DE19631689A1

DE19631689A1 - Mehrfachreflexions-Probenzelle

Info

Publication number: DE19631689A1
Application number: DE19631689A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Uno; Mutsumi Nagumo; Hideyuki Tanaka
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1995-08-07
Filing date: 1996-08-06
Publication date: 1997-02-13
Also published as: JPH0949793A; JP3228080B2; US5726752A

Description

Hintergrund der Erfindung Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mehrfachreflexions-Probenzelle, die in Gasanalysato ren, z. B. einem Infrarot-Gasanalysator, verwendet wird, und genauer auf eine Mehrfachre flexions-Probenzelle, in welcher ein langer optischer Pfad auf einem begrenzten Raum erzielt wird.

Beschreibung der zugehörigen Technik

Ein Analysator, z. B. ein nicht-streuender Gasanalysa tor, verwendet einen Detektor, der in einem Absorp tions-Wellenlängenbereich einer bestimmten zu analy sierenden Gaskomponente empfindlich ist. Der nicht streuende Gasanalysator ist in chemischen oder indu striellen Prozessen zur kontinuierlichen Messung von Konzentrationen der bestimmten Komponente weit ver breitet. Um beständige Messungen mit dem nicht streuenden Gasanalysator zu erleichtern, sollte die optische Dichte, die das Produkt aus dem Absorptions koeffizienten und der Konzentration der zu analysie renden Komponente einerseits und der Länge des opti schen Pfads der Probenwelle andererseits ist, in einem geeigneten Bereich liegen. Wenn die Konzentration der zu analysierenden Komponente extrem gering ist, sollte der optische Pfad der Probenzelle lang genug sein, um die optische Dichte in den geeigneten Bereich zu brin gen. Die Länge des optischen Pfads verhindert jedoch, daß der Gasanalysator so klein wie möglich und prakti scher wird.

Eine Probenzelle mit einem langen optischen Pfad wird verwendet, um die Komponente mit der geringen Konzen tration zu erfassen und zu messen, indem ein Wellen längenbereich abgetastet wird, fair den die Komponente in einem Infrarot-Spektrophotometer oder ähnlichem, das mit einer spektroskopischen Funktion versehen ist und meistens für Tests oder in der Forschung verwendet wird, eine Lichtabsorption aufweist. Um einen langen Pfad auf einem begrenzten Raum des Spektrophotometers zu erzielen, wurde von J.U. White eine Mehrfachrefle xions-Probenzelle 10 vorgeschlagen, wie in Fig. 1A bis 1D dargestellt (nachfolgend als White-Zelle bezeich net). Die White-Zelle 10 verwendet mehrere Reflexionen zwischen drei Konkavspiegeln mit derselben Krümmung.

Betrieb und Prinzip der White-Zelle 10 sind detail liert in den folgenden Unterlagen 1) bis 3) beschrie ben. Prinzip und Aufbau der White-Zelle 10 werden nachfolgend kurz besprochen, um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern.

1) J.U. White, J. Opt. Soc. Am., Bd. 32, g. 285 (1942)
2) J.U. White, N.L. Alpert, A.D. DeBell, J. Opt. Soc. Am., Bd. 45, S. 154 (1955)
3) P. Hannon, Opt. Engineering, Bd. 28, S. 1180 (1989)

In Fig. 1A haben drei Konkavspiegel, nämlich der zen trale Konkavspiegel 12, der Eintritts-Fokussierspiegel 14 und der Austritts-Fokussierspiegel 16, denselben Krümmungsradius R. Fig. 1B und 1C zeigen Vorderan sichten des zentralen Konkavspiegels 12 und der Fokus sierspiegel 14 bzw. 16. Der zentrale Konkavspiegel 12 und die Fokussierspiegel 14 und 16 sind so angeordnet, daß ihre Reflexionsebenen, die sich gegenüberliegen, den Abstand des Krümmungsradius R zueinander haben. Ein Licht-Eintrittsfenster 18, das aus einem Schlitz oder einem kleinen Loch besteht, ist so angeordnet, daß es einen Lichtstrahl in eine White-Zelle 10 lei tet. Der Eintritts-Fokussierspiegel 14, der dem Fen ster 18 gegenüberliegt, fokussiert ein Bild vom Licht-Eintrittsfenster 18 auf die Reflexionsebene des zen tralen Konkavspiegels 12, der neben dem Fenster 18 angeordnet ist. Der Austritts-Fokussierspiegel 16 fo kussiert das Bild, das auf dem zentralen Konkavspiegel 12 gebildet wird, wieder auf den zentralen Konkavspie gel 12.

Nach der oben beschriebenen Anordnung von Konkavspie geln wird ein Lichtstrahl, der durch das Licht-Eintrittsfenster 18 einfällt, vom Eintritts-Fokussier spiegel 14 auf den zentralen Konkavspiegel 12 und dann wieder auf den Austritts-Fokussierspiegel 16 reflek tiert, der wiederum den Lichtstrahl auf den zentralen Fokussierspiegel 12 reflektiert. Auf diese Weise springt der einfallende Lichtstrahl zwischen dem zen tralen Konkavspiegel 12 und den Fokussierspiegeln 14 und 16 durch die Punkte a bis g, die auch Bilder des Licht-Eintrittsfensters 18 auf dem zentralen Konkav spiegel 12 zeigen, wie in Fig. 1B dargestellt, hin und her und tritt schließlich durch ein Licht-Austritts fenster 20 aus der White-Zelle 10 aus.

Beim Einbau einer White-Zelle 10 mit einem großen Vo lumen auf einem zum Einbau einer Probenzelle vorgese henen Teil eines Infrarot-Spektrophotometers oder ähn lichem wird ein Führungsspiegel 22 für einfallendes Licht auf einem Meß-Lichtpfad OL des Infra rot-Spektrophotometers zur Ablenkung des Lichtstrahls, der auf dem Lichtpfad OL zum Licht-Eintrittsfenster 18 geht, wie in Fig. 1A dargestellt, angeordnet. Ein Füh rungsspiegel 24 für austretendes Licht ist ebenfalls auf dem Lichtpfad OL angeordnet, um einen austretenden Lichtstrahl vom Licht-Austrittsfenster 20 der White-Zelle zurück auf den Lichtpfad OL des Spektrophotome ters zu lenken. Durch Verwendung eines Konkavspiegels oder einer Linse (in der Figur nicht abgebildet) wird der von einer Lichtquelle (die ebenfalls in der Figur nicht abgebildet ist) abgegebene Lichtstrahl auf das Licht-Eintrittsfenster 18 versammelt. Dadurch wirkt das Fenster 18 als Lichtquelle in der White-Zelle 10.

Optische Formeln, die für den obigen Aufbau der White-Zelle 10 gelten, werden kurz mit Bezugszeichen, die in Fig. 1D beschrieben sind, erläutert. Die folgende For mel (1) zur Ausbildung eines Bilds gilt auf der Grund lage des Prinzips geometrischer Optik zwischen einem Gegenstand neben einer optischen Achse, für den die Aberration eines Konkavspiegels mit einem Krümmungsra dius R vernachlässigt werden kann, und seinem Bild.

1/A+1/B = 2/R = 1/F (1)

Hier stellt "A" den Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Konkavspiegels und einem Punkt des Gegenstands dar, "B" den Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Kon kavspiegels und einem Bildpunkt, "R" den Krümmungsra dius des Konkavspiegels und "F" die Brennweite des Konkavspiegels, die R/2 entspricht.

Wenn der Abstand A dem Krümmungsradius R des Konkav spiegels entspricht, entspricht der Abstand B eben falls R, und ein Bild an einem Punkt des Gegenstands wird auf einen Punkt fokussiert, der in bezug auf die optische Achse des Konkavspiegels symmetrisch ist.

Da das Licht-Eintrittsfenster 18 in einem gleichen Abstand zum Krümmungsradius R des Eintritts-Fokussier spiegels 14 von der Reflexionsebene des Ein tritts-Fokussierspiegels 14, die diesem gegenüberliegt, an geordnet ist, wird das Bild am Licht-Eintrittsfenster 18 auf einer Position fokussiert, die einen gleichen Abstand zum Krümmungsradius R hat, d. h. auf der Refle xionsebene des zentralen Konkavspiegels 12 liegt. Au ßerdem wird das Bild am Fenster 18, das auf den zen tralen Konkavspiegel 16 fokussiert wird, dann vom Aus tritts-Fokussierspiegel 16 wieder auf eine Position des zentralen Konkavspiegels 12 fokussiert, die durch die Anordnung des Austritts-Fokussierspiegels 16 be stimmt wird.

Indem die oben beschriebenen Prozesse wiederholt wer den, tritt der durch das Licht-Eintrittsfenster 18 einfallende Lichtstrahl durch das Licht-Austrittsfen ster 20 aus der White-Zelle 10 aus, nachdem er eine Mehrzahl von Bildern a bis g des Licht-Eintrittsfen sters 18 gebildet hat, die abhängig von einem Abstand D zwischen den Krümmungsmittelpunkten C14 des Ein tritts-Fokussierspiegels 14 und C16 des Aus tritts-Fokussierspiegels 16 angeordnet sind. Wenn man die Anzahl der Pfade des Lichtstrahls in der White-Zelle 10 "n" nennt, ist die Anzahl der Reflexionen "n-1", und es gelten die folgenden Gleichungen (2) und (3):

R = L/n (2)
H = nD/4 (3)

Hier ist "R" der Krümmungsradius vom Ein tritts-Konkavspiegel, dem zentralen Konkavspiegel und dem Austritts-Konkavspiegel (12, 14 bzw. 16), "L" ist eine erforderliche Länge des optischen Pfads, "H" der Ab stand zwischen den Mittelpunkten des zentralen Konkav spiegels 16 und dem Licht-Eintrittsfenster 18, und "D" der Abstand zwischen den Krümmungsmittelpunkten C14 und C16 der Ein- und Austritts-Fokussierspiegel 14 bzw. 16. Am zentralen Konkavspiegel sind n/2-1 Bild stücke des Licht-Eintrittsfensters 18 mit einem Ab stand D dazwischen ausgerichtet. Der Abstand W zwi schen dem Licht-Ein- und -Austrittsfenster 18 bzw. 20 wird durch folgende Gleichung (4) angegeben:

W = nD/2 (4)

Da das oben beschriebene Verhältnis gilt, ist das Licht-Austrittsfenster 20 in bezug auf den zentralen Reflexionsspiegel 21 symmetrisch zum Licht-Eintritts fenster 18 angeordnet, wenn die Anzahl der Pfade auf ein Vielfaches von 4 eingestellt ist.

Da die Anzahl der Pfade n in Fig. 1A auf 16 einge stellt ist, fokussiert der einfallende Lichtstrahl aus dem Licht-Eintrittsfenster 18, das als Lichtquelle wirkt, mit 15 Reflexionen sieben Bilder a bis g des Fensters 18 auf den zentralen Konkavspiegel 12. Schließlich fokussiert der einfallende Lichtstrahl das Bild des Licht-Eintrittsfensters 18 auf das Licht-Austrittsfenster 22 und kehrt zum optischen Meßpfad OL des Spektrophotometers außerhalb der White-Zelle 10 zurück.

Obwohl durch Einstellen einer großen Anzahl von Refle xionen ein langer optischer Pfad erreicht wird, ist es erforderlich, jeden der präzise hergestellten Konkav spiegel präzise auf der vorbestimmten Position mit einer vorbestimmten Ausrichtung anzuordnen, so daß der in die White-Zelle einfallende Lichtstrahl richtig und beständig nach der vorbestimmten Anzahl von Reflexio nen aus der White-Zelle abgegeben werden kann. Um dies in der konventionellen White-Zelle, die in den Proben zellteil des Spektrophotometers zur Erfassung einer Spurenkomponente in einer zu analysierenden Probe ein gebaut wurde, zu vereinfachen, werden der Ein- und der -Austritts-Konkavspiegel 14 bzw. 16, die auf entspre chende Feineinstellungsmechanismen 26 zur Einstellung der entsprechenden Positionen und ihrer optischen Ach senausrichtungen montiert sind, in einem Endteil eines zylindrischen Gefäßes 28 angeordnet. An dem Gefäß 28 befindet sich ein Probenhahn 30 zur Zufuhr einer zu analysierenden Probe. Nachdem die optischen Ausrich tungen der Konkavspiegel eingestellt und fixiert wur den, wird das Gefäß 28 luftdicht mit einem Deckel 32 abgedichtet, so daß eine White-Zelle entsteht.

Da der Aufbau der konventionellen White-Zelle für Test- und Forschungs-Spektrophotometer entwickelt wur de, um eine Länge des optische Pfads zu gewährleisten, die 100 m durch viele Reflexionen übertrifft, ist die Feineinstellung des optischen Systems erforderlich. Da es erforderlich ist, einen Aufbau zu wählen, der die Anordnung der Konkavspiegel, die auf die entsprechen den Einstellmechanismen montiert werden, erleichtert, wird die Probenzelle unweigerlich sperrig und hat in nen einen großen toten Raum.

Andererseits beträgt die erforderliche Länge des opti schen Pfads ca. 1 m in der Probenzelle des nicht streuenden Infrarot-Gasanalysators zur Messung einer Komponente in geringer Konzentration. Die Probenzelle des nicht-streuenden Infrarot-Gasanalysators sollte klein genug sein und darin so wenig totem Raum wie möglich haben, so daß das Gas schnell ersetzt werden kann und eine schnelle Analyseantwort erhalten wird. Daher ist es unmöglich, den Aufbau der konventionellen White-Zelle zu verwenden, ohne ihn für die nicht streuenden Gasanalysatoren zur Messung einer Komponen te in geringer Konzentration zu modifizieren.

Zusammenfassung der Erfindung

Angesichts des oben Gesagten ist es ein Ziel der Er findung, eine kleine Mehrfachreflexions-Probenzelle mit so wenig totem Raum darin wie möglich vorzusehen, die leicht herzustellen und vorteilhaft in Infra rot-Gasanalysatoren und ähnlichen zu verwenden ist.

Eine erfindungsgemäße Mehrfachreflexions-Probenzelle, in der einfallendes Licht mehrmals reflektiert wird, dient zur Analyse einer Probe von beispielsweise Gas, das in die Probenzelle injiziert wird. Die Probenzelle weist folgendes auf: eine Spiegelplatte mit einem Licht-Eintrittsfenster zur Einleitung des einfallenden Lichts in die Probenzelle, einem ersten Konkavspiegel, sowie einem Licht-Austrittsfenster zur Abgabe des ein fallenden Lichts aus der Probenzelle; eine Seitenplat te mit einem zweiten Konkavspiegel zur Reflexion des einfallenden Lichts auf den ersten Konkavspiegel, so wie einem dritten Konkavspiegel zur Reflexion des ein fallenden Lichts, das vom ersten und zweiten Konkav spiegel reflektiert wird, auf das Licht-Austritts fenster; sowie einen Rahmen zur Fixierung der Spiegel platte und der Seitenplatte, so daß die Abstände zwi schen dem ersten Konkavspiegel und dem zweiten und dritten Konkavspiegel auf einen vorbestimmten Abstand fixiert werden.

Der vorbestimmte Abstand entspricht dem Krümmungsradi us des ersten, zweiten und dritten Konkavspiegels, der zweite Konkavspiegel fokussiert ein Bild des Licht-Eintrittsfensters auf den ersten Konkavspiegel, und der dritte Konkavspiegel fokussiert ein auf den ersten Konkavspiegel fokussiertes Bild auf das Licht-Aus trittsfenster.

Der zweite und der dritte Konkavspiegel können mit der Seitenplatte in einem Teil ausgebildet sein. Der Rah men kann den Bereich des einfallenden Lichts in der Probenzelle unmittelbar umhüllen. Die Spiegelplatte, die Seitenplatte und/oder der Rahmen können aus Alumi nium oder Aluminiumlegierung bestehen. Eine Chrom(Cr)- Schicht, eine Siliziumdioxid (SiO₂) -Schicht und eine Gold(Au)-Schicht können in dieser Reihenfolge auf ei ner Innenwand der Probenzelle ausgebildet sein.

Die Spiegelplatte, die Seitenplatte und der Rahmen können Nachbildungen sein, die mit einer Preßform du pliziert wurden, und wenigstens zwei Elemente aus der Gruppe Spiegelplatte, Seitenplatte und Rahmen können in einem Stück ausgebildet sein.

Das Licht-Eintrittsfenster und das Licht-Austrittsfen ster können ein transparentes Substrat und eine trans parente Schicht, die auf dem transparenten Substrat ausgebildet ist, aufweisen, wobei sich die Brechungs zahlen des transparenten Substrats und der transparen ten Schicht voneinander unterscheiden und das transpa rente Substrat und die transparente Schicht entweder als optischer Bandpaßfilter, als optischer Tiefpaßfil ter oder als optischer Hochpaßfilter wirken.

Das Licht-Eintrittsfenster und das Licht-Austrittsfen ster können eine Vielzahl transparenter Schichten mit unterschiedlichen Brechungszahlen aufweisen, die ent weder als optischer Bandpaßfilter, als optischer Tief paßfilter oder als optischer Hochpaßfilter wirken.

Die Spiegelplatte kann aus einem Material bestehen, das in bezug auf die für eine Analyse der Probe ver wendeten Lichtwellenlängen transparent ist, und eine Schicht aus einem Material mit entweder einem hohen Reflexionsvermögen oder einer hohen Brechungszahl kann auf einem Teil der Spiegelplatte ausgebildet sein, der dem ersten Konkavspiegel entspricht. In diesem Fall kann die Probenzelle außerdem einen Antireflexionsfilm mit einer kleineren Brechungszahl als die Spiegelplat te aufweisen, der auf einem Teil der Spiegelplatte ausgebildet ist, der dem Licht-Eintrittsfenster oder dem Licht-Austrittsfenster entspricht.

Die Probenzelle kann außerdem eine transparente Schicht aufweisen, die auf einem Teil der Spiegelplat te ausgebildet ist, der dem Licht-Eintrittsfenster oder dem Licht-Austrittsfenster entspricht, wobei sich die Brechungszahlen der transparenten Schicht und der Spiegelplatte voneinander unterscheiden und die trans parente Schicht und der Teil der Spiegelplatte entwe der als optischer Bandpaßfilter, als optischer Tief paßfilter oder als optischer Hochpaßfilter wirken.

Die Probenzelle kann außerdem eine Mehrzahl transpa renter Schichten aufweisen, die auf einem Teil der Spiegelplatte ausgebildet sind, der dem Licht-Ein trittsfenster oder dem Licht-Austrittsfenster ent spricht, wobei sich die Brechungszahlen der Mehrzahl transparenter Schichten voneinander unterscheiden und die Mehrzahl der transparenten Schichten entweder als optischer Bandpaßfilter, als optischer Tiefpaßfilter oder als optischer Hochpaßfilter wirkt.

Ein Herstellungsverfahren einer Mehrfach reflexions-Probenzelle, bei dem einfallendes Licht zur Analyse einer Probe in der Probenzelle mehrmals reflektiert wird, umfaßt erfindungsgemäß folgende Schritte: Her stellung der Spiegelplatte, Herstellung der Seiten platte und Herstellung des Rahmens.

Der Schritt zur Herstellung der Seitenplatte kann ei nen Schritt zur Herstellung des zweiten und dritten Konkavspiegels durch Schneiden der Seitenplatte auf einer Drehbank umfassen. Der Rahmen kann so herge stellt werden, daß sich ein Innenraum des Rahmens von der Spiegelplatte hin zur Seitenplatte verbreitert. Das Herstellungsverfahren kann außerdem den Schritt zur Ausbildung einer Chrom(Cr)-Schicht, einer Siliziumdioxid(SiO₂)-Schicht und einer Gold(Au)-Schicht in dieser Reihenfolge an einer Innenwand der Proben zelle umfassen.

Das Herstellungsverfahren kann außerdem den Schritt zur Anbringung einer transparenten Platte am Licht-Eintrittsfenster oder dem Licht-Austrittsfenster um fassen sowie die Ausbildung der transparenten Schicht mit einer Brechungszahl, die sich von jener der trans parenten Platte unterscheidet, auf der transparenten Platte. Das Herstellungsverfahren kann außerdem den Schritt zur Ausbildung der Mehrzahl transparenter Schichten mit Brechungszahlen, die sich voneinander unterscheiden, am Licht-Eintrittsfenster oder dem Licht-Austrittsfenster umfassen.

Die Spiegelplatte kann aus einem Material bestehen, das in bezug auf die für eine Analyse der Probe ver wendeten Lichtwellenlängen transparent ist, und das Herstellungsverfahren kann außerdem den Schritt zur Ausbildung einer Schicht aus einem Material, das ent weder ein hohes Reflexionsvermögen oder eine hohe Bre chungszahl aufweist, auf einem Teil der Spiegelplatte, der dem ersten Konkavspiegel entspricht, umfassen.

In diesem Fall kann das Herstellungsverfahren außerdem den Schritt zur Ausbildung eines Antireflexionsfilms mit einer kleineren Brechungszahl als die Spiegelplat te auf einem Teil der Spiegelplatte, der dem Licht-Eintrittsfenster oder dem Licht-Austrittsfenster ent spricht, umfassen.

Das Herstellungsverfahren kann außerdem den Schritt zur Ausbildung einer Mehrzahl transparenter Schichten auf einem Teil der Spiegelplatte, der dem Licht-Eintrittsfenster und/oder dem Licht-Austrittsfenster entspricht, umfassen, wobei sich die Brechungszahlen der Mehrzahl transparenter Schichten voneinander un terscheiden.

Da die erforderliche Länge des optischen Pfads in der Probenzelle der nicht-streuenden Infrarot-Gasanalysa toren zur Messung einer Komponente in geringer Konzen tration ca. 1 m beträgt, kann eine Mehrfach reflexions-Probenzelle auf der Basis des Prinzips der White-Zelle innerhalb zulässiger Abmessungen für Bestandteile der Prozeßanalysatoren durch Einstellung der Anzahl von Pfaden auf höchstens ca. 12 und des Krümmungsradius der Konkavspiegel auf ca. 10 cm gebaut werden.

Zur Realisierung der Mehrfachreflexions-Probenzelle mit den oben beschriebenen optischen Anforderungen wird die erfindungsgemäße Mehrfachreflexions-Proben zelle durch Ausbildung von drei Konkavspiegeln und Ein- und Aiistrittsfenstern mit den entsprechenden Pa rametern, welche die vorbestimmten optischen Bedingun gen erfüllen, an den Endwandteilen der Probenzelle hergestellt, ohne die Einstellvorrichtung zur Einstel lung der Positionen und Ausrichtungen der Konkavspie gel anzuordnen, sowie durch feste Fixierung der End wandteile an den entsprechenden Enden des Rahmens zur Definition des Abstands zwischen den Konkavspiegeln und zur Ausbildung der Seitenwand der Probenzelle. Toter Raum wird in der Probenzelle vermieden, indem der Seitenwandteil den Bereich des Lichtstrahls in der Probenzelle unmittelbar umhüllt.

Aufbau und Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Probenzelle werden vereinfacht, indem Material, das im Wellenlängenbereich zur analytischen Messung transpa rent ist, für die Spiegelplatte, auf welcher der zen trale Konkavspiegel und die Licht-Ein- und -Austritts elemente ausgebildet sind, verwendet wird, so daß kei ne zusätzliche Bearbeitung für die Ausbildung des Licht-Ein- und -Austrittsfensters erforderlich ist.

Außerdem werden Antireflexionsfilme oder -filter für den selektiven Durchlaß einer speziellen Wellenlänge auf der Spiegelplatte ausgebildet, indem einzelne oder mehrere transparente Schichten mit unterschiedlichen Brechungszahlen, die sich auch von denen des Spiegel plattenmaterials unterscheiden, aufgebracht werden.

Kurze Beschreibung der Abbildungen

Fig. 1A zeigt eine Schnittansicht einer konventionel len White-Zelle;

Fig. 1B zeigt eine Vorderansicht des zentralen Konkav spiegels der White-Zelle;

Fig. 1C zeigt eine Vorderansicht des Eintritts- und des Austritts-Fokussierspiegels der White-Zelle;

Fig. 1D zeigt das Prinzip der White-Zelle;

Fig. 2 ist eine Schnittansicht einer ersten Ausführung einer erfindungsgemäßen Mehrfachreflexions-Probenzel le;

Fig. 3 ist eine Schnittansicht einer zweiten Ausfüh rung einer erfindungsgemäßen Mehrfachreflexions-Pro benzelle;

Fig. 4 ist eine isometrische Darstellung der zweiten Ausführung der Probenzelle in auseinandergezogener Anordnung; und

Fig. 5 ist eine Schnittansicht einer dritten Ausfüh rung einer erfindungsgemäßen Mehrfachreflexions-Pro benzelle.

Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden nach folgend unter Bezugnahme auf die Abbildungen beschrie ben.

[Erste Ausführung]

Fig. 2 ist eine Schnittansicht einer ersten Ausführung einer erfindungsgemäßen Mehrfachreflexions-Probenzel le. Die Probenzelle 50 aus Fig. 2 ist so konstruiert, daß sie in den nicht-streuenden Infrarot-Gasanalysato ren zur Messung einer chemischen Komponente in gerin ger Konzentration verwendet werden kann. Diese Proben zelle ist so aufgebaut, daß sie 4 Pfade hat: Ein ein fallender Lichtstrahl tritt aus der Zelle aus, nachdem er dreimal reflektiert worden ist, einmal von jedem Konkavspiegel.

Wie in Fig. 2 dargestellt, weist die Probenzelle 50 eine Spiegelplatte 51, eine Seitenplatte 53 und einen Rahmen 55 auf. Ein zentraler Konkavspiegel 57 ist an oder im Mittelteil der Innenfläche der Spiegelplatte 51 ausgebildet, und Öffnungen für ein Licht-Eintritts fenster 59 und ein Licht-Austrittsfenster 61 sind auf beiden Seiten in die Spiegelplatte 51 gebohrt, um ei nen Lichtstrahl in die Probenzelle 50 hinein- bzw. aus dieser hinauszuleiten.

Fensterelemente 63 aus beispielsweise Kalziumfluorid platten, die im Infrarotbereich transparent sind, wer den durch Adhäsion oder ähnliche Verbindungsverfahren auf die Öffnungen montiert. Um die Selektivität für eine bestimmte zu analysierende Komponente zu verbes sern, ist es zweckmäßig, für die Fensterelemente 63 einen optischen Bandpaßfilter, einen Tiefpaßfilter oder einen Hochpaßfilter zu verwenden, der durch Nie derschlag mehrerer optisch transparenter Schichten auf einem transparenten Substrat ausgebildet wird. Die transparenten Schichten haben vorzugsweise voneinander und vom Substrat unterschiedliche optische Brechungs zahlen.

Ein Eintritts-Fokussierspiegel 65 und ein Aus tritts-Fokussierspiegel 67, die an oder in der Innenfläche der Seitenplatte 53 ausgebildet sind, leiten den Lichtstrahl, der durch das Licht-Eintrittsfenster 59 einfällt, über den zentralen konvexen Spiegel 57, der in einem Stück am oder im Mittelteil der Innenfläche der Spiegelplatte 51 ausgebildet ist, zum Licht-Aus trittsfenster 61. Der Eintritts-Fokussierspiegel 65 und der Austritts-Fokussierspiegel 67 sind ebenfalls in einem Stück am Mittelteil der Seitenplatte 53 aus gebildet.

Die drei Konkavspiegel, der zentrale Konkavspiegel 57 und der Ein- und Austritts-Fokussierspiegel 65 bzw. 67, sind so ausgebildet, daß sie denselben Krümmungs radius R haben. Der Rahmen 55 hält die Spiegelplatte 51 und die Seitenplatte 53 in einem solchen Abstand zueinander, daß die Reflexionsebenen der Ein- und Austritts-Fokussierspiegel 65 und 67 auf dem Krum mungsradius R des zentralen Konkavspiegels 57 angeord net sind. Der Rahmen 55 stellt die Seitenwand der Pro benzelle 50 dar.

Das Verfahren zur Bestimmung der optischen Parameter der Mehrfachreflexions-Probenzelle 50 aus Fig. 2 wird nachfolgend erläutert.

Die Länge L des optischen Pfads in der Probenzelle 50, die zur Erleichterung beständiger analytischer Messun gen eine optische Dichte angibt, wird aufgrund der gegebenen Bedingungen, d. h. der Zielkomponente für die Analyse und ihres Konzentrationsbereichs, bestimmt.

Die Bedingungen des von der Lichtquelle in die Proben zelle 50 abgegebenen Lichtstrahls, d. h. Abmessung des Licht-Eintrittsfensters 59 der Probenzelle und fester Winkel des einfallenden Lichtstrahls, werden aufgrund der kennzeichnenden Parameter des Lichtdetektors be stimmt, z. B. Empfindlichkeit und Größe des lichtemp fangenden Bereichs.

Da die Anzahl von Pfaden zur leichteren Herstellung auf die Mindestzahl, d. h. 4, eingestellt wird, wird der Krümmungsradius R der drei Konkavspiegel 57, 65 und 67 bestimmt, indem diese Anzahl von Pfaden und die Länge L des optischen Pfads dieser Probenzelle 50 in die obige Gleichung (2) eingesetzt werden.

Wenn die Probenzelle strengen Abmessungsbegrenzungen unterworfen ist, wird der maximal zulässige Krümmungs radius der Konkavspiegel vorübergehend festgesetzt, eine geeignete Anzahl von Pfaden wird gewählt, indem die Länge L der optischen Pfade durch den vorüberge hend festgesetzten Krümmungsradius geteilt wird, und der Krümmungsradius wird endgültig auf der Basis der gewählten Anzahl von Pfaden bestimmt. Wenn die gewähl te Anzahl von Pfaden extrem groß ist, ist es schwie rig, eine Probenzelle auf der Basis dieser Anzahl von Pfaden herzustellen.

Da ein einziges Bild des Licht-Eintrittsfensters 59 auf den zentralen Spiegel 57 fokussiert wird, wenn die Anzahl der Pfade wie in der ersten Ausführung 4 ist, wird die Öffnung des zentralen Konkavspiegels 57 so gewählt, daß das fokussierte Bild des Licht-Eintritts fensters 59 abgedeckt wird.

Die Öffnung des Eintritts-Fokussierspiegels 65 wird auf der Basis des festen Winkels des einfallenden Lichtstrahls und des bestimmten Krümmungsradius R der Konkavspiegel bestimmt, so daß der Eintritts-Fokus sierspiegel 65 das Licht im Bereich des festen Winkels der Lichtstrahls, der vom Licht-Eintrittsfenster 59 in die Probenzelle 50 geleitet wird, empfängt und den empfangenen Lichtstrahl auf den zentralen Konkavspie gel 57 reflektiert. Die Öffnung des Aus tritts-Fokussierspiegels 67 kann auf denselben Wert wie die des Eintritts-Fokussierspiegels 65 eingestellt werden, da das fokussierte Bild des Licht-Eintrittsfensters 59 auf dem zentralen Konkavspiegel 57 für den Aus tritts-Fokussierspiegel 67 so wirkt wie das Licht-Eintritts fenster 59 für den Eintritts-Fokussierspiegel 65.

Sobald die Öffnung des zentralen Konkavspiegels einge stellt ist, wird der Wert der Position H des Licht-Eintrittsfensters 59, das neben dem zentralen Konkav spiegel 57 angeordnet ist, eingestellt. Indem die Ein stellposition H und die Anzahl der Pfade (n = 4) in die Gleichung (3) eingesetzt werden, wird der Abstand D zwischen den Krümmungsmittelpunkten C65 und C67 der Fokussierspiegel 65 und 67 bestimmt. In dieser Ausfüh rung bezeichnet die Position H einen Abstand zwischen den Mittelpunkten des zentralen Konkavspiegels 57 und des Licht-Eintrittsfensters 59 oder des Licht-Aus trittsfensters 61.

Da mehrere Bilder mit dem Abstand D zwischen nebenein anderliegenden Bildern auf dem zentralen Konkavspiegel 57 abgebildet werden, wie oben im Zusammenhang mit Gleichung (3) erläutert wurde, wenn die Anzahl der Pfade größer oder gleich 4 ist, ist es erforderlich, die Werte der Öffnung des zentralen Konkavspiegels 57 und des Abstands D so zu bestimmen, daß sich die Bil der auf dem zentralen Konkavspiegel 57 nicht gegensei tig überlagern.

Daher werden die Basisparameter der Elemente und Be standteile einer Mehrfachreflexionszelle aufgrund der gegebenen Bedingungen bestimmt. Dann wird die Mehr fachreflexionszelle mit der vorbestimmten Leistung durch Zusammenbau der von den Maschinen bearbeiteten Elemente und Bestandteile hergestellt, was die Reali sierung der Basisparameter mit hoher Präzision er leichtert.

In der Ausführung aus Fig. 2 sind der zentrale Konkav spiegel, das Licht-Eintrittsfenster 59 und das Licht-Austrittsfenster 61 auf der Spiegelplatte 51 ausgebil det, der Ein- und der Austritts-Fokussierspiegel 65 bzw. 67 sind auf der Seitenplatte 53 ausgebildet, und der Rahmen 55 hält als die Seitenwand der Probenzelle die Spiegelplatte 51 und die Seitenplatte 53 in der richtigen Position. Die Spiegelplatte 51, die Seiten platte 53 und der Rahmen 55 bilden die Mehrfachrefle xions-Probenzelle. Wenn diese Elemente aus Aluminium bestehen, das leicht bearbeitbar ist, werden die auf der Spiegel- und der Seitenplatte 51 bzw. 53 ausgebil deten Konkavspiegel z. B. mit einer Ultra präzisions-Drehbank mit computergestützter numerischer Steuerung und Luft lagern, die eine gekrümmte Fläche sehr präzise nach den numerischen Werten, welche die gekrümmte Flä che definieren, bearbeiten kann, bearbeitet. Der Krüm mungsradius R der Konkavspiegel, der Abstand D zwi schen den Krümmungsmittelpunkten und die Öffnungen der Konkavspiegel werden vor der Bearbeitung in die Dreh bank eingegeben. Die anderen Elemente und Teile können mit einer gewöhnlichen Fräsmaschine mit numerischer Steuerung bearbeitet werden.

Da die gekrümmten Flächen mit bestimmten Abmessungen und Ausrichtungen durch Bearbeitung mit der Ultraprä zisions-Drehbank mit computergestützter numerischer Steuerung und Luftlagern mit hoher Präzision reali siert werden können, wird eine Feineinstellung der Positionen und Ausrichtungen der Ein- und Aus tritts-Fokussierspiegel überflüssig. Daher können die Ein- und Austritts-Fokussierspiegel auf der Seitenplatte 53 in einem Stück mit der Seitenplatte 53 ausgebildet werden.

Die erfindungsgemäße Probenzelle weist auch einen Hahn auf, der dem in Fig. 1A abgebildeten Probenhahn 30 entspricht, aus Gründen der Vereinfachung jedoch in der Figur nicht abgebildet ist.

[Zweite Ausführung]

Fig. 3 ist eine Schnittansicht einer zweiten Ausfüh rung einer erfindungsgemäßen Mehrfach reflexions-Probenzelle 50′, und Fig. 4 ist eine isometrische Dar stellung in auseinandergezogener Anordnung der in Fig. 3 abgebildeten Mehrfachreflexions-Probenzelle 50′. In diesen Figuren bezeichnen dieselben Bezugsziffern die selben Elemente in den Fig. 2 bis 4.

Die Probenzelle 50′ weist die Spiegel- und die Seiten platte 51 bzw. 53 auf, die denen aus der ersten Aus führung entsprechen, sowie einen Rahmen 55′, der so hergestellt (bearbeitet) ist, daß der Rahmen 55′ den Bereich, den der Lichtstrahl durchläuft, unmittelbar umhüllt, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt.

Wenn der Rahmen 55′ mit der Spiegel- und der Seiten platte 51 bzw. 53 zusammengebaut ist, ist der tote Raum in der Probenzelle 50′ so klein wie möglich. Füh rungsstifte und Einfügelöcher sind vorzugsweise auf den Bestandteilen angeordnet, um die Position der Be standteile zueinander während des Zusammenbaus genau zu fixieren.

Wenn jedes Element der Probenzelle wie in den erfin dungsgemäßen Ausführungen aus leicht bearbeitbarem Aluminium besteht, werden vorzugsweise eine Chrom(Cr)-Schicht, eine Siliziumdioxid(SiO₂)-Schicht und eine Gold(Au)-Schicht in der oben beschriebenen Reihenfolge durch ein Filmniederschlagsverfahren, z. B. Vakuumnie derschlag oder Kathodenzerstäubung, auf die Innenflä che jedes Bestandteils aufgebracht, nachdem das Ele ment seine vorbestimmten Abmessungen bekommen hat.

Durch Ausbildung der Chrom(Cr)- und der Siliziumdioxid (SiO₂)-Schicht an der Innenwand der Probenzelle wird die Korrosionsbeständigkeit gegen in die Probenzelle eingeführtes Gas erreicht, und ein hohes Reflexions vermögen auf den Konkavspiegeln 57, 65 und 67 wird durch die Gold(Au)-Schicht erzielt.

Wenn es erforderlich ist, viele Probenzellen mit den selben Abmessungen herzustellen, ist es nicht ratio nell, solche Probenzellen herzustellen, indem alle Bestandteile der Probenzellen mit einem Schneidever fahren hergestellt und dann zusammengesetzt werden. Nachbildungen von einer bestimmten Art Probenzelle können mit niedrigen Herstellungskosten durch Form pressen der Einzel- oder Bestandteile, in denen eine Mehrzahl optischer Elemente integriert ist, mit PC, PPO oder PPC (Baukunststoff) rationell hergestellt werden. Nachbildungen der Einzel- oder Bestandteile können durch Spritzguß eines Metalls oder mehrerer Metalle mit relativ niedrigem Schmelzpunkt in entspre chenden Preßformen hergestellt werden.

Beispielsweise können die Spiegelplatte 51 und der Rahmen 55 der Probenzelle mit dem in Fig. 3 abgebilde ten Querschnitt durch Formpressen dieser Elemente in einem Stück hergestellt werden, da die schräge Innen fläche des Rahmens 55 das Herausziehen des geformten Stücks aus der Preßform erleichtert. Die Preßformen für dieses Stück und für die Seitenplatte 53 können z. B. auf der oben genannten Drehbank mit computerge stützter numerischer Steuerung und Luft lagern herge stellt werden. Die Reflexions- und Schattierungsebenen der Elemente, einschließlich der Konkavspiegel 57, 65 und 67, die durch Formpressen hergestellt wurden, wer den mit einem Gold(Au)-Film oder einem lichtreflektie renden Material mit einem Filmniederschlagsverfahren, z . B. Kathodenzerstäubung, bedeckt.

Die Größe jedes Elements der Probenzelle hängt von der erforderlichen Länge des optischen Pfads der Proben zelle ab. Die Länge des optischen Pfads der Probenzel le der Ausführung beträgt z. B. 500 mm oder 1000 mm, also nicht mehr als ca. 1000 mm. Verwendet man die beiden Proben mit Längen des optischen Pfads von 500 und 1000 mm, kann fast jede Art von Gas mit dem Infrarot-Gasanalysator analysiert werden. Die Proben zellen dieser Ausführung sind für eine Analyse mit einem Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 2 bis 15 Micron (µ) geeignet.

Die Größen der Elemente der Probenzelle mit einer Län ge des optischen Pfads von 500 mm sind folgende:
Der Krümmungsradius der Konkavspiegel 57, 65 und 67 beträgt jeweils: SR 42,1 ±0,1 mm;
Schräge der Innenfläche des Rahmens 55′ in Grad: 13,5°;
Größe des Licht-Eintrittsfensters 59: 2,5 × 6 mm;
Größe des Licht-Austrittsfensters 61: 4,3 × 6 mm;
Größe der Spiegelplatte 51: 32 × 58 × 5t mm;
Größe der Seitenplatte 53: 32 × 58 × 7,5 mm; und
Außenmaß der Probenzelle 50′: 32 × 58 × 36 mm.

Das Licht-Eintrittsfenster 59 ist kleiner als das Licht-Austrittsfenster 61. Die kleinere Größe des Licht-Eintrittsfensters 59 wirkt wie eine optische Blende, was die Störeigenschaften verbessert.

Die Größen der Elemente der Probenzelle mit einer Län ge des optischen Pfads von 1000 mm sind folgende:
Der Krümmungsradius der Konkavspiegel 57, 65 und 67 beträgt jeweils: SR 84,2 ± 0,1 mm;
Schräge der Innenfläche des Rahmens 55′ in Grad: 13,5°;
Größe des Licht-Eintrittsfensters 59: 5,4 × 8 mm;
Größe des Licht-Austrittsfensters 61: 5,4 × 8 mm;
Größe der Spiegelplatte 51: 62 × 79 × 6,5t mm;
Größe der Seitenplatte 53: 62 × 100 × 12,5 mm; und
Außenmaß der Probenzelle 50′: 62 × 100 × 73 mm.

[Dritte Ausführung]

Fig. 5 ist eine Schnittansicht einer dritten Ausfüh rung einer erfindungsgemäßen Mehrfachreflexions-Pro benzelle 50′′. Diese Probenzelle 50′′ weist eine Spie gelplatte 51′, die Seitenplatte 53 und den Rahmen 55′ auf. Dieselben Bezugsziffern bezeichnen dieselben Ele mente in Fig. 2 bis 5.

Wie in Fig. 5 dargestellt, besteht die Spiegelplatte 51′ mit dem zentralen Konkavspiegel 57 und den Licht- Ein- und -Austrittselementen 71 bzw. 73 aus einem Ma terial, das in bezug auf die zur analytischen Messung verwendeten Lichtwellenlängen transparent ist.

In der dritten Ausführung wird für die Spiegelplatte 51′ kristallines Silizium verwendet. Kristallines Si lizium ist im Infrarotbereich transparent und leicht und genau mit einer Feinbearbeitungstechnik, z. B. At zen, zu bearbeiten (formen). Saphir und Kalziumfluorid können anstelle von kristallinem Silizium als das transparente Material für die Spiegelplatte 51′ ver wendet werden. Wenn für die Analyse ein fast infraro ter Strahl verwendet wird, können einige optische Glä ser und Baukunststoffe als das transparente Material verwendet werden.

Obwohl es nicht immer erforderlich ist, dasselbe Mate rial wie für die Spiegelplatte 51′ für die Seitenplat te 53 und den Rahmen 55′ zu verwenden, bestehen in der dritten Ausführung die Spiegelplatte 51′, die Seiten platte 53 und der Rahmen 551 aus kristallinem Silizi um, da dieselben Bearbeitungstechniken und Präzisions verbindungen, z. B. elektrostatische Verbindung, ratio nell verwendet werden können.

Die Konkavspiegel 57, 65 und 67 sowie die Löcher sind durch Feinbearbeitungstechniken, z. B. Ätzen und Schleifen, auf kristallinem Silizium ausgebildet. Die Reflexions- und Schattierungsebenen sind in dem Be reich 69 ausgebildet, der von den dicken Linien in Fig. 4 angegeben wird und der den Innenflächen der Probenzelle ohne die Licht-Ein- und -Austrittselemente 71 bzw. 73 und die Verbindungsflächen der Bestandteile 51′, 53 und 55′ entspricht. Die Reflexions- und Schat tierungsebenen werden durch Niederschlag von stark reflektierendem Metall oder stark lichtbrechendem Ma terial durch Vakuumniederschlag, Kathodenzerstäubung und ähnliche Niederschlagstechniken gebildet. Die Be standteile werden präzise zur Mehrfachreflexions-Pro benzelle 50′′ verbunden, wobei sich ihre Verbindungs flächen durch elektrostatische Verbindung eng berüh ren.

Da die Brechungszahl von kristallinem Silizium bei ca. 3 liegt, was hoch genug ist und zu einem hohen Refle xionsvermögen der Spiegelplatte 51′ aus Siliziumkri stall führt, beträgt der Lichtstrahl, der die Spiegel platte 51′ passiert, nur ca. 50% des einfallenden Lichtstrahls, der auf die Spiegelplatte 51′ geworfen wird. Die optische Durchlässigkeit der Spiegelplatte 51′ kann zur Verbesserung der Effizienz der Analyse in der Probenzelle auf fast 100% verbessert werden, indem die Außen- und/oder Innenfläche der Licht-Ein- und -Austrittselemente 71 bzw. 73 der Spiegelplatte 51′ mit Antireflexionsfilmen beschichtet wird.

Der Antireflexionsfilm besteht aus einem transparenten Material, z. B. MgF₂, mit einer niedrigeren Brechungs zahl als kristallines Silizium und wird so niederge schlagen, daß seine Dicke ein Viertel (1/4) der ver wendeten Wellenlänge beträgt. Zusätzlich können die dünnen Filme, welche die Licht-Ein- und -Austrittsele mente 71 bzw. 73 darstellen, als optische Bandpaßfil ter, Tiefpaßfilter oder Hochpaßfilter ausgebildet sein, indem mehrere transparente Schichten mit unter schiedlichen Brechungszahlen aufgebracht werden. Durch Ausbildung der optischen Bandpaßfilter werden die Wel lenlängen des Lichts, das in den Detektor und die Pro benzelle eintritt, auf einen engen Bereich begrenzt, der für die Analyse verwendet werden kann, und ein hoher S/N-Quotient wird bei den Erfassungssignalen erzielt.

Wie oben erläutert, basiert die erfindungsgemäße Mehrfachreflexions-Probenzelle auf dem Prinzip der White-Zelle, die im wesentlichen drei Konkavspiegel sowie Licht-Ein- und -Austrittsfenster aufweist. Die Konkavspiegel und Fenster sind auf den einzelnen Wand flächen der Probenzelle durch Feinbearbeitung mit der vorbestimmten Präzision, welche die gegebenen opti schen Bedingungen erfüllt, ausgebildet. Die Probenzel le wird durch enge Verbindung der Endwandteile, welche die Konkavspiegel enthalten, mit den entsprechenden Enden des Rahmens als Seitenwandteil, der den Abstand zwischen den Konkavspiegeln bestimmt, zusammengesetzt. Daher ist es nicht mehr erforderlich, Einstellmecha nismen zur Feineinstellung der Positionen und Ausrich tungen der Konkavspiegel in der Probenzelle anzuord nen, und die Abmessungen der Probenzelle mit einem langen optischen Pfad werden so klein wie möglich ge macht.

Die so aufgebaute kleine und kompakte Mehrfachrefle xions-Probenzelle ist besonders für die nicht streuenden Infrarot-Gasanalysatoren und ähnliche Ana lysatoren zur Erfassung einer Komponente in geringer Konzentration geeignet. Viele Nachbildungen der Be standteile können mit geringen Herstellungskosten durch Formpressen hergestellt werden, und die erfin dungsgemäße Probenzelle kann durch enge Verbindung der geformten Einzelteile zusammengesetzt werden.

Indem der Bereich des Lichtstrahls in der Probenzelle vom Rahmen, der die Innenwand der Probenzelle defi niert, unmittelbar umhüllt wird, verbleibt kein toter Raum in der Probenzelle, und die Abmessungen der Pro benzelle werden so klein wie möglich gemacht. Daher kann das Probengas schnell ersetzt werden, und eine hohe Antwortgeschwindigkeit wird im Ultraviolett-Gas analysator und ähnlichen Analysatoren, in denen die erfindungsgemäße Probenzelle verwendet wird, erreicht. Das Licht-Ein- und das Licht-Austrittsfenster (oder Teile davon), die durch Aufbringen mehrerer Schichten mit unterschiedlichen Brechungszahlen als optischer Bandpaßfilter, Tiefpaßfilter oder Hochpaßfilter ausge bildet sind, welche nur die Absorptionswellenlänge einer zu analysierenden Komponente durchlassen, er leichtern die hochpräzise Messung der Komponente durch Vermeidung der Überlagerung gleichzeitig vorhandener Komponenten.

Durch Verwendung von kristallinem Silizium, das im ultravioletten Bereich für die Spiegelplatte, auf wel cher der zentrale Konkavspiegel ausgebildet ist, und für die anderen Elemente transparent ist, werden die Bestandteile vereinfacht, da es nicht erforderlich ist, Licht-Ein- und -Austrittsfenster einzeln aus zu bilden. Da verschiedene Feinbearbeitungstechniken wie Ätzen, Präzisionsschleifen und elektrostatische Ver bindung bei der Bearbeitung eines Siliziumkristalls anwendbar sind, wird eine sehr kleine Mehrfachrefle xions-Probenzelle mit einem langen optischen Pfad re alisiert und ein kleiner, aber kompakter nicht streuender, Infrarot-Gasanalysator zur Messung einer Komponente in geringer Konzentration erzielt.

Claims

1. Eine Mehrfachreflexions-Probenzelle, in der einfal lendes Licht mehrmals reflektiert wird, um eine Probe in der Probenzelle zu analysieren, aufwei send:
eine Spiegelplatte (51, 51′) mit einem Licht-Eintrittsfenster (59, 71) zur Einführung des ein fallenden Lichts in die Probenzelle, einem ersten Konkavspiegel (57) sowie einem Licht-Austritts fenster (61, 73) zur Abgabe des einfallenden Lichts aus der Probenzelle;
eine Seitenplatte (53) mit einem zweiten Konkav spiegel (65) zur Reflexion des einfallenden Lichts auf den ersten Konkavspiegel (57) sowie einem drit ten Konkavspiegel (67) zur Reflexion des einfallen den Lichts, das vom ersten und zweiten Konkavspie gel (57, 65) reflektiert wird, auf das Licht-Austrittsfenster (61, 73); sowie
einen Rahmen (55, 55′) zur Fixierung der Spiegel platte (51, 51′) und der Seitenplatte (53), so daß die Abstände vom ersten Konkavspiegel (57) zum zweiten und zum dritten Konkavspiegel (65, 67) auf einen vorbestimmten Abstand fixiert werden.

2. Die Probenzelle nach Anspruch 1, worin
der vorbestimmte Abstand dem Krümmungsradius des ersten, zweiten und dritten Konkavspiegels (57, 65, 67) entspricht,
der zweite konkave Spiegel (65) ein Bild des Licht-Eintrittsfensters (59, 71) auf den ersten Konkav spiegel (57) fokussiert, und
der dritte konkave Spiegel (67) ein auf den ersten Konkavspiegel (57) fokussiertes Bild auf das Licht-Austrittsfenster (61, 73) fokussiert.

3. Die Probenzelle nach Anspruch 1, worin der zweite und der dritte Konkavspiegel (65, 67) mit der Seitenplatte (53) in einem Stück ausgebil det sind.

4. Die Probenzelle nach Anspruch 1, worin der Rahmen (55, 55′) den Bereich des einfallenden Lichts in der Probenzelle unmittelbar umhüllt.

5. Die Probenzelle nach Anspruch 1, worin entweder die Spiegelplatte (51, 51′), die Seiten platte (53) oder der Rahmen (55, 55′) entweder aus Aluminium oder Aluminiumlegierung besteht.

6. Die Probenzelle nach Anspruch 1, worin eine Chrom(Cr)-Schicht, eine Siliziumdioxid(SiO₂)-Schicht und eine Gold(Au)-Schicht in dieser Reihen folge an einer Innenwand der Probenzelle ausgebil det sind.

7. Die Probenzelle nach Anspruch 1, worin entweder die Spiegelplatte (51, 51′), die Seiten platte (53) oder der Rahmen (55, 55′) eine Nachbil dung ist, die mit einer Preßform dupliziert wurde.

8. Die Probenzelle nach Anspruch 1, worin zwei Elemente aus der Gruppe der Spiegelplatte (51, 51′), der Seitenplatte (53) und des Rahmens (55, 55′) in einem Stück geformt sind.

9. Die Probenzelle nach Anspruch 1, worin das Licht-Eintrittsfenster (59, 71) ein transparen tes Substrat und eine transparente Schicht, die auf dem transparenten Substrat ausgebildet ist, auf weist, wobei sich die Brechungszahlen des transpa renten Substrats und der transparenten Schicht von einander unterscheiden und das transparente Sub strat und die transparente Schicht entweder als optischer Bandpaßfilter, als optischer Tiefpaßfil ter oder als optischer Hochpaßfilter wirken.

10. Die Probenzelle nach Anspruch 1, worin das Licht-Eintrittsfenster (59, 71) eine Mehrzahl transparenter Schichten mit unterschiedlichen Bre chungszahlen aufweist und entweder als optischer Bandpaßfilter, als optischer Tiefpaßfilter oder als optischer Hochpaßfilter wirkt.

11. Die Probenzelle nach Anspruch 1, worin das Licht-Austrittsfenster (61, 73) ein transparen tes Substrat und eine transparente Schicht, die auf dem transparenten Substrat ausgebildet ist, auf weist, wobei sich die Brechungszahlen des transpa renten Substrats und der transparenten Schicht von einander unterscheiden und das transparente Sub strat und die transparente Schicht entweder als optischer Bandpaßfilter, als optischer Tiefpaßfil ter oder als optischer Hochpaßfilter wirken.

12. Die Probenzelle nach Anspruch 1, worin das Licht-Austrittsfenster (61, 73) eine Mehrzahl transparenter Schichten mit unterschiedlichen Bre chungszahlen aufweist, die entweder als optischer Bandpaßfilter, als optischer Tiefpaßfilter oder als optischer Hochpaßfilter wirken.

13. Die Probenzelle nach Anspruch 1, worin
die Spiegelplatte (51′) aus einem Material besteht, das in bezug auf für eine Analyse der Probe verwen dete Lichtwellenlängen transparent ist, und
eine Schicht aus einem Material mit entweder einem hohen Reflexionsvermögen oder einer hohen Bre chungszahl auf einem Teil der Spiegelplatte (51′) ausgebildet ist, der dem ersten Konkavspiegel (57) entspricht.

14. Die Probenzelle nach Anspruch 13, weiterhin aufwei send einen Antireflexionsfilm mit einer kleineren Bre chungszahl als die Spiegelplatte (51′), der auf einem Teil der Spiegelplatte (51′) ausgebildet ist, der dem Licht-Eintrittsfenster (71) entspricht.

15. Die Probenzelle nach Anspruch 13, weiterhin aufwei send einen Antireflexionsfilm mit einer kleineren Bre chungszahl als die Spiegelplatte (51′), der auf einem Teil der Spiegelplatte (51′) ausgebildet ist, der dem Licht-Austrittsfenster (73) entspricht.

16. Die Probenzelle nach Anspruch 13, weiterhin aufwei send eine transparente Schicht, die auf einem Teil der Spiegelplatte (51′) ausgebildet ist, der dem Licht-Eintrittsfenster (71) entspricht, wobei sich die Brechungszahlen der transparenten Schicht und der Spiegelplatte (51′) voneinander unterscheiden und die transparente Schicht und der Teil der Spiegel platte (51′) entweder als optischer Bandpaßfilter, als optischer Tiefpaßfilter oder als optischer Hochpaßfilter wirken.

17. Die Probenzelle nach Anspruch 13, weiterhin aufwei send eine Mehrzahl transparenter Schichten, die auf ei nem Teil der Spiegelplatte (51′), der dem Licht-Eintrittsfenster (71) entspricht, ausgebildet sind, wobei sich die Brechungszahlen der Mehrzahl trans parenter Schichten voneinander unterscheiden und die Mehrzahl transparenter Schichten entweder als optischer Bandpaßfilter, als optischer Tiefpaßfil ter oder als optischer Hochpaßfilter wirkt.

18. Die Probenzelle nach Anspruch 13, weiterhin aufwei send eine transparente Schicht, die auf einem Teil der Spiegelplatte (51′) ausgebildet ist, der dem Licht-Austrittsfenster (73) entspricht, wobei sich die Brechungszahlen der transparenten Schicht und der Spiegelplatte (51′) voneinander unterscheiden und die transparente Schicht und der Teil der Spiegel platte (51′) entweder als optischer Bandpaßfilter, als optischer Tiefpaßfilter oder als optischer Hochpaßfilter wirken.

19. Die Probenzelle nach Anspruch 13, weiterhin aufwei send eine Mehrzahl transparenter Schichten, die auf ei nem Teil der Spiegelplatte (51′), der dem Licht-Austrittsfenster (73) entspricht, ausgebildet sind, wobei sich die Brechungszahlen der Mehrzahl trans parenter Schichten voneinander unterscheiden und die Mehrzahl transparenter Schichten entweder als optischer Bandpaßfilter, als optischer Tiefpaßfil ter oder als optischer Hochpaßfilter wirkt.

20. Ein Herstellungsverfahren einer Mehrfach reflexions-Probenzelle, in der einfallendes Licht mehrmals reflektiert wird, um eine Probe in der Probenzelle zu analysieren, aufweisend folgende Schritte:
Herstellung einer Spiegelplatte (51, 51′) mit einem Licht-Eintrittsfenster (59, 71) zur Einführung des einfallenden Lichts in die Probenzelle, einem er sten Konkavspiegel (57) sowie einem Licht-Aus trittsfenster (61, 73) zur Abgabe des einfallenden Lichts aus der Probenzelle;
Herstellung einer Seitenplatte (53) mit einem zwei ten Konkavspiegel (65) zur Reflexion des einfallen den Lichts auf den ersten Konkavspiegel (57) sowie einem dritten Konkavspiegel (67) zur Reflexion des einfallenden Lichts, das vom ersten und zweiten Konkavspiegel (57, 65) reflektiert wird, auf das Licht-Austrittsfenster (61, 73); sowie
Herstellung eines Rahmens (55, 55′) zur Fixierung der Spiegelplatte (51, 51′) und der Seitenplatte (53), so daß die Abstände vom ersten Konkavspiegel (57) zum zweiten und zum dritten Konkavspiegel (65, 67) auf einen vorbestimmten Abstand fixiert werden.

21. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 20, worin
der vorbestimmte Abstand dem Krümmungsradius des ersten, zweiten und dritten Konkavspiegels (57, 65, 67) entspricht,
der zweite Konkavspiegel (65) so geformt ist, daß er ein Bild des Licht-Eintrittsfensters (59, 71) auf den ersten Konkavspiegel (57) fokussiert, und
der dritte Konkavspiegel (67) so geformt ist, daß er ein auf den ersten Konkavspiegel (57) fokussier tes Bild auf das Licht-Austrittsfenster (61, 73) fokussiert.

22. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 20, worin der zweite und der dritte Konkavspiegel (65, 67) mit der Seitenplatte (53) in einem Stück ausgebil det sind.

23. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 20, worin bei der Herstellung der Seitenplatte (53) der zwei te und der dritte Konkavspiegel (65, 67) herge stellt werden, indem die Seitenplatte (53) auf ei ner Drehbank geschnitten wird.

24. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 20, worin die Seitenplatte (53) mit dem zweiten und dritten Konkavspiegel (65, 67) in einer Preßform in einem Stück geformt wird.

25. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 20, worin die Spiegelplatte (51) und der Rahmen (55, 55′) in einer Preßform in einem Stück geformt werden.

26. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 20, worin der Rahmen (55, 55′) so hergestellt wird, daß sich ein Innenraum des Rahmens in Richtung von der Spie gelplatte (51, 51′) zur Seitenplatte (53) verbrei tert.

27. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 20, weiter hin aufweisend folgenden Schritt:
Ausbildung einer Chrom(Cr)-Schicht, einer Silizium dioxid(SiO₂)-Schicht und einer Gold(Au)-Schicht in dieser Reihenfolge an einer Innenwand der Proben zelle.

28. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 20, weiter hin aufweisend folgenden Schritt:
Anbringung einer transparenten Platte am Licht-Ein trittsfenster (59) sowie
Ausbildung einer transparenten Schicht, die eine andere Brechungszahl als die transparente Platte hat, auf der transparenten Platte.

29. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 20, weiter hin aufweisend folgenden Schritt:
Ausbildung einer Mehrzahl transparenter Schichten mit unterschiedlichen Brechungszahlen am Licht-Eintrittsfenster (59).

30. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 20, weiter hin aufweisend folgende Schritte:
Anbringung einer transparenten Platte am Licht-Austrittsfenster (61) sowie
Ausbildung einer transparenten Schicht, die eine andere Brechungszahl als die transparente Platte hat, auf der transparenten Platte.

31. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 20, weiter hin aufweisend folgenden Schritt:
Ausbildung einer Mehrzahl transparenter Schichten mit unterschiedlichen Brechungszahlen am Licht-Austrittsfenster (61).

32. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 20, worin
die Spiegelplatte (51′) aus einem Material besteht, das in bezug auf für eine Analyse der Probe verwen dete Lichtwellenlängen transparent ist, und
das Herstellungsverfahren weiterhin folgenden Schritt aufweist: Ausbildung einer Schicht aus ei nem Material mit entweder hohem Reflexionsvermögen oder hoher Brechungszahl auf einem Teil der Spie gelplatte (51′), der dem ersten Konkavspiegel (57) entspricht.

33. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 32, weiter hin aufweisend folgenden Schritt:
Ausbildung eines Antireflexionsfilms mit einer kleineren Brechungszahl als die Spiegelplatte (51′) auf einem Teil der Spiegelplatte, der dem Licht-Eintrittsfenster (71) entspricht.

34. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 32, weiter hin aufweisend folgenden Schritt:
Ausbildung eines Antireflexionsfilms mit einer kleineren Brechungszahl als die Spiegelplatte (51′) auf einem Teil der Spiegelplatte, der dem Licht-Austrittsfenster (73) entspricht.

35. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 32, weiter hin aufweisend folgenden Schritt:
Ausbildung einer Mehrzahl transparenter Schichten auf einem Teil der Spiegelplatte (51′), der dem Licht-Eintrittsfenster (71) entspricht, wobei die Brechungszahlen der Mehrzahl transparenter Schich ten unterschiedlich sind.

36. Das Herstellungsverfahren nach Anspruch 32, weiter hin aufweisend folgenden Schritt:
Ausbildung einer Mehrzahl transparenter Schichten auf einem Teil der Spiegelplatte (51′), der dem Licht-Austrittsfenster (73) entspricht, wobei die Brechungszahlen der Mehrzahl transparenter Schich ten unterschiedlich sind.