DD284527A5

DD284527A5 - OPTICS FOR AN INSPECTION MEASUREMENT DEVICE AFTER THE INFRARED ABSORPTION PROCESS

Info

Publication number: DD284527A5
Application number: DD32900389A
Authority: DD
Inventors: Werner Krenkel; Reiner Haseloff; Manfred Moser; Ingo Dudeck; Klaus Bobey
Original assignee: Humboldt-Universitaet Zu Berlin,Direktorat F. Forschung,Dd
Priority date: 1989-05-29
Filing date: 1989-05-29
Publication date: 1990-11-14

Abstract

Die Erfindung bezweckt die Bereitstellung einer leistungsfaehigen und wirtschaftlichen Optik fuer eine Einrichtung zur Immissionsmessung nach dem Infrarotabsorptionsverfahren, die bei einem Minimum von Sendestrahlverlusten und zusaetzlichen Empfangsverlusten bei Trassenlaengen im Bereich von 100 m eine einfache Justierung der Strahlenfuehrung gewaehrleistet. Als Loesung ist nunmehr vorgesehen, dasz auf einer gemeinsamen Wirkungslinie hinter einer den von einem Halbleiterlaser ausgesendeten Laserstrahl buendelnden Linse in diesem Bereich des Sendeortes nachfolgend ein zentral durchbohrter Hohlspiegel und ein zur gemeinsamen Wirkungslinie geneigter, in Laserstrahlrichtung durchbohrter Planspiegel vorgesehen sind, wobei diese Bohrungen in den Spiegeln koaxial zur gemeinsamen Wirkungslinie angeordnet sind, und das vom Retrospiegel am Ende der Mesztrasse zum Hohlspiegel zuruecklaufende Strahlenbuendel auf den Planspiegel reflektierbar und von diesem auf einen Detektor auszerhalb der die Trasse durchlaufenden Strahlenbuendel fokussierbar ist. Fig. 1{Immissionsmessung; offene Mesztrasse; Halbleiterlaser; Justieraufwand; Strahlungsverluste}The invention aims to provide a powerful and economical optics for a device for immission measurement according to the infrared absorption method, which ensures a simple adjustment of the Strahlenfuehrung with a minimum of transmission beam losses and additional reception losses at line lengths in the range of 100 m. As a solution, it is now envisaged that a centrally drilled concave mirror and a plane line inclined toward the common line of action, which is bored in the direction of the laser beam, are provided on a common line of action behind a lens curving the laser beam from a semiconductor laser in this region of the transmission location Mirrors are arranged coaxially to the common line of action, and the ray mirror returning from the retro mirror at the end of the mesa to the concave mirror can be reflected onto the plane mirror and focused by the latter onto a detector outside the beam band passing through the line. Fig. 1 {immission measurement; open mash ground; Semiconductor laser; adjustment effort; Radiation losses}

Description

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Field of application of the invention

Die Erfindung kannn vorteilhaft bei der Immissionsmessung über lange Meßtrassen (> 100m) angewendet werden. Die Erfindung ermöglichtes, Schadstoffe in der Atmosphäre nach ihrer Art, wie Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid u.a. und Konzentration zu erfassen.The invention can advantageously be used in the measurement of immissions over long measuring paths (> 100 m). The invention allows pollutants in the atmosphere of their kind, such as carbon monoxide, sulfur dioxide, and the like. and to capture concentration.

Characteristic of the known state of the art

Zur Erzeugung einer Infrarotstrahlung charakteristischer Wellenlänge ist es bereits bekannt, Halbleiterlaser einzusetzen. Hierbei wird die vom Halbleiterlaser ausgesendete Strahlung zu einem parallelen bis schwach divergenten Strahlenbündel geformt, über eine Meßtrasse geleitet und nach Retroreflexion mittels eines aus einem Tripelspiegel gebildeten Rückstrahlers im Bereich des Sendeortes wieder empfangen, auf ein als Detektor ausgebildetes Fotoelement fokussiert und meßtechnisch ausgewertet. Die bisher bekannten Lösungen erlauben zwar auch selektive und quantitative Messungen der Konzentration des nachzuweisenden Molekülgases, sie benötigen hierfür al ,r mehrere Spiegel und/oder Linsen. Da die im Infrarotbereich zu verwendenden Materialien sehr teuer sind, ergibt sich daraus für die optischen Bauelemente eine erhebliche Kostenerhöhung. Darüber hinaus wirkt sich eine relativ große Bauelementeanzahl erschwerend auf die Justierbarkeit der Einrichtung aus. So ist nach der JP-PS 58-198746 eine Einrichtung zur Spektralanalyse bekannt, bei der der Detektor und auch der Laser in einem gemeinsamen Gehäuse, z. B. einem Kryostaten, angeordnet sind. Der Strahlenverlauf ist jedoch hierbei mit relativ hohen Verlusten verbunden, weil der hinlaufende und der rücklaufende Strahl jeweils ein und dieselbe Linse, welche im Bereich des Sendeortes zwischen Laser und Empfänger angeordnet ist, durchlaufen muß und für beide Strahlen diese Linse nicht optimal eingestellt werden kann (Komaeffekt). Da auch der im Strahlengang der Linse nachgeordnete Spiegel für den hinlaufenden Strahl maßgebend ist, tritt hier ein weiterer Verlust an Strahlungsleistung auf.For generating an infrared radiation characteristic wavelength, it is already known to use semiconductor lasers. In this case, the emitted radiation from the semiconductor laser is formed into a parallel to slightly divergent beam, passed through a measuring path and received after retroreflection by means of a retroreflector formed by a retroreflector in the transmission location, focused on a trained as a detector photoelement and evaluated by measurement. Although the previously known solutions also allow selective and quantitative measurements of the concentration of the molecular gas to be detected, they require al, r several mirrors and / or lenses. Since the materials to be used in the infrared range are very expensive, this results in a considerable cost increase for the optical components. In addition, a relatively large number of components aggravates the adjustability of the device. Thus, according to JP-PS 58-198746 a device for spectral analysis is known in which the detector and the laser in a common housing, for. B. a cryostat, are arranged. However, the beam path is associated here with relatively high losses, because the outgoing and the returning beam each have to pass through one and the same lens which is arranged in the region of the transmission location between laser and receiver and for both beams this lens can not be optimally adjusted ( coma effect). Since the level downstream of the lens in the beam path is also decisive for the outgoing beam, a further loss of radiant power occurs here.

Für kurze Meßstrecken wirken sich die Nachteile dieses einfachen und Kompakten Aufbaus nach der JP-PS 58-198746 nicht so stark aus, weil ein noch ausreichend starker Detektorsignal zur Verfügung steht, und demzufolge keine optimale Justierung angestrebt werden muß. Bei größeren Entfernungen, z. B. 100 m, vorsagt diese Lösung. So nimmt bei größeren Trassenlängen das verfügbare Detektorsignal schnell ab. Ein Ausgleich wäre durch entsprechende Sendeleistungserhöhung möglich. Da sehr große Sendeleistung sich bei der Messung wiederum störend bemerkbar macht-trotz umfangreicher Abschirmmaßnahmen erfolgt dennoch eine ungewollte Einstrahlung auf den Detektor - ist dieser Weg nicht gangbar.For short measuring distances, the disadvantages of this simple and compact structure according to JP-PS 58-198746 do not affect so much because a still sufficiently strong detector signal is available, and consequently no optimal adjustment must be sought. For larger distances, z. B. 100 m, this solution predicts. Thus, with larger line lengths, the available detector signal decreases rapidly. A compensation would be possible by appropriate transmission power increase. Since very large transmission power is again disturbing in the measurement - despite extensive shielding takes place nevertheless an unwanted radiation to the detector - this way is not feasible.

Die Verringerung des Justieraufwandes für die Strahlenführung bei Gasdetektoren besitzt einen hohen Stellenwert. Hierzu ist es nach der JP-PS 58-213237 bekannt, automatisch eine Verringerung eines normalerweise bleibenden Justierfehlers durch das zusätzliche Einbringen von zwei keilförmigen Platten in den optischen Strahlengang vorzunehmen. Dazu ist eine drehbare Lagerung für die beiden Keilplatten vorgesehen. Um die Funktionssicherheit dieser Lösung zu gewährleisten, ist eine feinmechanische, anspruchsvolle Lagerung unabdingbar. Nachteilig bei dieser Lösung ist somit, daß cie Teilprobleme derThe reduction of the adjustment effort for the beam guidance in gas detectors has a high priority. For this purpose, it is known from JP-PS 58-213237, automatically make a reduction of a normally remaining adjustment error by the additional introduction of two wedge-shaped plates in the optical beam path. For this purpose, a rotatable mounting for the two wedge plates is provided. In order to ensure the functional safety of this solution, a fine-mechanical, sophisticated storage is indispensable. The disadvantage of this solution is thus that cie partial problems of

Justierung in den feinmechanischen Bereich verlegt werden. Darüber hinaus haben die rotierenden Keilplatten relativ große Transmissions· und Reflektionsverlustezur Folge. Die rotierenden Platten bewirken eine Strahlverbreiterung, so daß der optimale Justierfall in der Menge der möglichen Justierzustände enthalten ist. Eine Strahlflächenvergrößerung steht einer verlustarmen Konstruktion entgegen, da damit auch das Loch irr den Keilplatten nachgeordneten Hohlspiegel größer sein muß und die effektive Hohlspiegelfläche wesentlich das Detektorsignal bestimmt. Sie sollte daher so groß wie möglich sein.Adjustment be moved to the fine mechanical area. In addition, the rotating wedge plates result in relatively large transmission and reflection losses. The rotating plates cause a beam broadening, so that the optimum Justierfall is included in the set of possible calibration states. A beam area enlargement precludes a low-loss construction, since with it the hole for the concave mirror arranged downstream of the wedge plates must be larger and the effective concave mirror surface essentially determines the detector signal. It should therefore be as big as possible.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung einer leistungsfähigen und wirtschaftlichen Optik für eine Einrichtung zur Immiüsionsmessung nach dem Infrarotabsorptior.sverfahren.The aim of the invention is to provide a powerful and economical optics for a device for immission measurement according to the infrared absorption method.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgaba zugrunde, eine Optik für eine Einrichtung zur Immissionsmessung nach dem Infrarotabsorptionsverfahren zu schaffen, die bei einem Minimum von Sendestrahlverlusten und zusätzlichen Empfangsverlusten bei Trassenlängen im Bereich von 100m eine relativ einfache Justierung der Strahlenführung gewährleistet. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nunmehr dadurch gelöst, daß auf einer gemeinsamen Wirkungslinie hinter einer den von einem Halbleiterlaser ausgesendeten Laserstrahl bündelnden Linse in diesem Bereich des Sendeortes nachfolgend ein zentral durchbohrter Hohlspiegel und ein zur gemeinsamen Wirkungslinie geneigter, in Laserstrahlrichtung durchbohrter Planspiegel vorgesehen sind, wobei diese Bohrungen in den Spiegeln koaxial zur gemeinsamen Wirkungslinie angeordnet sind, und das vom Retrospiegel am Ende der Meßtrasse zum Hohlspiegel zurücklaufende Strahlenbündel auf den geneigten PlanspiegelThe invention is based on the object of providing an optics for a device for immission measurement according to the infrared absorption method, which ensures a relatively simple adjustment of the beam guidance with a minimum of transmission beam losses and additional reception losses for line lengths in the region of 100 m. According to the invention, the object is now achieved in that a centrally perforated concave mirror and a plane inclined to the common line of action, bored in the laser beam direction plane mirror are provided on a common line of action behind a laser beam emitted from a semiconductor laser beam lens in this region of the transmission location below, these holes are arranged coaxially to the common line of action in the mirrors, and the beam traveling back from the retro mirror at the end of the measuring line to the concave mirror on the inclined plane mirror

In the scope of the invention, the concave mirror may be formed as a parabolic mirror or as a spherical mirror. In the context of the invention is also when the diameter of the bore in the concave mirror and the plane mirror slightly larger than that

jeweilige Durchmesser des zum Rotrospiegel hinlaufenden Laserstrahlenbündels >n diesen Bereichen ist, um eine Ausblendungvon Strahlanteilen in diesen Bereich auszuschließen.respective diameters of the laser beam traveling towards the rotor mirror is> n these areas in order to preclude masking of beam portions in this area.

If, in a further embodiment of the invention, a transmission and transmission is carried out simultaneously, i. simultaneously

auch der zeitliche Laserleistungsverouf beurteilt werden, ist es zv τ ckmäßig, den Durchmesser der Bohrung im Planspiegeletwas kleiner als den Durchmesser des zum Retrospiegel gerichteten Laserstrahlbündels in diesem Bereich zu wählen, so daß eingeringfügiger Anteil des Laserstrahlenbündels auf den Planspiegel trifft und dieser Anteil ohne Trassenbeteiligung zur Bildungeines Referenzsignals auf einen weiteren Detektor, welcher in Reflexionsrichtung des Planspiegels neben dem bereits obengenannten angeordnet ist, abgebildet werden kann.Also, the temporal Laserleistungsverouf be judged, it is zv τ ckmäßig to choose the diameter of the hole in the plane mirror slightly smaller than the diameter of the retro mirror directed laser beam in this area, so that a small proportion of the laser beam is incident on the plane mirror and this share without train participation to Forming a reference signal to another detector, which is arranged in the reflection direction of the plane mirror next to the already mentioned above, can be mapped.

Advantageously, the laser beam bundling lens between the semiconductor laser and concave mirror is antireflexbeschichtet and

weist einen Transmissionswert größer 95% auf.has a transmission value greater than 95%.

embodiment The invention sol! Below are explained in more detail in two embodiments. In the accompanying drawings show

Fig. 1: eine schematische Darstellung des Strahlenverlaufes innerhalb der erfindungsgemäßen Optik vom Laser zum Detektor; Fig. 2: eine Darstellung gemäß Fig. 1 mit einem zusätzlichen Detektor zur Bildung eines Referenzsignals.1: a schematic representation of the beam path within the optical system according to the invention from the laser to the detector; 2 shows an illustration according to FIG. 1 with an additional detector for forming a reference signal.

Bei den in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Optiksind alle optischen Bauelemente in einer gemeinsamen Wirkungslinie angeordnet.In the embodiments of the optical system according to the invention shown in FIGS. 1 and 2, all the optical components are arranged in a common line of action.

Ein z. B. mittels eines Bleisalzlasers 1 erzeugter gepulster Laserstrahl 2 wird auf einen Retroreflektor 3 durch eine für diese Strahlung durchlässige antireflexbeschichtete Linse 4 abgebildet. Die längs des Strahlenverlaufs noch im Bereich des Sendeortes angeordneten Spiegel 5,6 weisen zentral jeweils eine Bohrung auf, wobei der Durchmesser der Bohrungen in den Spiegeln 5,6 etwas größer als der Durchmesser des Strahlenbündelquerschnittes in diesen Bereichen ist, so daß eine Ausblendung von Strahlanteilen des auf den Retrospiegel 3 gerichteten Laserstrahls 2 in diesen Bereichen ausgeschlossen ist. Der der Linse 4 nachgeordnete Spiegel 5 ist als Hohlspiegel und der dem Hohlspiegel nachgeordnete Spiegel 6 als Planspiegel ausgebildet. Dabei ist der Durchmesser der Bohrung im zur Wirkungslinie geneigten Planspiegel in der Projektionsfläche senkrecht zur Wirkungslinie kleine als der vom Hohlspiegel auf dem Planspiegel abbildbare „tote Bereich". Das vom Retrospiegel 3 rücklaufende Strahlenbündel 7 trifft ohne wesentlichen Verlust den als Hohlspiegel ausgebildeten Spiegel 5, der das rücklaufende Strahlenbündel 7 auf den geneigten Spiegel 6 reflektiert, welcher wiederum das Strahlenbündel 7 auf einen Detektor 8 außerhalb des rücklaufenden Strahlenbündels 7 mit nachgeschalteter Meßauswerteeinrichtung (nicht dargestellt) umlenkt.A z. B. generated by means of a lead salt laser 1 pulsed laser beam 2 is imaged on a retroreflector 3 by a transmissive for this radiation antireflection coated lens 4. The mirrors 5, 6 which are arranged along the beam path still in the region of the transmission location have a bore in each case centrally, wherein the diameter of the bores in the mirrors 5, 6 is slightly larger than the diameter of the beam cross section in these regions, so that beam portions are masked out of the directed to the retro mirror 3 laser beam 2 is excluded in these areas. The mirror 4 arranged downstream of the lens 4 is designed as a concave mirror and the mirror 6 arranged downstream of the concave mirror is designed as a plane mirror. The diameter of the bore in the plane of the plane inclined toward the line of action in the projection surface perpendicular to the line of action is smaller than the "dead zone" imaged by the concave mirror on the flat mirror The beam 7 returning from the retro mirror 3 strikes the mirror 5, designed as a concave mirror, without significant loss reflects the returning beam 7 on the inclined mirror 6, which in turn deflects the beam 7 to a detector 8 outside the returning beam 7 with downstream Meßauswerteeinrichtung (not shown).

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist neben dem Detektor 8 ein weiterer Detektor 9 angeordnet. Dieser Detektor 9 empfängt einen schwachen Strahlenanteil ohne Trassenbeteiligung und übt eine Referenzfunktion aus, wobei er in erster Linie der Beurteilung des zeitlichen Laserleistungsverlaufes dient. Hierzu ist die Bohrung im Planspiegel, der den Hauptanteil der direkten zum Retrospiegel 3 hinlaufenden Strahlung nicht beeinflussen soll, so in ihrem Durchmesser gewählt, daß der um die Bohrung liegende Randbereich des Planspiegels in den Randbereich des Strahlenbündels des Laserstrahls 2 leicht eintaucht und so ein kleiner Anteil der direkten Strahlung abgezweigt ι nd zum Detektor 9 umgelenkt wird. Der Detektor 9 liefert in diesem Fall ein Referenzsignal.In the embodiment shown in FIG. 2, a further detector 9 is arranged next to the detector 8. This detector 9 receives a weak beam component without train sharing and performs a reference function, wherein it serves primarily to assess the temporal laser power curve. For this purpose, the hole in the plane mirror, which is not intended to influence the majority of direct to the retro mirror 3 radiation, so selected in diameter that the edge region lying around the bore of the plane mirror in the edge region of the beam of the laser beam 2 is slightly immersed and so a smaller Part of the direct radiation is branched off and deflected to the detector 9. The detector 9 provides a reference signal in this case.

Claims

1. üptikfür a device for measuring immission by the infrared absorption method along a measuring path of about 100m by means of a measuring line passing and retroreflected laser beam, characterized in that on a common line of action behind a lens of a semiconductor laser (1) emitted laser beam (2) focusing lens ( 4) in this region of the transmission location, a centrally drilled concave mirror and a plane of action inclined to the laser beam bored plane mirror are provided below, these bores in the mirrors (5, 6) are arranged coaxially to the common line of action, and the retro mirror (3 ) at the end of the measuring path to the concave mirror returning beam (7) on the inclined plane mirror reflected and from this to a detector (8) outside of the line passing through the beam can be focused.

2. Optics according to claim 1, characterized in that the concave mirror is formed as a parabolic mirror.

3. Optics according to claim 1, characterized in that the concave mirror is formed as a spherical mirror.

4. Optics according to claim 1 to 3, characterized in that the diameter of the bore in the concave mirror and the plane mirror is slightly larger than the respective diameter of the retro mirror (3) running laser beam in these areas.

5. Optics according to claim 1 to 4, characterized in that the diameter of the bore in the plane mirror is slightly smaller than the diameter of the retro mirror (3) directed laser beam in this area and neb9n the detector (8) in the reflection direction of the plane mirror another detector (9) is provided.

6. Optics according to claim 1, characterized in that the lens (4) is antireflex-coated and has a transmission value greater than 95%.