide Veröffentlichungen schlagen vor, dass die Wände der Löcher geneigt oder überschnitten sind, um Reflektionen oder Streuungen von ihnen zu vermeiden, und das US-Patent sagt ferner, dass die Wände "matt schwarz" gemacht sind. Dies ist verständlich, da solche Reflektionen das Bild auf der fotografischen Platte z. B. stören würden. Diese sind typische geometrische Strahlteiler. Die Wellenfront wird durch die vielen Löcher in dem Strahlteiler in zwei mehr oder weniger identische Teile unterteilt. Der Detektor oder Film für den transmittierten Teil und der Detektor oder Film für den reflektierten Teil erhält Information von der gesamten Wellenfront, was bedeutet, dass jeder Punkt z. B. einer fotografischen Platte Strahlung von jedem in dem perforierten Spiegel vorhandenen Punkt empfängt. Beide dieser Veröffentlichungen offenbaren einen einzelnen Detektor/Film für die transmittierte Strahlung und einen einzelnen Detektor/Film für die reflektierte Strahlung.
JP-63-107 082 offenbart eine Laserausgabesteuerungsanlage, bei der das Licht von einem Laseroszillator in zwei Teile unterteilt wird, von denen jeweils einer in einen Sensor eintritt und als eine Überwachungseingabe für eine stabile Steuerung dient. Die Ausgabe des Laseroszillators wird gemäß der Ausgabe des Sensors gesteuert. Bei dieser Lasersteuerungsanlage hat das optische Element zum Teilen des Laserlichts eine Spiegeloberfläche hohe Reflektivität und ist mit einer Mehrzahl von kleinen Löchern in der Form eines Gitters versehen, wobei Nadellöcher das optische Element in der Richtung des in die Spiegeloberfläche eindringenden Laserlichts durchdringen. Durch die kleinen Löcher transmittiertes Laserlicht wird auf den Sensor treffen gelassen und auf eine Überwachungseingabe angewendet. Metall, wie z. B. Cu und Mo, wird in eine Spiegeloberfläche hoher Präzision ausgebildet und wird mit Au beschichtet, um eine Beschichtungsschicht zu bilden.
Bei nicht-dispersiver Mehrfach-Gas-Detektion werden mehrere Detektorelemente mit den jeweiligen optischen Filtern, die enge Wellenlängendurchgangsbänder haben, verwendet, um die Konzentration von verschiedenen infrarot-absorbierenden Gaskomponenten zu identifizieren und zu messen. Wenn diskrete Detektorpakete verwendet werden, ist eine robuste Konstruktion möglich, aber die Größe des Sensors ist ein limitierender Faktor bei heutigen Anforderungen nach kompakten Meßvorrichtungen. Eine Möglichkeit ist, alle Detektorelemente und optischen Filter in ein Paket zu integrieren. Es ist möglich, sogar mehr als fünf Detektorelemente innerhalb eines solchen Pakets zu installieren. Um jedoch alle Detektorelemente etwa auf den gleichen Teil der Gasprobe auszurichten, müssen die einzelnen Elemente und optischen Filter sehr klein sein. Dies bedeutet ein reduziertes Signal und weniger Meßzuverlässigkeit. Eine potentiell geringere Ausbeute kann sogar darauf hinweisen, dass das Detektorpaket teuer herzustellen ist, aufgrund vieler kleiner optischer Filter und Übersprech-Unterdrück-Konstruktionen. Eine bessere Lösung wäre, die Detektorelemente in zwei Paketen anzubringen und einen herkömmlichen physikalischen Strahlteiler zu verwenden, d. h., einen semitransparenten Spiegel. Dann können die Detektorelemente und Filter größer sein, weil der gleiche Querschnitt des Pakets weniger Elemente hat. Der Nachteil in diesem Fall ist die Intensitätsreduzierung, die durch den herkömmlichen Strahlteiler eingeführt wird, mit einem typischen Teilungsverhältnis 50%–50%, was bedeutet, dass die Intensität des transmittierten Strahls gleich derjenigen des reflektierten Strahls ist. Dies gilt unabhängig davon, wie das Detektorpaket im Bezug auf die optische Achse positioniert ist.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die beschriebenen Nachteile zu überwinden und einen kostengünstigen und robusten Strahlteiler bereitzustellen, der mit mindestens zwei Detektorpaketen in verschiedenen Positionen zu verwenden ist. Vorzugsweise ist mindestens eines der Detektorpakete vom Mehrfach-Element-Typ. Die zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Strahlteiler von kleiner oder miniaturisierter Größe bereitzustellen. Die dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Strahlteiler bereitzustellen, der es ermöglicht, die Detektoren zu richten, um die selbe Fläche oder das selbe Volumen in einer Messkammer zu messen. Die vierte Aufgabe der Erfindung ist, einen Strahlteiler bereitzustellen, der ohne Probleme dazu einsetzbar ist, auch mit infraroter Strahlung verwendet zu werden. Die fünfte Aufgabe der Erfindung ist, einen Strahlteiler bereitzustellen, der den hereinkommenden Strahlungsstrahl in Teile mit zumindest nahezu identischem Wellenlängenbereich und zumindest nahezu identischer Strahlungsintensität, die zu den Detektorpaketen oder Detektoren vor optischen Filter gehen, unterteilt. Die sechste Aufgabe der Erfindung ist, einen Strahlteiler bereitzustellen, der Strahlung zu jedem der Detektoren mit einem Minimum an Verlusten liefert, d. h., mit einer hohen Effizienz. Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, einen Sensor mit einem Strahlteiler bereitzustellen, der fähig ist zum Analysieren mehrerer Gaskomponenten in einem Gasgemisch mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit, ohne bewegbare Teile und mit Eigenschaften, wie sie oben ausgeführt sind. Die oben genannten Probleme können gelöst werden und die oben definierte Aufgabe kann allgemein erreicht werden mittels eines geometrischen Strahlteilers gemäß der Erfindung, wie er in Anspruch 1 definiert ist, insbesondere beim Analysieren von Gaskomponenten in einem Gasgemisch mittels eines Sensors mit einem geometrischen Strahlteiler gemäß der Erfindung, wie er in Anspruch 12 definiert ist. Die grundlegende Idee zum Erreichen dieser Art von Strahlteiler ist, die Strahlteileroberfläche mit einem Loch für jedes Detektorelement des ersten Pakets in dem transmittierten Strahl auszubilden und durch Anpassen des zweiten Detektorpakets innerhalb der optischen Eingrenzung des größeren Pakets, um den reflektierten Strahl zu empfangen. Indem man dies tut, ist es möglich, das berechnete Strahlteilungsverhältnis bis über 90%–90% zu erhöhen. Die Strahlteilerverstärkung, d. h., die zu den Detektoren gerichtete Strahlung, ist so annähernd 100% verglichen mit der Intensität der ursprünglichen Strahlung, die von der Meßkammer oder irgendeiner anderen Quelle kommt. Dieses scheinbar unmögliche Verhältnis bedeutet, dass der Strahlteiler nicht notwendigerweise irgendwelche spürbaren Intensitätsverluste einbringt. Idealerweise sind diese zwei Teile mehr oder weniger identisch hinsichtlich räumlicher Verteilung. Bei dieser Erfindung ist der Strahlteiler achromatisch, was bedeutet, dass er im wesentlichen unabhängig von dem Wellenlängenbereich bei der Verwendung ist und dass es einen minimalen Einfluß auf die Strahlpolarisation gibt.
Das Loch oder die Löcher in dem geometrischen. Strahlteiler gemäß der Erfindung ist/sind typischerweise von gleicher Größe oder geringfügig größer als die einzelnen Detektorelemente, um kollimierte oder nahezu kollimierte Strahlung zu ermöglichen, hindurch zu laufen in eines oder mehrere erste Detektorelemente, z. B. in das erste Paket. Die Bereiche, die kollimierte oder nahezu kollimierte Strahlung zu einem oder mehreren zweiten Detektorelementen, z. B. in dem zweiten Paket, reflektieren, sind den Löchern nahe. Die Gesamtfläche des geometrischen Strahlteilers gemäß der Erfindung erstreckt sich vorzugsweise über den Querschnitt des ursprünglichen Strahlungsstrahls, der in diesen Strahlteiler kommt, wobei in diesem Fall der Strahlteiler keinerlei Verluste einführt, wenn gute Reflektivität angenommen wird. Das Loch oder die Löcher und die reflektierende Fläche oder die reflektierenden Flächen sind einander nahe, so dass jeder der Detektoren Strahlung im wesentlichen von demselben Bereich oder demselben Volumen in der Meßkammer oder von demselben Bereich oder demselben Volumen irgend einer anderen interessierenden Quelle empfängt. Aufgrund der wenigen großen Löcher kann der Strahlteiler viel dicker sein als dies möglich ist bei herkömmlichen Konstruktionen. Dies bedeutet auch, dass die Platte robust und einfach zu montieren ist. Ein thermisches Verbiegen kann vermieden werden durch Verwendung eines thermisch ähnlichen Materials oder sogar des gleichen Materials wie der Rest des Sensorkörpers, vorzugsweise Aluminium. Eine solche Platte ist auch einfach zu polieren und zu montieren. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Loch (die Löcher) so ausgebildet werden kann (können), dass es (sie) als Wellenleiter funktioniert (funktionieren) wie in Patent US-5 610 400 der Anmelderin beschrieben, aufgrund der Dicke und des metallischen Materials des Strahlteilers, was die Effektivität beim Durchlassen von Strahlung weiter steigert. Obwohl der einzelne reflektierende Bereich (die einzelnen reflektierenden Bereiche) im wesentlichen die gleiche Größe haben wie der (die) Querschnitte) dieses (der) Lochs (Löcher) ist die gesamte reflektierende Fläche – Gesamtfläche minus Fläche des (der) Lochs (Löcher) – groß, was zu gesteigerter Effektivität von reflektierter Strahlung beiträgt. Die Detektorelemente sind normalerweise mit einzelnen optischen Filtern mit schmalen Durchgangsbändern ausgestattet, so dass jedes Detektorelement Strahlung innerhalb eines unterschiedlichen Wellenlängenbereichs detektiert. Diese Bereiche werden durch die spektralen Absorptionsspitzen dieses zu messenden spezifischen Gases bestimmt. Es soll verstanden werden, dass, obwohl der geometrische Strahlteiler gemäß der Erfindung ideal bei dem Sensor für Mehrfach-Gas-Analyse ist, er ein höchst nützlicher Strahlteiler auch für andere Typen von technischen Anwendungen sein kann.
Die Erfindung wird nun im Detail unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben:
1 veranschaulicht allgemein einen Sensor mit einem separaten geometrischen Strahlteiler gemäß der Erfindung zum Analysieren von Gasgemischen unter Verwendung mehrerer Detektoren in einer axonometrischen Ansicht.
2 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform des geometrischen Strahlteilers gemäß der Erfindung, wobei der Strahlteiler ein integrierter Teil des Sensorkörpers ist.
3A–3F veranschaulichen verschiedene alternative Strahlteilerkonfigurationen, bei denen die optische Achse der reflektierten Strahlanteile auf der Strahlteileroberfläche mit der optischen Achse von durch die Löcher durchgehenden Strahlanteilen zusammenfallen. Die Konfiguration ist in der Richtung rechtwinklig zu der reflektierenden Oberfläche gesehen.
4A–4F veranschaulichen zusätzliche spezielle Fälle von Strahlteilerkonfigurationen, bei denen die optische Achse der reflektierten Strahanteile auf der Strahlteileroberfläche eine Beabstandung hat verglichen mit der optischen Achse der Strahlanteile, die durch die Löcher durchgehen. Die Konfiguration ist in der Richtung rechtwinklig zu der reflektierenden Oberfläche gesehen.
Ein geometrischer Strahlteiler teilt einen ursprünglichen oder hereinkommenden Strahlungsstrahl 4, der eine Einfallsrichtung R_I hat, transversal in mindestens einen reflektierten Strahlteil 5_R und mindestens einen durchgehenden Strahlteil 5_T . Der Strahlteiler 1 besteht aus einem Stück 11 aus festem Material mit einer nicht-transparenten, reflektierenden Oberfläche 3 bei einem Winkel α in Bezug auf die Einfallsrichtung R_I des Strahlungsstrahls, wobei der Winkel α wesentlich von dem rechten Winkel abweicht, d. h., von 90° abweicht. Der geometrische Strahlteiler 1 hat eine Breite W und eine Höhe H, die sich über die gesamte effektive Querschnittsfläche A* des Strahlungsstrahls 4 erstrecken, und mindestens ein Loch 2a oder zwei Löcher 2a, 2b, die sich durch das Stück 11 aus festem Material erstrecken. Effektive Querschnittsfläche A* bedeutet diejenige Fläche des ursprünglichen Strahlungsstrahls 4 oder denjenigen Teil des ursprünglichen Strahlungsstrahls 4, die/der für Detektoren oder andere Zwecke nach einer Reflexion von der reflektierenden Oberfläche 3 oder nach einem Durchgang durch die Löcher 2a, 2b, 2c ... verwendet wird und die begrenzt wird durch die Umhüllungskurve, die die äußersten Punkte der Löcher und der reflektierenden Flächen 3a, 3b, 3c ... begrenzt ist einschließlich der schrägen Strahlen, falls nötig. Die Form der reflektierenden Flächen ist bestimmt durch den Grad der Kollimation in dem hereinkommenden Strahlungsstrahl 4 sowie durch die Größe, Form und Empfindlichkeit auf den Einfallswinkel des Detektors oder des anderen infrage stehenden Ziels. In vielen Fällen ist die Form der reflektierenden Fläche ziemlich kompliziert, wie in 3B gezeigt. Es wird jedoch beabsichtigt, dass kein nutzbarer Anteil der anfänglichen Strahlung verloren wird, indem er abgeschnitten wird, aber die Breite W und die Höhe H der reflektierenden Oberfläche sind groß genug, um für durchgehende und reflektierte Strahlung von dem relevanten Teil der Meßkammer oder des jeweiligen Objekts zu sorgen. Das feste Material ist ein Material, das steif und unflexibel genug ist, um die Form und Position der reflektierenden Oberfläche mit der nötigen Genauigkeit zu ha ten, als selbsttragendes Element oder mit der Hilfe von Befestigungseinrichtungen und möglichen Halteeinrichtungen.
Die Löcher ermöglichen ein Durchgehen mindestens eines Strahlteils 5_T oder zweier Strahlteile 5_T durch den Strahlteiler 1 und gleichzeitig lenkt die nichttransparente, reflektierende Oberfläche 3 mindestens einen reflektierten Strahlteil 5_R oder zwei reflektierte Strahlteile 5_R in eine reflektierte Richtung R_R in Übereinstimmung mit dem Gesetz der spiegelnden Reflexion. Die Strahlen der durchgehenden Strahlteile 5_T von jedem einzelnen separaten Loch 2a, 2b, 2c ... gehen schließlich zu Zielen, die separat oder intrinsisch unabhängig voneinander sind. In ähnlicher Weise gehen für den Fall, dass es zwei oder mehr reflektierte Strahlteile gibt, die Strahlen dieser reflektierten Strahlteile 5_R von jeder separaten reflektierenden Fläche 3a, 3b, 3c ... schließlich zu Zielen, die separat oder intrinsisch unabhängig voneinander sind. Die letztendlichen Ziele der durchgehenden Strahlteile 5_T und das (die) letztendlichen Ziele) des (der) reflektierten Strahlteils (Strahlteile) 5_R sind ebenfalls separat oder intensisch voneinander unabhängig. Es soll verstanden werden, dass die Ziele miteinander für ein späteres Stadium verbunden sein können, ohne ihre Unabhängigkeit zu opfern, da lediglich Signale von separaten und unabhängigen Detektoren verglichen oder kombiniert werden können. Der Winkel α hat einen Wert typischerweise zwischen 30° und 60° und vorzugsweise einen Wert im wesentlichen von 45° in Bezug auf die Einfallsrichtung R_I des Strahlungsstrahls. Das Loch hat bzw. die Löcher haben einen Durchmesser D1 und Abstände C2 zwischen den reflektierenden Flächen, transversal zu der Länge des Lochs, und die reflektierende Oberfläche 3 hat Oberflächenabmessungen D2 und Abstände C1 zwischen den Löchern, wie in den 3E und 4E gezeigt, die jeweils wesentlich größer sind als alle Durchmesser oder Oberflächenabmessungen und Abstände zwischen diesen, die eine spürbare Interferenz beeinflussen. Diese großen Durchmesser D1 der Löcher und die großen Oberflächenabmessungen D2 oder Abstände C1 zwischen diesen halten den Strahlteiler der Erfindung davon ab, wie ein optisches Gitter oder Raster zu funktionieren, und somit haben beide Strahlteile 5_T , 5_R im wesentlichen gleiche Wellenlängenverteilungen. Die Durchmesser D1 bedeuten im allgemeinen diejenige Abmessung, die rechtwinklig zu der Achse oder Länge L der Löcher 2a, 2b, 2c ... ist, aber im Kontext dieser Erfindung bedeuten Durchmesser D1 auch die verschiedenen Abmessungen der Löcher in der Richtung der reflektierenden Oberfläche 3, wie dies auch die Durchmesser der reflektierenden Bereiche 3a, 3b, 3c etc. tun. Dasselbe gilt für die verschiedenen Abmessungen derjenigen Löcher und derjenigen reflektierenden Bereiche, die Querschnittsformen haben, die von einer kreisförmigen Form oder ihrer Transformation um einen Winkel α abweichen.
Die nicht-transparente, reflektierende Oberfläche 3 erstreckt sich als eine einzelne, durchgehende und zumindest hauptsächlich ebene Fläche über die Höhe H und die Breite W des Stücks 11. Es ist möglich, dass ein Polieren der Oberfläche eine geringfügige Abweichung von einer Ebene P bewirken kann, insbesondere um die Löcher herum, aber diese Art von untergeordneten Defekten bewirken keinen Nachteil. Es ist auch möglich, eine kleine Beabstandung, wesentlich kleiner als die Durchmesser D1 der Löcher oder die Oberflächenabmessungen D2 der reflektierenden Bereiche, zwischen irgendwelchen der Löcher 2a, 2b, 2c ... und irgendwelchen der reflektierenden Bereiche 3a, 3b, 3c ... der nichttransparenten, reflektierenden Oberfläche 3 anzuordnen. Diese Beabstandung, die eine Differenz (C2 – D1)/2 zwischen einer Distanz C2 von einem reflektierenden Bereich zu einem anderen und einem Lochdurchmesser D1 oder eine Differenz (C1 – D2)2 zwischen einer Distanz C1 von einem Loch zu einem anderen und einem Durchmesser D2 eines reflektierenden Bereichs ist, eliminiert den Rest der Probleme hinsichtlich lokaler Abweichung in der Form der planaren reflektierenden Oberfläche 3. Die Distanzen sind gemessen von Punkten, an denen ein Loch und ein reflektierender Bereich einander am nähesten sind. Der geometrische Strahlteiler 1 kann nur ein oder zwei oder drei oder mehrere Löcher 2a, 2b, 2c, 2d, etc. in dem Stück 11 aus festem Material und sich durch dieses hindurch erstreckend aufweisen. Das Loch oder die Löcher lassen einen einzelnen, zwei, drei oder mehr individuelle transmittierte oder durchgehende Strahlteile 5_T getrennt voneinander durch das Strahlteilerstück 11 passieren. Sinngemäß kann der geometrische Strahlteiler 1 auch nur ein oder zwei oder drei oder mehrere reflektierende Bereiche 3a, 3b, 3c, 3d, etc. nebeneinander, wie später in diesem Text beschrieben, mit den Löchern und sich entlang der spiegelnden, reflektierenden Fläche 3 erstreckend aufweisen. Die reflektierenden Bereiche 3a, 3b, 3c, 3d etc. haben einen hauptsächlichen reflektierenden Durchmesser oder entsprechende Oberflächenabmessung(en) D2, obwohl ein Teil der Strahlung von der reflektierenden Oberfläche 3 außerhalb dieser Durchmesser reflektiert wird. Etwa 80% bis 90% der reflektierten Strahlung in dem reflektierten Strahlteil 5_R für jeden reflektierenden Bereich reflektiert über den jeweiligen reflektierenden Bereich 3a, 3b ... und etwa 20% bis 10% über andere Bereiche der reflektierenden Oberfläche 3 als schräge Strahlen. Diese Eigenschaft unterstützt die Empfindlichkeit der Detektoren im reflektierten Strahlteil, um sich auf einen gemeinsamen Bereich der Meßkammer zu konzentrieren. Die nicht-transparente, reflektierende Oberfläche 3 und insbesondere ihre reflektierenden Bereiche lenken einen, zwei oder mehrere reflektierte Strahlteile 5_R in die reflektierte Richtung R_R ab. In den 3A bis 4F sind verschieden viele Löcher und reflektierende Bereiche gezeigt. Ferner hat die reflektierende Oberfläche 3 eine Gesamtreflektionsfläche A_R von mindestens 30% der Gesamtfläche A*, und die Löcher haben eine summierte Transmissionsfläche A_T von mindestens 30% der Gesamt fläche A*. Hierbei ist die Gesamtreflektionsfläche A_R = ΣA3, wobei A3 die Oberflächenfläche jedes einen reflektierenden Strahlteil 5_R reflektierenden Bereichs bedeutet, und für die Gesamttransmissionsfläche gilt A_T = ΣA2, wobei A2 die Querschnittsfläche jedes einen durchgehenden Strahlteil 5_T leitenden Lochs bedeutet. Typischerweise sind gemäß der Erfindung ein oder zwei oder mehrere Löcher 2a, 2b, 2c, 2d etc. in dem Stück 11 aus festem Material und ein oder zwei oder mehrere reflektierende Bereiche 3a, 3b, 3c, 3d etc. an der reflektierenden Oberfläche des Stücks 11 aus festem Material kreisförmig alternierend, miteinander angeordnet, d. h. zumindest annähernd umlaufend entlang eines Kreises, wie in den 3A bis 3F gezeigt, oder linear alternierend zueinander, d. h. in einer Richtung in Bezug aufeinander versetzt, wie in den 4A und 4C–4E gezeigt. Anstatt entlang einer Linie oder eines Kreises zu alternieren können die Löcher und reflektierenden Bereiche auch entlang irgendeiner anderen Kurve alternieren. Diese Art von Alternierung von Löchern und reflektierenden Bereichen gilt auch in Fällen, in denen die Konfigurationen von Löchern und reflektierenden Bereichen voneinander verschieden sind. Es soll auch angemerkt werden, dass in einem spezifischen Strahlteiler der Erfindung nicht alle der zwei oder mehr Löcher und/oder nicht alle der zwei oder mehr reflektierenden Bereiche notwendigerweise verwendet werden, aber sie können potentielle Löcher zum Durchlassen von Strahlung oder potentielle Bereiche zum Reflektieren von Strahlung sein. Ferner sind die Löcher 2a, 2b, 2c, 2d etc. für die durchgehenden Strahlteile 5_T vorzugsweise in Kontakt mit oder nahe zu zumindest einem oder vorzugsweise zwei reflektierenden Bereichen 3a, 3b, 3c, 3d etc. für die reflektierten Strahlteile 5_R , wobei reflektierende Bereiche voneinander um die Distanz C2 getrennt sind. In analoger Weise sind die reflektierenden Bereiche 3a, 3b, 3c, 3d etc. für die reflektierten Strahlteile 5_R vorzugsweise in Kontakt mit oder nahe zu mindestens einem oder vorzugsweise zwei Löchern 2a, 2b, 2c, 2d etc. für die durchgehenden Strahlteile 5_T , wobei Löcher um die Distanz C1 voneinander getrennt sind. Ferner gibt es maximal eine Beabstandung, = Differenz (C2 – D1)/2 oder Differenz (C1 – D2)/2, zwischen den Grenzen eines reflektierenden Bereichs und des benachbarten Lochs und umgekehrt. Diese Beabstandung hat einen Wert kleiner als 20% oder 10% des Durchmessers D1 der Löcher und/oder der Oberflächenabmessungen D2 der reflektierenden Bereiche.
Die Löcher 2a, 2b ... können eine kreisförmige oder eine elliptische oder eine quadratische oder eine rechteckige Querschnittsform haben, wie in den 3A bis 4F gezeigt. Die Durchmesser D1 der Löcher und die Abmessungen D2 der reflektierenden Oberfläche zwischen den Löchern weichen maximal 50% voneinander ab. Die Querschnittsform der Löcher 2a, 2b, 2c ... kann identisch zu der Form der reflektierenden Bereiche 3a, 3b, 3c, beispielsweise Oberflächenabmessungen D2, z. B. Durchmesser sein, aber falls nötig können die Löcher eine unterschiedliche Form verglichen mit der Form der reflektierenden Bereiche haben. Es wird betont, dass die Löcher eine unterschiedliche Querschnittsform abhängig von der Herstellung haben, aber die Form der reflektierenden Bereiche ist von den Strahlungsrichtungen des einfallenden Strahlungsstrahl 4 abhängig und von der Empfindlichkeitsverteilung der Detektoren oder entsprechenden Bauteile, die die reflektierten Teile 5_R empfangen, und haben demgemäß nicht notwendigerweise ziemlich genau definiert begrenzte Grenzen.
Das feste Material ist vorzugsweise aus einem Metall wie z. B. Aluminium gemacht. Das metallische Stück 11 aus festem Material kann eine einzelne Platte sein, wie in 1 gezeigt, als solche separat von dem Körper der betreffenden Vorrichtung, aber fest an diesem Körper durch bekannte oder neue Mittel, in den Figuren nicht gezeigt, befestigt. Alternativ kann das metallische Stück 11 aus festem Material ein durchgängiges Teil eines Vorrichtungskörpers sein, wie in 2 gezeigt. Das Stück 11 aus festem Material hat, gemäß der Erfindung, eine wesentliche Dicke S, die sich entweder keilförmig ändert, wie in 2 gezeigt, oder im wesentlichen über die Höhe H des Strahlteilers konstant ist, wie in 1 gezeigt. Die Dicke S ist der Art, dass sie ein Erzeugen eines Lochs oder von Löchern 2a, 2b, 2c ... erlaubt, die mindestens eine Länge L haben, die gleich dem Durchmesser D1 der Löcher ist, wobei die Wände der Löcher aus einem metallischen Material bestehen. Die Länge L der Löcher ist typischerweise gleich der Dicke S des Stücks 11 aus festem Material des Strahlteilers, unabhängig davon, ob das Stück ein separates Teil des Körpers des Sensors ist oder einintegriertes Teil des Sensorkörpers 20 ist. Auf diese Weise funktioniert das Loch oder die Löcher als Wellenleiter zum Durchlassen von Strahlteilen 5_T , wie in der Patentveröffentlichung US-5 610 400 beschrieben. Für den Wellenleiter-Zweck können die Wände der Löcher 2a, 2b ... parallel oder konvergierend oder divergierend in deren Längsrichtung sein. Die Löcher können auf einen gemeinsamen Bereich der Meßkammer 12 gerichtet sein, wobei die Längen L der Löcher nicht parallel sind. Um die Empfindlichkeiten der mehreren Detektoren 6a bis 6d in dem gemeinsamen Bereich der Meßkammer zu konzentrieren, ist es auch möglich, einen Wellenleiter anzuordnen, insbesondere einen Wellenleiter mit in Bezug auf einander entlang der Länge davon divergierenden Wänden beginnend an dem Ende hin zur Meßkammer und endend an dem Ende hin zu dem Strahlteiler 1, wie in der Patentveröffentlichung US-5 610 400 beschrieben.
Ein Sensor zum Analysieren von Gaskomponenten in einem Gasgemisch weist eine Strahlungsquelle 10, eine Meßkammer 12, mindestens zwei Detektoren 6a, 6b, mindestens zwei optische Filter 7a, 7b, die jeweils zwischen der Strahlungsquelle und einem der Detektoren sind, auf. Abhängig vom Typ der Detektoren können alle Detektoren oder. einige von ihnen weggelassen werden, z. B. in dem Fall, dass die Detektoren einen geeigneten Empfindlichkeitsbereich für den betreffenden Zweck haben. Diese Art von Sensor, die allgemein bekannt ist, wird für verschiedene Zwecke verwendet. Wie früher in diesem Text bereits angemerkt, bestehen die Strahlteiler, wenn sie in der Konstruktion verwendet werden, aus einem Stück aus festem Material, das irgendeine Art von semitransparenten Spiegeln ist, d. h., zumindest teilweise reflektierend. Der Strahlungsstrahl 4 von der Strahlungsquelle geht durch die Meßkammer und durch die jeweiligen optischen Filter, falls vorhanden, zu den Detektoren, und der Strahlteiler ist zwischen den Detektoren und der Meßkammer positioniert, wobei er einem reflektierten Teil und einem unabgelenkten Teil des Strahlungsstrahls ermöglicht, die Detektoren gleichzeitig zu erreichen. Gemäß der Erfindung ist der Strahlteiler in dem Sensor ein geometrischer Strahlteiler 1, wie oben beschrieben. Somit reflektieren die nicht-transparenten, reflektierenden Oberfläche(n) 3 an dem Stück 11 aus festem Material mindestens zwei transversale Strahlteile 5a in mindestens einen zweiten und einen dritten Detektor 6b, 6c, und ferner erstreckt sich mindestens ein Loch 2a durch das Stück 11 und läßt einen transversalen Strahlteil 5_T in mindestens einen ersten Detektor 6a. Die Breite W und die Höhe H erstrecken sich über die gesamte effektive Querschnittsfläche A* des Strahlungsstrahls 4, die von den Detektoren 6a, 6b, 6c ... benötigt wird. Das Stück 11 hat eine durchgehende Oberflächenabmessung oder Abmessungen D2 um das Loch oder die Löcher herum und einen oder mehrere Lochdurchmesser D1, die ein Durchlassen und Reflektieren mit im wesentlichen gleichen Wellenlängenver teilungen für die Strahlteile 5_T , 5_R ermöglichen, wie oben beschrieben, um Interferenz zu vermeiden. In diesem Fall kann der geometrische Strahlteiler 1 auch zwei oder mehr Löcher 2a, 2b, 2c etc. aufweisen, die sich durch das Stück aus festem Material erstrecken, wobei das zweite Loch 2b und mögliche weitere Löcher einen weiteren und einen dritten etc., d. h., mehrere transversale Strahlteile 5_T in einen vierten Detektor 6c oder möglicherweise weitere Detektoren leiten, d. h., in die jeweiligen der mehreren Detektoren 6a, 6b, 6f ... . Die Anzahl N1 von Detektoren 6a, 6b, 6c, 6d ... ist größer als die Anzahl N2 der Löcher 2a, 2b, 2c ... . Die zweiten Detektoren 6b, 6c etc. für die reflektierten Strahlteile 5_R sind in einer Konfiguration transversal zu der optischen Achse R_R der reflektierten Strahlteile und die ersten Detektoren 6a, 6d etc. für die durchgehenden Strahlteile 5_T sind in einer Konfiguration transversal zu der optischen Achse R_T der durchgehenden Strahlteile. Die Detektoren 6a, 6d etc. für die durchgehenden Strahlteile 5_T , die die separaten Löcher 2a, 2b etc. verlassen, sind ebenfalls separat und intrinsisch unabhängig voneinander, und in ähnlicher Weise sind die Detektoren 6b, 6c etc. für die reflektierten Strahlteile 5_R , die die separaten reflektierenden Bereiche 3a, 3b etc. verlassen, ebenfalls separat und intrinsisch unabhängig voneinander, wie im Zusammenhang mit Zielen früher in diesem Text beschrieben.
Die Löcher 2a, 2b, 2c ... in dem offenbarten Strahlteiler 1 können mit Luft oder mit irgendeinem speziellen Gas oder Gasgemisch gefüllt sein abhängig von dem verwendeten Wellenlängenbereich und der Umgebung, in der der Strahlteiler verwendet werden soll, aber die Löcher können auch mit einem transparenten festen Material wie z. B. Glas oder Quarz oder einem anderen Silikat oder irgendeinem anderen amorphen oder kristallinen Material wie z. B. Calciumfluorid gefüllt sein. Die Bestandteile für das transparente feste Material sind typischerweise Salze eines oder mehrerer Metalle, aber die Erfindung soll nicht durch die Definitionen beschränkt sein. Es ist auch möglich, die Löcher mit einer Flüssigkeit oder einem Gelee zu füllen. Ferner können alle anderen Abschnitte des Sensors oder die Abschnitte vor und/oder hinter, in der Richtung der Strahlung, dem Strahlteiler 1 mit gasförmigem oder festem Material gefüllt sein oder mit einer Flüssigkeit oder einem Gelee, welche dasselbe Material oder verschiedene Materialien sein können, wie dasjenigen in den Löchern.
Vorzugsweise ist (sind) das Loch (die Löcher) 2a, 2b, 2c ... zum Erhalten eines (von) durchgehenden Strahlteils (Strahlteilen) 5_T nahezu oder auch zwischen denjenigen reflektierenden Bereichen 3a, 3b, 3c ... der nicht-transparenten reflektierenden Oberfläche 3 angeordnet, die die reflektierten Strahlteile 5_R zu den jeweiligen einzelnen von näheren Detektoren 6b, 6c ... reflektieren oder umgekehrt. Das (die) Loch (Löcher) 2a, 2b, 2c ... zum Erhalten des (der) durchgehenden Strahlteils (Strahlteile) 5_T bilden ein erstes Muster, wie durch die durchgehenden Linien in den 1 bis 4F gezeigt, und diejenigen reflektierenden Bereiche 3a, 3b, 3c ... der nicht-transparenten, reflektierenden Oberfläche 3 zum Erhalten der reflektierten Strahlteile 5_R bilden ein zweites Muster, wie durch die unterbrochenen Linien in den 1 bis 4F gezeigt. Das erste Muster und das zweite Muster sind so angeordnet, dass sie innerhalb der Gesamtfläche A* des Strahls oder eines Teils davon angeordnet sind, so dass jedes der Löcher nicht irgendeinen der Bereiche quert. Das erste Muster kann im wesentlichen die gleiche Konfiguration wie das zweite Muster haben, wie in den 1, 2, 3A, 3D, 4C und 4E gezeigt. In diesem Fall ist das zweite Muster in der Richtung der reflektierenden Oberfläche 3 in Bezug auf das erste Muster versetzt, oder das zweite Muster ist ein Spiegelbild des ersten Musters oder um eine der optischen Achsen R_T und/oder R_R verdreht und in der Richtung der reflektierenden Oberfläche 3 in Bezug auf das erste Muster versetzt oder nicht versetzt. Alternativ kann das erste Muster eine andere Konfiguration als das zweite Muster haben, wie in den 3B, 3C, 4A, 4B, 4D und 4F gezeigt. Das erste Muster hat einen ersten Mittelpunkt +, definiert durch die optische Achse von durchgehenden Teilen 5_T , und das zweite Muster hat einen zweiten Mittelpunkt x, definiert durch die optische Achse von reflektierten Teilen 5_R . In vielen Fällen wird bevorzugt, dass der erste Mittelpunkt + und der zweite Mittelpunkt x in einem gemeinsamen Punkt * miteinander zusammentreffen. Der erste Mittelpunkt + und der zweite Mittelpunkt x können auch eine Beabstandung Q haben. Diese Beabstandung Q kann gleich zumindest einen gewissen Durchmesser D1 des Loches (der Löcher) 2a, 2b ... oder zumindest einer gewissen Oberflächenabmessung D2 der reflektierenden Bereiche 3a, 3b ... oder gleich der Distanz zwischen den Zentren der Löcher und den Zentren der reflektierenden Bereiche, wie in 4C gezeigt, oder ansonsten unabhängig von diesen Durchmessern oder Distanzen sein.
Verschiedene Konfigurationen für die Löcher und reflektierenden Bereiche des Strahlteilers sind in den 3A bis 4F gezeigt und werden nun im Detail beschrieben. Bezüglich der Detektorpakete wird auf die 1 und 2 Bezug genommen, wobei angenommen wird, dass der Strahlteiler 1 durch eine Strahlteilerkonfiguration gemäß den 3A bis 4F ersetzt ist. Die 3A bis 3F und 4F sind symmetrische Konfigurationen in Bezug auf die optischen Achsen R_R und R_T. Die 1 bis 2 veranschaulichen, wie zwei duale Detektorpakete 8, 9 angeordnet sein können, um ein optimales Signal zu allen Detektorelementen 6a bis 6d zu geben unter Verwendung eines Strahlteilers, der die Konfiguration der reflektierenden Oberfläche und der Löcher aufweist, wie sie in 3A gezeigt ist. Für Konfigurationen der Strahlteiler von 3D und 3E enthält jedes Detektorpaket jeweils zwei oder vier Detektorelemente. Da der zentrale Teil des Strahlteilers in 3E zu einem großen Teil ungenutzt ist, kann ein zusätzliches Loch 2e für ein fünftes Detektorelement in dem ersten Paket 8 eingesetzt werden, wie in 3F gezeigt. Beim Strahlteiler aus 3B wird nur ein Loch 2a verwendet, aber der reflektierte Strahl wird durch einen Mehrfachelement-Detektor, in diesem Fall einen Dual-Detektor, empfangen. Die Situation könnte auch umgekehrt, wie in 3C, sein. Der zentrale Teil reflektiert Strahlung auf einen Einzel-Element-Detektor in dem zweiten Paket 9 und das erste Paket 8 enthält vier Detektorelemente. Die Detektorpakete 8 und 9 müssen nicht notwendigerweise jeweils auf den optischen Achsen R_R und R_T zentriert sein, selbst wenn dies die bevorzugte Konfiguration ist. Ein geringfügiger Versatz in eine spezifische Richtung kann manchmal ein stärker erwünschtes Ergebnis ergeben. Der Versatz eines Detektorpakets darf jedoch höchstens so groß sein, dass der Mittelpunkt des Pakets im optischen Sinne innerhalb der Begrenzung des größeren Detektorpakets im optischen Sinne ist. 4A gibt hiervon ein Beispiel. Drei Löcher mit dem ersten Mittelpunkt bei + für drei Detektoren im Paket 8 werden zusammen mit einem schmalen Einzel-Element-Detektor im Paket 9 mit dem zweiten Mittelpunkt bei x verwendet, um optimale Funktion zu ergeben. Der Punkt bei x ist innerhalb der optischen Begrenzung des Pakets 8 mit drei Detektorelementen, wie durch die unterbrochene Linie gezeigt. Dieselbe Situation ist in 4B gezeigt, aber mit den umgekehrten Detektorpaketen. In 4C wurden Vier-Element-Detektoren so kombiniert, dass im zentralen Teil des Strahlteilers keine ungenutzte Fläche existiert, wie in 3E. Die kombinierte Apertur wurde vergrößert, aber kann in manchen Fällen erlaubt sein. 4D veranschaulicht einen Strahlteiler, bei dem ein Vier-Element-Detektor im Paket 8 und ein Drei-Element-Detektor im Paket 9 so kombiniert sind, dass ein Element klar außerhalb der Kombination der sechs anderen Elemente ist. Dies kann erlaubt sein, wenn das spezifische Detektorelement ein Gas mit wenig optischer Beziehung zu den anderen Gasen misst. Kohlenstoffdioxid ist ein gutes Beispiel hierfür, weil es einen sehr verschiedenen Absorptionsbereich bei 4,3 μm mit wenig Interferenz von anderen Gasen hat. Wenn z. B. Anästhesiegase mit überlappenden Absorptionsbereichen bei etwa 8,5 μm gemessen werden, ist es wichtig, dass alle involvierten Detektoren die Information aus demselben Probenvolumen erhalten. Dies ist nur gewährleistet, wenn die Detektorelemente von der Quelle aus gesehen eng beisammen sind. 4E veranschaulicht, wie zwei Dual-Element-Detektoren angeordnet werden können, um optimale Abdeckung zu erhalten. Die optische Begrenzung für die Löcher ist als gestrichelte Linie gezeigt und der Mittelpunkt x der reflektierenden Bereiche ist innerhalb dieser Fläche. 4F veranschaulicht, wie die zentrale Fläche in 3E für andere Zwecke verwendet werden kann. Die schwarze Fläche kann ein Temperatursensor oder sogar ein separates Detektorelement, das in oder nahe dem Strahlteiler montiert ist, sein. Es könnte auch eine Spiegeloberfläche sein, die die Strahlung anders richtet als die Spiegeloberfläche des Strahlteilers, oder es könnte der Eingang zu einem separaten Lichtleiter sein. Gemäß der Erfindung haben die Löcher 2a, 2b etc. für die durchgehenden Strahlteile 5_T eine im wesentlichen ähnliche oder identische Konfiguration wie die verwendeten ersten Detektoren 6a, 6d etc., z. B. in dem ersten Detektorpaket 8 oder Paketen, und die reflektierenden Bereiche 3a, 3b etc. für die reflektierten Strahlteile 5_R haben im wesentlichen eine ähnliche oder identische Konfiguration wie die verwendeten zweiten Detektoren 6b, 6c etc., z. B. in dem zweiten Detektorpaket 9 oder Paketen. Es kann einen gewissen Maßstabsunterschied zwischen den Detektorkonfigurationen und den Konfigurationen der Löcher und der reflektierenden Bereiche geben.
Das Stück 11 aus festem Material kann eine separate Platte sein, die an dem Sensorkörper befestigt ist, wie oben beschrieben. Alternativ kann das Stück 11 aus dem festen Material ein integraler Teil eines Sensorkörpers sein, wobei die reflektierende Oberfläche 3 mit ihren reflektierenden Bereichen 3a, 3b, 3c ... und die Löcher 2a, 2b, 2c ... in den metallischen Körper des Sensors eingearbeitet sind und poliert sind, wie dies notwendig ist. Auf jeden Fall ist die nicht-transpa rente, reflektierende Oberfläche 3 eine einzelne Ebene P mit einem Winkel α in Bezug auf den einfallenden Strahlungsstrahl, sodass der (die) reflektierende(n) Bereiche) 5_R in eine transversale Richtung abgelenkt wird. Vorzugsweise haben die reflektierten Teile eine Strahlungsrichtung, z. B. eine optische Achse R_R davon, rechtwinklig oder etwa 90° ± 15° zu der Richtung R_I der einfallenden Strahlung und der Strahlungsrichtung der durchgehenden Strahlung, z. B. deren optische Achse R_T.
Der geometrische Strahlteiler 1 ist räumlich innerhalb des Strahlungsstrahls 4 positioniert transversal – in einer Richtung rechtwinklig zu der Richtung R_I der einfallenden Strahlung – vor einer ersten Gruppierung 8 von Detektoren, oder einem Detektorpaket 8, und longitudinal – in einer Richtung parallel zu der Richtung R_I der einfallenden Strahlung –, um zu einer zweiten lateralen Gruppierung von Detektoren 9 oder einem Detektorpaket 9, das weg von der gesamten Querschnittsfläche A* des Strahlungsstrahls 4 positioniert ist, zu reflektieren. Insbesondere paßt das erste Muster, das durch die Löcher 2a, 2b, 2c ... gebildet ist, mit der ersten Gruppierung 8 zusammen und ist mit dieser ausgerichtet, um jeden der durchgehenden Strahlteile 5_T zu jeweiligen der einzelnen Detektoren in der ersten Gruppierung oder dem ersten Paket durchzulassen. In dem jeweiligen Weg paßt das zweite Muster, das durch die reflektierenden Bereiche 3a, 3b, 3c ... der reflektierenden Oberfläche 3 gebildet ist, mit der zweiten Gruppierung zusammen und ist mit dieser ausgerichtet, um jeden der reflektierten Strahlteile 5_R zu den jeweiligen der einzelnen Detektoren in der zweiten Gruppierung oder dem zweiten Paket abzulenken.
Wie bereits beschrieben, haben das Loch oder die Löcher 2a, 2b, 2c Längen L zumindest gleich dem Durchmesser D1 der Löcher, und die Wände der Löcher bestehen vorzugsweise aus einem metallischen Material, wobei das Loch (die Löcher) als Wellenleiter wirkt(en), um die Richtungen von auf die optischen Band-Pass-Filter 7a, 7d auftreffender Strahlung zu steuern. Dies verstärkt das Signal von den jeweiligen Detektorelementen und kann auch die Möglichkeit eröffnen, störende Umgebungsgase zu verlagern. Vorzugsweise sind die Wände in jedem der Löcher 2a, 2b, 2c ... im wesentlichen parallel und poliert, um (einen) effektivere(n) Wellenleiter für den (die) transversalen Strahlteile) 5_T , der (die) durch das Loch (die Löcher) durchgeht (durchgehen), zu bilden. Es ist möglich, den Strahlteiler aus irgendeinem anderen Material zu fertigen, wie z. B. auch Glas oder einer Keramik, aber es ist komplizierter. Im Prinzip können die Löcher divergierend oder konvergierend sein, aber die Herstellung solch einer Form in der nun betreffenden Größe ist schwierig und teuer. So wird eine extrem robuste Strahlteilerkonstruktion mit integrierten Lichtleitern oder Wellenleitern für den transmittierten/durchgehenden Strahlteil 5_T erreicht.
Wie zuvor angemerkt, kann der Strahlteiler in dieser Erfindung dick sein. Wenn er aus einer Metallplatte gefertigt ist, ist eine Dicke von 0,5–1 mm oder mehr bis zu 1,5 mm oder 2 mm kein Problem und vereinfacht ein Montieren. Der Strahlteiler kann tatsächlich viel dicker sein als in 2 veranschaulicht. Die Löcher sind z. B. direkt in massives Material gebohrt und können als Lichtleiter verwendet werden, wenn die Wände poliert sind. Dies verstärkt das Signal zu den Detektorelementen in dem Paket 8 an dem Ausgabeende der Löcher, weil auch Strahlen bei einem geringfügigen Winkel von der kollimierten Richtung auf die Detektorelemente treffen. In der Praxis ist das Signalniveau für die reflektierten Strahlen etwa das gleiche, weil sich die nutzbare reflektierende Oberfläche tatsächlich in bestimmte Richtungen über die gestrichelte Fläche erstreckt und so auch geringfügig schrägen Strahlen ermöglicht, die Detektorelemente des Pakets 9 zu treffen. Wenn das Material 9 dieses kombinierten Strahlteilers und Lichtleiters das gleiche ist wie dasjenige des Sensorkörpers, ist die Konstruktion sehr starr und thermisch stabil. Es ist sogar möglich, den Strahlteiler direkt in den Sensorkörper einzuarbeiten. Die Spiegeloberfläche des Strahlteilers wie auch die Lichtleiteroberflächen können mit einem hoch reflektierenden Material beschichtet sein, um die Funktion zu verbessern. Aluminium ist ziemlich gut im infraroten Bereich, aber z. B. Gold wäre noch besser. Die Löcher 2a und/oder 2b und/oder 2c etc. oder Lichtleiter können sogar mit einem Material gefüllt sein, das die verwendete Strahlung transmittiert, um Luft mit ihren Verunreinigungen zu entfernen, wie in der Patentveröffentlichung US-6 046 814 der Anmelderin offenbart. Als Beispiel ist es vorteilhaft, den Lichtleiter für einen Detektor zum Messen von Kohlenstoffdioxid mit einem aus Saphir gemachten Stab zu füllen. Der längste Lichtleiter ist für diesen Zweck am besten, so dass so viel störendes Umgebungsgas wie möglich zwischen der Quelle und dem Detektorelement verlagert wird.

Claims

Detektionsanordnung, aufweisend: – eine Strahlungsquelle (10), die einen Strahlungsstrahl (4) mit einer effektiven Gesamtquerschnittsfläche (A*) emittiert; – mindestens einen ersten Detektor (6a) und mindestens einen zweiten Detektor (6b), und – einen geometrischen Strahlteiler (1) bestehend aus einem Stück (11) aus festem Material, mit – mindestens einem Loch (2a) mit einer Länge (Längen) (L), die mindestens gleich dessen Durchmesser (D1) ist, und das sich durch das Stück (11) aus festem Material erstreckt, wobei das Loch (die Löcher) einen unabgelenkten Strahlteil in den ersten Detektor durchlassen, – einer nicht-transparenten, reflektierenden Oberfläche (3) an dem Stück (11) aus festem Material, die einen reflektierten Strahlteil in den zweiten Detektor reflektiert, und – einer Breite (W) und einer Höhe (H), die sich über die effektive Gesamtquerschnittsfläche des Strahlungsstrahls (4), die von den Detektoren benötigt wird, erstrecken; wobei der Strahlungsstrahl (4) von der Strahlungsquelle zu den mindestens zwei Detektoren über den Strahlteiler läuft, so dass dem reflektierten Strahlteil und dem unabgelenkten Strahlteil des Strahlungsstrahls (4) ermöglicht wird, die Detektoren gleichzeitig zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsanordnung aufweist: – zwei oder mehr erste Detektoren (6a, 6d ...) und mindestens einen zweiten Detektor (6b), wobei der Strahlteiler aufweist – zwei oder mehr Löcher (2a, 2b ...), um separate quer durchgehende Strahlteile (5_T ) in die separaten und intrinsisch unabhängigen ersten Detektoren durch zu lassen, und – mindestens eine reflektierende Fläche (3a) der nicht-transparenten, reflektierende Oberfläche, um einen quer reflektierten Strahlteil (5_R ) in den (die) zweiten Detektor (Detektoren) zu lassen; ODER – mindestens einen ersten Detektor (6a) und zwei oder mehr zweite Detektoren (6b, 6c ...), wobei der Strahlteiler aufweist – mindestens ein Loch (2a), um einen quer durchgehenden Strahlteil (5_T ) in den (die) ersten Detektor (Detektoren) durch zu lassen, und – zwei oder mehr reflektierende Flächen (3a, 3b ...) der nicht-transparenten, reflektierenden Oberfläche, um separat quer reflektierte Strahlteile (5_R ) in die separaten und intrinsisch unabhängigen zweiten Detektoren zu lassen; und dass – das die nicht-transparente, reflektierende Oberfläche solche durchgehenden Oberflächenabmessungen (D2) um das mindestens eine Loch herum hat und das Loch (die Löcher) einen solchen Durchmesser (solche Durchmesser) (D1) hat (haben), dass ein Reflektieren und jeweiliges Durchlassen mit im wesentlichen ähnlichen Wellenlängenverteilungen für die Strahlteile (5_T , 5_R ) ermöglicht ist.
Detektionsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stück (11) aus festem Material für den geometrischen Strahlteiler (1) mehrere Löcher (2a, 2b, 2c ...) aufweist, die sich durch das Stück aus festem Material erstre cken, wobei die Löcher mehrere querende Strahlteile (5_T ) in die jeweiligen der mehreren ersten Detektoren 6a, 6b ...) durchlassen.
Detektionsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-transparenten, reflektierenden Oberflächenbereiche (3a, 3b ..) zum Erhalten der reflektierten Strahlteile (5a) sich zumindest zwischen den mindestens zwei Löchern (2a, 2b ...) erstrecken; und dass die reflektierende Oberfläche (3) eine Gesamtreflexionsfläche (A_R) von mindestens 30% der Gesamtfläche (A*) hat, und dass die Löcher eine summierte Transmissionsfläche (A_T) von mindestens 30% der Gesamtfläche (A*) haben.
Detektionsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch (die Löcher) (2a, 2b, 2c ...) zum Erhalten des (der) durchgehenden Strahlteils (Strahlteile) (5_T ) zwischen den reflektierenden Bereichen (3a, 3b, 3c ...) der nicht-transparenten, reflektierenden Oberfläche (3) zum Erhalten der reflektierten Strahlteile (5_R ) angeordnet sind, oder umgekehrt.
Detektionsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das feste Material ein Metall ist; dass das feste Material eine einzelne Platte oder ein durchgehendes Teil eines Vorrichtungskörpers ist; und dass das Stück (11) aus festem Material eine wesentliche Dicke (S) hat, die sich entweder Keil-artig ändert oder im wesentlichen konstant über die Höhe (H) des Strahlteilers ist.
Detektionsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch (die Löcher) (2a, 2b, 2c ...) zum Erhalten des durchgehenden Strahlteils (der durchgehenden Strahlteile) (5_T ) ein erstes Muster bilden, und diejenigen reflektierenden Bereiche (3a, 3b, 3c ...) der nicht-transparenten, reflektierenden Oberfläche (3) zum Erhalten der reflektierten Strahlteile (5_R ) ein zweites Muster bilden; und dass das erste Muster und das zweite Muster so angeordnet sind, dass sie innerhalb der Gesamtfläche (A*) des Strahls oder eines Teils davon liegen, so dass jedes Loch (jedes der Löcher) keinen der Bereiche quert.
Detektionsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Muster im Wesentlichen dieselbe oder eine unterschiedliche Konfiguration wie das zweite Muster hat; und dass das zweite Muster in der Richtung der reflektierenden Oberfläche (3) in Bezug auf das erste Muster versetzt ist oder um eine der optischen Achsen (R_T und/oder R_T) verdreht ist oder das zweite Muster ein Spiegelbild des ersten Musters ist und in der Richtung der reflektierenden Oberfläche (3) in Bezug auf das erste Muster versetzt oder nicht versetzt ist.
Detektionsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Muster einen ersten Mittelpunkt (+) hat und das zweite Muster einen zweiten Mittelpunkt (x) hat und der erste Mittelpunkt und der zweite Mittelpunkt miteinander zusammen fallen (*) oder eine Beabstandung (Q) bezüglich zumindest eines Teils des Durchmessers (D1) des Lochs (der Löcher) (2a, 2b ...) oder der reflektierenden Bereiche (3a, 3b ...) haben.
Detektionsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch (die Löcher) (2a, 2b ..) und die reflektierenden Bereiche (3a, 3b ...) eine kreisförmige oder eine eliptische oder eine quadratische oder eine rechteckige Konfiguration in der Ebene der nicht-transparenten, reflektierenden Oberfläche (3) hat (haben); und dass die nicht-transparente, reflektierende Oberfläche (3) eine einzelne Ebene (P) ist.
Detektionsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Löcher (2a, 2b ...) parallel oder konvergierend oder divergierend in deren Längsrichtung sind.
Detektionsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht-transparente, reflektierende Oberfläche (3) einen Winkel (α) im Bezug auf den Strahlungsstrahl (4) hat und der Winkel wesentlich von 90° abweicht oder der Winkel zwischen 30° und 60° ist oder im Wesentlichen 45° ist.
Detektionsanordnung nach Anspruch 1 oder 7 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der geometrische Strahlteiler (1) räumlich innerhalb des Strahlungsstrahls (4) positioniert ist: transversal vor einer ersten Gruppierung von Detektoren und longitudinal, um zu einer zweiten lateralen Gruppierung von Detek toren zu reflektieren; und dass das erste Muster mit der ersten Gruppierung zusammen paßt und mit dieser ausgerichtet ist, um einen durchgehenden Strahlteil (5_T ) durchzulassen, und das zweite Muster mit der zweiten Gruppierung zusammen paßt und mit dieser ausgerichtet ist, um einen reflektierten Strahlteil (5_R ) abzulenken.
Detektionsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Löcher aus einem metallischen Material bestehen; und dass die Wände des Lochs (der Löcher) (2a, 2b, 2c ...) im wesentlichen parallel sind und poliert sind oder reflektierend sind, um sie derart auszubilden, dass sie als Wellenleiter wirken.
Dektionsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl (N1) von Detektoren (6a, 6b, 6c, 6d ...) größer ist als die Anzahl (N2) der Löcher (2a, 2b, 2c ...).
Detektionsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner mindestens zwei optische Filter (7a, 7b) aufweist, jeder davon zwischen der Strahlungsquelle und einem der Detektoren, wobei der Strahlungsstrahl (4) von der Strahlungsquelle zu den mindestens zwei Detektoren (6a, 6b) durch die jeweiligen optischen Filter läuft.
Detektionsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung ein Sensor ist, der ferner eine Meßkammer (12) aufweist, so dass der Strahlteiler (1) zwischen den Detektoren und der Meßkammer positioniert ist.
Detektionsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch (die Löcher) einen Durchmesser (D1) hat (haben), der die gleiche Größe hat oder größer ist als die einzelnen Detektorelemente, um Strahlung mit annähender Kollimation zu ermöglichen, durch das Loch (die Löcher) in die ersten Detektoren zu verlaufen.