DE19502431A1 - Optische Schaltvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein das optische Schalten einer Lichtübertragung, und mehr im einzelnen das optische Schalten für Lichtleitfasern, beispielsweise für fotometrische Instru­ mente.

Entwicklungen in der Verwendung und Vielseitigkeit fotometri­ scher Instrumente sowie anderer optischer Vorrichtungen, bei­ spielsweise zur Informationsübertragung, haben den Bedarf zum Schalten bei der Lichtübertragung erweitert. Ein Beispiel ist das Schalten für ein Spektralfotometer.

Schaltvorrichtungen enthalten im allgemeinen wenigstens ein bewegliches optisches Element mit einer Position oder Orien­ tierung, die verändert wird, um von einer Konfiguration auf eine andere umzuschalten. Eine wichtige Anforderung an Schaltvorrichtungen, die in spektralfotometrischen Anwendun­ gen verwendet werden, ist Unempfindlichkeit des Lichtdurch­ satzes gegen kleine, unvermeidliche Bewegungen oder Wackeln, die zu Veränderungen in den relativen Positionen oder Orien­ tierungen optischer Elemente führen. Jede Veränderung im Durchsatz, während der Schalter sich in einer Einstellung be­ findet, verursacht eine fehlerhafte Veränderung eines gemes­ senen fotometrischen Wertes. Eine solche Veränderung im Durchsatz bei dem Wegschalten aus einer gegebenen Einstellung und Zurückschalten in diese führt zu einem Mangel an Reprodu­ zierbarkeit des gemessenen fotometrischen Wertes.

In letzter Zeit sind Lichtleitfasern angepaßt worden auf das Leiten von Strahlung zu einer von dem Instrument entfernten Lichtübertragungs-Probensonde und von ihr weg. Die Sonde kann in die Flüssigkeit eingetaucht sein, wie zum Beispiel be­ schrieben in dem US-Patent 5,077,481 (Hoult), um laufende Veränderungen in der Flüssigkeit zu überwachen. Manchmal ist es wünschenswert, verschiedene Proben mit den gleichen foto­ metrischen Instrument zu überwachen, in welchem Fall Umschal­ ten zum Wählen von Proben oder Sonden erforderlich ist. Es sind verschiedene Arten optischer Schalter bekannt. Zum Bei­ spiel offenbart das US-Patent 5,056,886 (Hoult) die Verwen­ dung eines konkaven Spiegels zum Umschalten zwischen Fasern, die in einem Bündel angeordnet sind, wobei der Spiegel um eine von der optischen Achse beabstandete Drehachse gedreht wird, um ein Umschalten zu bewirken. Dieser Schalter erfor­ dert eine genaue Ausrichtung, um den Lichtdurchsatz aufrecht­ zuerhalten und zu reproduzieren.

Drehbare Periskope zum Umschalten werden in den US-Patenten 4,626,065 (Mori) und 5,005,934 (Curtiss) gelehrt. Mit Peri­ skopen wird die Ausgangsstrahlung allgemein in der gleichen Richtung wie die Eingangsstrahlung, aber seitlich versetzt fortgeführt. Im Prinzip ist der Durchsatz dieser Periskope relativ unempfindlich gegen kleine Veränderungen der Position der Periskopanordnung, aber weist eine gewisse Empfindlich­ keit gegen Drehveränderungen auf. Ferner benötigt ein zentra­ ler Motor zum Umschalten Platz, der dem System optische Weg­ länge hinzufügt, wodurch die Empfindlichkeit gegen Drehverän­ derungen erhöht wird. Das US-Patent 4,989,932 (Landa et al.) offenbart einen Multiplexer, der eine drehbare Trommel um­ faßt, welche ein Paar 45°-Spiegel enthält, um den Lichtdurch­ gang zu einem gewählten Paar Lichtleitfasern abzulenken und Licht von diesem zurückzuleiten. Dieses System ist empfindli­ cher als das Periskop gegen Veränderungen der Position sowie der Orientierung der beweglichen optischen Elemente.

Ein Porro-Reflektor ist einem Periskop ähnlich, abgesehen da­ von, daß die Zweikomponenten-Reflektoren derart orientiert sind, daß sie das Ausgangslicht zu der Eingangsquelle hin zu­ rücklenken. Porro-Reflektoren sind besonders empfindlich ge­ gen kleine Veränderungen der Drehposition um eine Achse, die zu der Kante des Porro-Reflektors sowie zu den Lichtstrahlen senkrecht ist.

Retroreflektoren oder Rückstrahler, insbesondere Corner-Cube- Reflektoren oder Tripelspiegel-Reflektoren werden in der Op­ tik verwendet, um Licht in die Ausgangsrichtung hin zurückzu­ lenken. Zum Beispiel offenbart das US-Patent 4,569,569 (Stewart) einen Koppler für ein Lichtleitfasersystem. Mit einer einzelnen Linse zum Übertragen des Lichtes zu dem Re­ troreflektor hin sowie von ihm weg wird Licht zwischen Licht­ leitfasern durchgeleitet. Eine Ausführungsform umfaßt einen Strahlteiler, wodurch der Retroreflektor zu gewählten Paaren ausgehender Fasern zum Übertragen eines geteilten Strahles gedreht werden kann (Fig. 7 und 8 des Patentes).

Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer neuartigen Vorrichtung für die Übertragung von Licht, insbesondere zwi­ schen Lichtleitfasern. Ein weiteres Ziel ist die Schaffung einer solchen Vorrichtung zum Koppeln und Entkoppeln der Lichtübertragung. Ein weiteres Ziel ist die Schaffung einer solchen Vorrichtung zum Umschalten der Lichtübertragung zwi­ schen einer Lichtübertragungseinrichtung und einer aus mehre­ ren anderen ausgewählten Lichtübertragungseinrichtungen. Ein weiteres Ziel ist die Schaffung einer solchen Vorrichtung, die relativ unempfindlich ist gegen kleine Bewegungen der be­ weglichen optischen Elemente, insbesondere Drehbewegungen. Noch ein weiteres Ziel ist die Schaffung eines verbesserten optischen Umschaltens zwischen einem fotometrischen Instru­ ment und gewählten externen Proben durch die Verwendung von Lichtleitfasern.

Die genannten und weitere Ziele werden wenigstens zum Teil erreicht mit einer optischen Schaltvorrichtung, die mit Übertragungseinrichtungen wie beispielsweise Lichtleitfasern zum Übertragen von Strahlung verknüpft ist. Solche Einrichtungen umfassen eine primäre Übertragungseinrichtung, die in einem primären Fenster endet, welches in eine vorbestimmte Richtung entlang einer primären Achse weist, und eine sekundäre Übertragungseinrichtung, die in einem sekundären Fenster endet, welches in die vorbestimmte Richtung entlang einer sekundären Achse weist. Die sekundäre Achse verläuft parallel zu der primären Achse und in seitlichem Abstand von dieser.

Ein Paar Linsen steht in Lichtstrahlungsverbindung mit den Übertragungseinrichtungen, bestehend aus einer primären Linse und einer sekundären Linse. Die primäre Linse weist eine Achse auf, die mit der primären Achse zusammenfällt, und einen Brennpunkt, der auf der primären Achse bei dem primären Fenster gelegen ist. Die sekundäre Linse weist eine Achse auf, die mit der sekundären Achse zusammenfällt, und einen Brennpunkt, der auf der sekundären Achse bei dem sekundären Fenster gelegen ist. Ein Retroreflektor, vorzugsweise ein Tripelspiegel-Reflektor, das heißt, ein Prisma oder Reflexi­ onsspiegel, befindet sich im Abstand von den Linsen jedem Fenster gegenüber. Die optische Achse des Retroreflektors ist parallel zu der primären Achse ausgerichtet.

Eine Positioniereinrichtung positioniert den Retroreflektor auf jede einer Mehrzahl gewählter Positionen, vorteilhaft durch einen Schrittmotor, der den Retroreflektor um die pri­ märe Achse in jede der Mehrzahl gewählter Positionen dreht. In einer Übertragungsposition ist die optische Achse des Re­ troreflektors auf die Mitte zwischen der primären Achse und der sekundären Achse in deren Ebene ausgerichtet, derart, daß die Strahlung zwischen der primären Übertragungseinrichtung und der sekundären Übertragungseinrichtung durch den Retrore­ flektor über die Linsen übertragen werden kann. In einer zweiten Position ist die optische Achse gegen die Ebene ver­ setzt, so daß im wesentlichen keine Strahlung zwischen der zentralen Übertragungseinrichtung und der äußeren Übertragungseinrichtung passieren kann. Auf diese Weise wird in einem Aspekt der Erfindung ein EIN-AUS-Schalten zwischen den zwei Übertragungseinrichtungen vorgesehen.

In einem bevorzugten Aspekt umfaßt die Übertragungseinrich­ tung wenigstens eine zusätzliche sekundäre Übertragungsein­ richtung zum Übertragen von Strahlung. Jede zusätzliche se­ kundäre Übertragungseinrichtung endet in einem zugehörigen Fenster, das in die vorbestimmte Richtung entlang einer zuge­ hörigen Achse parallel zu der primären Achse weist. Jede zu­ gehörige Achse weist einen seitlichen Abstand von der primä­ ren Achse auf, der in Radialrichtung dem seitlichen Abstand der sekundären Achse von der primären Achse gleich ist. Die zugehörigen Achsen und die sekundäre Achse sind bogenförmig um die primäre Achse herum angeordnet.

Mit jeder zusätzlichen Übertragungseinrichtung ist eine zu­ sätzliche Linse verknüpft mit einer Achse, die mit der zuge­ hörigen Achse zusammenfällt, und einem Brennpunkt, der auf der zugehörigen Achse bei dem zugehörigen Fenster positio­ niert ist. Die Mehrzahl gewählter Positionen des Retroreflek­ tors umfaßt für jede zusätzliche Übertragungseinrichtung eine zusätzliche Übertragungsposition, deren optische Achse in der Mitte zwischen der primären Achse und der zugehörigen Achse in deren Ebene positioniert ist. Auf diese Weise kann Strah­ lung zwischen der primären Übertragungseinrichtung und der zusätzlichen Übertragungseinrichtung durch den Retroreflektor über die primäre Linse und die zusätzliche Linse übertragen werden. Eine gewählte Drehung des Retroreflektors um die pri­ märe Achse sorgt für das Umschalten der Strahlungsübertragung zwischen der zentralen Übertragungseinrichtung und einer ge­ wählten sekundären Übertragungseinrichtung.

Gewählte optische Elemente sind vorteilhafterweise fehlausge­ richtet, um so die Empfindlichkeit der Strahlungsübertragung gegen Ausrichtung während des Umschaltens zu vermindern. Zum Beispiel kann die primäre Linse eine von den Brennweiten der sekundären Linsen nominell verschiedene Brennweite aufweisen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Skizze einer optischen Vorrich­ tung der Erfindung; und

Fig. 2 eine schematische Skizze einer anderen Ausführungs­ form einer Vorrichtung der Erfindung.

In einer optischen Vorrichtung 10, die in Fig. 1 gezeigt ist, überträgt eine Lichtleitfaser 12 Licht von einer (nicht gezeigten) Quelle von Lichtstrahlung, die sichtbar, infrarot oder ultraviolett sein kann. Die Faser endet in einem primä­ ren Endfenster 14, das in eine vorbestimmte Richtung 15 weist, welche in der Figur nach rechts verläuft. An ihrem Ende ist die primäre optische Faser kollinear mit einer pri­ mären Achse 17. Eine sekundäre, äußere optische Faser 16 en­ det in einem äußeren Endfenster 18, das in die gleiche vorbe­ stimmte Richtung weist. An ihrem Ende ist die äußere optische Faser kollinear mit einer sekundären Achse 19, die parallel zu der primären Achse und in seitlichem Abstand R von dieser verläuft. Die Fenster 14, 18 liegen vorzugsweise in einer ge­ meinsamen Ebene 20, die zu der primären Achse senkrecht ist.

Eine primäre Linse 24 ist so angeordnet, daß ihre optische Achse mit der primäre Achse 17 zusammenfällt und ihr Brenn­ punkt 26 auf der primäre Achse bei dem Fenster 14 gelegen ist. Divergierendes Licht von dem Fenster wird durch die pri­ märe Linse gebrochen, um einen Parallellichtstrahl 28 zu bil­ den, der sich von der primären Linse auf der dem Fenster ge­ genüberliegenden Seite erstreckt. Eine ähnliche, vorzugsweise identische oder nahezu identische sekundäre Linse 30 ist so angeordnet, daß ihre optische Achse mit der sekundären Achse 19 zusammenfällt und ihr Brennpunkt 32 auf der sekundären Achse bei dem Fenster 18 gelegen ist. Diese Linse fokussiert einen kollimierten Lichtstrahl 34 auf das Endfenster 18. In der vorliegenden Ausführungsform weisen die primäre Linse 24 und die sekundäre Linse 30 im wesentlichen die gleiche Brenn­ weite auf. (Der Begriff "Linse", wie er hier und in den An­ sprüchen verwendet wird, bedeutet eine einzelne Linse oder eine Kombination von Linsen mit der gleichen Funktion.)

Ein Retroreflektor 36 reflektiert Licht zwischen den Linsen. Der Retroreflektor ist schematisch gezeigt als ein Paar Spie­ gel 30, 40, aber ist in Wirklichkeit ein Corner-Cube-Prisma oder eine äquivalente Konfiguration von Spiegeln mit drei or­ thogonalen Reflexionsflächen. Andere ähnlich funktionierende Anordnungen für einen Retroreflektor können angewendet wer­ den, zum Beispiel ein "Katzenauge" mit einer geeigneten An­ ordnung einer höheren Zahl von Reflexionsfacetten.

Der Retroreflektor ist bezüglich der Linsen 24, 30 gegenüber den Fenstern 14, 18 gelegen. In einer Übertragungsposition reflektiert der Retroreflektor den eintretenden Parallel­ strahl 28 in den austretenden Parallelstrahl 34 über einen Zwischenstrahl 41 (der tatsächlich ein doppelter Strahl zwi­ schen den drei Reflektoren des Corner-Cube-Retroreflektors ist, wobei eine Zwischenreflexion nicht gezeigt ist). Dies wird erreicht, indem der Retroreflektor so positioniert wird, daß seine Achse 44 durch den Scheitelpunkt 46 zu der primären Achse 17 parallel ist und in der Mitte zwischen der primären und der sekundären Achse 17, 19 zentriert ist in der durch diese Achsen definierten Übertragungsebene.

Die Orientierung des Retroreflektors um seine Achse 44 ist theoretisch nicht kritisch. Es ist jedoch sinnvoll, ihn so zu orientieren, daß keine Reflexion an einer Kante zwischen Wür­ felflächen auftritt.

Ein Schrittmotor 48 oder eine andere geeignete Positionier­ einrichtung ist mit dem Retroreflektor 36 verbunden mit einer Antriebswelle 50, um den Retroreflektor wahlweise um die pri­ märe Achse 17 zu drehen. Der Retroreflektor ist mit der pri­ mären Linse 24 und der sekundären Linse 30 so kooperativ kon­ figuriert, daß der primäre Brennpunkt 26 und der sekundäre Brennpunkt 32 konjugierte Brennpunkte miteinander bilden.

Auf diese Weise wird durch die primäre Faser 12 eingeleitetes Licht durch den Retroreflektor 36 durchgeleitet und durch die sekundäre Faser 16 herausgeleitet. Wenn die Fasern und Linsen genau die gleichen sind und richtig ausgerichtet sind, sind die Lichtstrahlcharakteristiken unverändert von Faser zu Fa­ ser. In dieser Erfindung ist es auch äquivalent, ob das Licht von der zentralen Faser zu der äußeren Faser übertragen wird oder umgekehrt.

Der Schrittmotor 48 oder eine andere Positioniereinrichtung wie beispielsweise eine Handsteuerung an der Welle 50 wird dazu verwendet, den Retroreflektor 36 wahlweise um die pri­ märe Achse 17 in jede einer Mehrzahl von gewählten Positionen zu drehen. Für einen einfachen optischen EIN-AUS-Schalter gibt es zwei Positionen. In der ersten Position 53, wobei die Retroreflektorachse 44 zwischen der primären und der sekun­ dären Achse 17, 19 in der Übertragungsebene positioniert ist, kann Licht zwischen der zentralen Faser 12 und der äußeren Faser 16 passieren. In einer zweiten Position, zum Beispiel einer Position 64 (mit gestrichelten Linien gezeigt) im Ab­ stand von 180° von der ersten Position wird der Retroreflek­ tor ausreichend gedreht, so daß seine Achse gegen die Aus­ richtung auf die primäre und die sekundäre Achse versetzt ist, so daß kein Licht zwischen der zentralen Übertragungseinrichtung 12 und der äußeren Übertragungseinrichtung 16 durchgeht. In diesem Aspekt werden die zwei Fasern einfach mit einem EIN-AUS-Schalter gekoppelt und entkoppelt. Eine viel kleinere Drehung als 18° würde für diesen Zweck ausrei­ chen. In einem weiteren Rahmen eines EIN-AUS-Schalters kann die Positioniereinrichtung den Retroreflektor seitlich ver­ setzen; die Dreheinrichtung des vorliegenden Ausführungsbei­ spiels ist jedoch besonders praktisch.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung, der in Fig. 1 ent­ halten ist, ist wenigstens eine zusätzliche sekundäre Faser 54 oder andere Übertragungseinrichtung zum Übertragen von Licht vorhanden, wobei eine solche Faser gezeigt ist. Jede solche Faser endet in einem zugehörigen Endfenster 56, das vorzugsweise in der gemeinsamen Ebene 20 liegt. An ihrem Ende ist die äußere optische Faser kollinear mit einer zugehörigen Achse 61, die parallel zu der primären Achse 17 und in seit­ lichem Abstand R von dieser verläuft, das heißt in gleichem Abstand wie die erste sekundäre Achse 19. Es können so viele zusätzliche Fasern vorhanden sein, wie benötigt werden und der Platz zuläßt.

Eine gesonderte Linse 58 ist jeder zusätzlichen Faser zuge­ ordnet. Jede solche Linse ist mit einem zugehörigen Brenn­ punkt 60 angeordnet, der auf der zugehörigen Linsenachse 61 bei dem zugehörigen Endfenster 56 gelegen ist. Im allgemeinen ist die Konfiguration für jede zusätzliche Faser die gleiche wie für die erste sekundäre Faser 16 und ihre Linse 30. Die Brennweiten sämtlicher sekundärer Linsen sollten einander gleich sein und sind in einer Ausführungsform gleich der Brennweite der primären Linse. Sämtliche sekundären Fasern und Linsen sind auf ihren jeweiligen Achsen bogenförmig um die primäre Achse 17 herum angeordnet.

Die Mehrzahl gewählter Positionen des Retroreflektors umfaßt für jede zusätzliche Faser eine zusätzliche Position 64 mit dem kollimierten Strahlengang in einer neuen Position 34′. Die neue Achse des Retroreflektors ist ausgerichtet in eine neue Position 44′, die in der Mitte zwischen der primären und den zusätzlichen Achsen 17, 61 in der Übertragungsebene die­ ser Achsen zentriert ist, so daß Licht zwischen der primären Faser 12 und der zusätzlichen Faser 54 passieren kann. Da­ durch wird Umschalten vorgesehen für Licht, das zwischen der primären Faser und einer gewählten sekundären Faser durch­ zuleiten ist.

Sämtliche Fenster 14, 18, 56 liegen vorzugsweise in der zu der zentralen Achse senkrechten gemeinsamen Ebene. Im Ideal­ fall sollte der Retroreflektor so angeordnet sein, daß die Summe der seitlichen Abstände R der Achsen und der axialen Distanz D des Scheitelpunktes von der effektiven Ebene 70 der Linsen der Summe der Brennweiten F der primären Linse und der sekundären Linse gleich ist (in dieser Ausführungsform als gleich gezeigt); es ist also R + D = 2F. Dies stellt sicher, daß alle Strahlen von einer Faser sich innerhalb der numeri­ schen Apertur ihres Partners befinden. Jedoch ist dieses Ideal nicht kritisch, und von der erwähnten Beziehung kann um einen Faktor zwei oder mehr abgewichen werden.

Die Fasern sollten im wesentlichen identisch sein, und die Enden der Fasern können eins-zu-eins aufeinander abgebildet sein. Eine genaue Ausrichtung aller Komponenten läßt den ma­ ximalen Lichtdurchsatz zu ohne Vergrößerung der Ausdehnung des Systems.

Die Stabilität und die Wiederholbarkeit können jedoch verbes­ sert werden, indem die Optik wahlweise und nominell außer Flucht gebracht wird. Dies vermindert die Lichtübertragung ein wenig, aber macht sie mehr reproduzierbar und stabil. Eine Möglichkeit zur Fehlausrichtung besteht darin, die pri­ märe Linse 24 mit einer von den Brennweiten der sekundären Linsen nominell verschiedenen Brennweite zu versehen. Zu die­ sem Zweck sollte die Brennweitendifferenz zwischen etwa 10% und 20% der Brennweite der zentralen Linse betragen. Wenn zum Beispiel die Brennweite der primären Linse größer ist als die Brennweiten der sekundären Linsen, wird das Bild des Endes der primären Faser an dem Ende der sekundären Faser verklei­ nert, wogegen die Winkel der von der primären Faser kommenden Strahlen sich über die numerische Apertur der sekundären Fa­ ser hinaus ausbreiten.

Ein anderes Mittel zur Fehlausrichtung besteht in einer Ver­ setzung optischer Elemente aus den oben erläuterten Idealpo­ sitionen. Zum Beispiel ein Verstellen des Retroreflektors entlang der Achse 17 von der Linsenebene weg, um so die Di­ stanz D annähernd zu verdoppeln. Dies verursacht eine Winkel- Fehlausrichtung relativ zu der numerischen Apertur der Fa­ sern. Noch eine weitere Möglichkeit zur Fehlausrichtung eines Bildes des Endes einer oder der anderen Faser besteht darin, den Abstand zwischen der primären Faser und ihrer Linse um etwa 5% bis 10% der Brennweite der Linse zu verändern.

Die geschilderte Schaltvorrichtung kann verwendet werden zur Auswahl von Faserpaaren zum Übertragen von Licht zwischen entfernten Substanzproben und einem fotometrischen Instrument wie beispielsweise einem Spektralfotometer. Dies kann er­ reicht werden in einer kombinierten Vorrichtung 72 (Fig. 2) mit einer zweiten Kombination einer Schaltoptik 74, die im wesentlichen mit der ersten Kombination 10 identisch ist, ab­ gesehen davon, daß sie als deren Spiegelbild angeordnet ist und von ihr in die Gegenrichtung weist. Die zweite, komple­ mentäre Kombination oder "Gegenstück-Kombination" 110 umfaßt eine komplementäre primäre Lichtleitfaser 112 (oder andere Übertragungseinrichtung zum Übertragen von Licht), eine kom­ plementäre sekundäre Faser 116, wenigstens eine komplementäre zusätzliche Faser 154 und einen komplementären Retroreflektor 136. Ferner sind entsprechende komplementäre Linsen 124, 130, 158 vorgesehen.

Die komplementäre primäre Lichtleitfaser 112 ist axial ausge­ richtet auf die primäre Faser 12 auf der Achse 17 der primä­ ren optischen Kombination 10. Der gleiche Schrittmotor 48 (oder eine andere Positioniereinrichtung wie beispielsweise ein zweiter Motor) ist mit einer gemeinsamen Antriebswelle 50 (oder einem Paar fluchtender Antriebswellen) verbunden, um den zweiten Retroreflektor 136 wechselseitig mit dem ersten Retroreflektor 36 um die primäre Achse 17 zu drehen. Die zweite sekundäre Faser 116 und jede zweite zusätzliche Faser 154 weisen extern eine optische Paarung auf mit einer dazu­ passenden äußeren Faser 16 oder zusätzlichen Faser 54 der er­ sten Kombination, um so eine Lichtübertragung durch jede Paa­ rung zu bewirken. Die optische Paarung wird zum Beispiel be­ wirkt über Flüssigprobenzellen 90, 92 mit einer Mehrzahl von Linsen 94, die herkömmlich angeordnet sind, um Licht zur Ana­ lyse durch die Flüssigkeit 95, 97 zu leiten. Jedes Faserpaar wird mit einer unterschiedlichen Probenzelle verwendet.

Eine wahlweise wechselseitige Drehung der Retroreflektor sorgt für das Umschalten für Licht, das aus einem Instrument 96 heraus und zu diesem zurück geleitet werden soll, über die zweite sekundäre Faser 76 und die primäre Faser 12 der ersten Kombination, und ferner über ein gewähltes Paar äußerer Fa­ sern, wodurch Probenzellen gewählt werden.

Die hier gegebenen Beispiele sind zwar unter Bezug auf opti­ sche Fasern dargelegt, es können aber auch andere Lichtüber­ tragungseinrichtungen verwendet werden. Zum Beispiel kann eine zentrale Übertragungseinrichtung wie eine optische Folge von Linsen und/oder Spiegeln eine Lichtquelle bei der Posi­ tion der Fenster abbilden. Ähnlich kann eine andere optische Folge ein Bild an dem Ort des äußeren Fensters aufgreifen. In solchen Fällen kann der Begriff "Fenster", wie er hier und in den Ansprüchen verwendet wird, ein virtuelles Fenster an dem Ort eines solchen Bildes bedeuten. Eine physische Apertur­ blende kann an dem Fensterort positioniert sein.

Ferner leuchtet es ein, daß die Erfindung außer bei optischen Systemen bei anderen fotometrischen Instrumenten verwendet werden kann. Ein Beispiel ist die Informationsübertragung wie beispielsweise Telefon- oder Computerleitungen.

Die Verwendung eines Retroreflektors gemäß der Erfindung bie­ tet Vorteile gegenüber anderen Schalteinrichtungen. Die Er­ finder haben festgestellt, daß ein Retroreflektor eine bedeu­ tende Verminderung in der Lichtdurchgangsempfindlichkeit schafft gegenüber Einzelebenen-Spiegelanordnungen hinsicht­ lich kleiner Drehverstellungen. Der Retroreflektor schafft ferner bedeutende Verminderungen in der Lichtdurchgangsemp­ findlichkeit gegenüber den Konkavspiegelanordnungen des vor­ erwähnten US-Patents 5,077,481 hinsichtlich kleiner Drehver­ stellungen sowie translatorischer Verstellungen. Ein Vorteil gegenüber dem Periskopschaltverfahren besteht darin, daß das letztere praktisch einen Motor innerhalb des Kreises der äu­ ßeren Fasern benötigt, wodurch die Länge des von dem Strahl durchlaufenen Querabstands vergrößert wird, was die Stabili­ tät und Wiederholbarkeit vermindert. Obwohl das Periskop und der Porro-Reflektor eine niedrige Empfindlichkeit gegen translatorische Verstellungen aufweisen, sind sie empfindli­ cher gegen Drehfehler als ein (Corner-Cube)-Retroreflektor. Dieser bietet auch Verbesserungen der Empfindlichkeit gegen­ über Einzelspiegelumschaltung. Vielfache Linsen, die wie hier gelehrt angeordnet sind, sorgen für eine verbesserte Empfind­ lichkeit gegenüber dem Einzellinsensystem des vorerwähnten US-Patents 4,569,569.

Die Einzellinsenanordnung des vorerwähnten US-Patents 4,569,569 teilt den Strahl von einem Retroreflektor, wodurch nur die Übertragung der Hälfte des Lichtes zu einer einzelnen gewählten Faser zugelassen wird. In der optischen Vorrichtung der Erfindung teilt die Verwendung einer gesonderten, jeder Faser zugeordneten Linse den Strahl nicht und läßt daher zu, daß im wesentlichen die gesamte Lichtmenge weitergeleitet wird.

Obzwar die Erfindung oben im einzelnen anhand spezieller Aus­ führungsformen beschrieben worden ist, sind für den Fachmann verschiedene Änderungen und Abwandlungen offensichtlich, die im Gedanken und Rahmen der Erfindung liegen. Daher soll die Erfindung nur durch die Ansprüche oder ihre Äquivalente be­ schränkt sein.

Claims (18)

1. Optische Schaltvorrichtung, gekennzeichnet durch
Übertragungseinrichtungen zum Übertragen von Strahlung, umfassend eine primäre Übertragungseinrichtung (12), die in einem primären Fenster (14) endet, welches in eine vorbe­ stimmte Richtung entlang einer primären Achse (17) weist, und
eine sekundäre Übertragungseinrichtung (16), die in einem se­ kundären Fenster (18) endet, welches in die vorbestimmte Richtung entlang einer sekundären Achse (19) weist, wobei die sekundäre Achse (19) parallel zu der primären Achse (17) ver­ läuft und einen seitlichen Abstand von der primären Achse (17) aufweist,
ein Paar Linsen (24, 30), die in Strahlungsverbindung mit den Übertragungseinrichtungen stehen, bestehend aus einer primären Linse (24) und einer sekundären Linse (30), wobei die primäre Linse (24) eine Achse aufweist, die mit der pri­ mären Achse (17) zusammenfällt, und einen Brennpunkt (26), der auf der primären Achse (17) bei dem primären Fenster (18) gelegen ist, und die sekundäre Linse (30) eine Achse auf­ weist, die mit der sekundären Achse (19) zusammenfällt, und einen sekundären Brennpunkt (32), der auf der sekundären Achse (19) bei dem sekundären Fenster (18) gelegen ist,
einen Retroreflektor (36), der von den Linsen (24, 30) auf der Gegenseite jedes Fensters (14, 18) beabstandet ist, wobei der Retroreflektor (36) eine optische Achse (44) aufweist, die parallel zu der primären Achse (17) ausgerichtet ist, und
eine Positioniereinrichtung (48) zum wahlweisen Positio­ nieren des Retroreflektors (36) auf jede einer Mehrzahl ge­ wählter Positionen, umfassend eine Übertragungsposition, bei der die optische Achse (44) auf die Mitte zwischen der primä­ ren Achse (17) und der sekundären Achse (19) in deren Ebene ausgerichtet ist, derart, daß Strahlung zwischen der primären Übertragungseinrichtung (12) und der sekundären Übertragungseinrichtung (16) durch den Retroreflektor (36) über die Lin­ sen (24, 30) übertragen werden kann, und eine weitere Posi­ tion, bei der die optische Achse (44) gegen die Ebene ver­ setzt ist, so daß im wesentlichen keine Strahlung zwischen der zentralen Übertragungseinrichtung (17) und der äußeren Übertragungseinrichtung hindurchtreten kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Übertragungseinrichtung eine Lichtleitfaser (12, 16) um­ faßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor (36) ein Corner-Cube-Reflektor ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen (24, 30) gleiche Brennweiten aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinrichtung (48) den Retroreflektor (36) wahl­ weise um die primäre Achse (17) in jede der Mehrzahl gewähl­ ter Positionen dreht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinrichtung einen Schrittmotor (48) umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen (24, 30) eine gemeinsame Linsenebene (70) senkrecht zu der primären Achse (17) aufweisen, daß der Retroreflektor (36) einen Scheitelpunkt (46) auf der optischen Achse (44) mit einem seitlichen Abstand von der Linsenebene (70) auf­ weist, daß die Linsen (24, 30) entsprechende Brennweiten (F) aufweisen, und daß die Summe des seitlichen Abstands (R) und des Scheitelpunktabstands (D) gleich der Summe der Brennwei­ ten (F,F) ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fenster (14, 18), die Linsen (24, 30) und der Retroreflek­ tor (36) optische Elemente bilden, und gewählte Elemente der optischen Elemente eine nominelle Fehlausrichtung aufweisen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die nominelle Fehlausrichtung umfaßt, daß die primäre Linse (24) und die sekundäre Linse (30) nominell unterschiedliche Brennweiten aufweisen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung eine oder mehrere zusätzliche se­ kundäre Übertragungseinrichtungen (54) zum Übertragen von Strahlung umfaßt, daß jede solche zusätzliche Einrichtung (54) in einem zugeordneten Fenster (56) endet, das in die vorbestimmte Richtung entlang einer zugeordneten Achse (61) weist, daß jede zugeordnete Achse (61) parallel zu der primä­ ren Achse (17) verläuft und einen seitlichen Abstand von der primären Achse (17) aufweist, der in Radialrichtung gleich dem seitlichen Abstand der sekundären Achse (19) von der pri­ mären Achse (17) ist, daß die sekundäre Achse (19) und die zugeordneten Achsen (61) bogenförmig um die primäre Achse (17) herum angeordnet sind, und daß die Vorrichtung ferner eine zusätzliche sekundäre Linse (58) umfaßt, die jeder zu­ sätzlichen Übertragungseinrichtung (54) zugeordnet ist, wobei jede zusätzliche Linse (58) eine Achse aufweist, die mit der zugeordneten Achse (61) zusammenfällt, und einen Brennpunkt (60), der auf der zugeordneten Achse (61) bei dem zugeordne­ ten Fenster (56) gelegen ist, so daß die Mehrzahl gewählter Positionen des Retroreflektors (36) für jede zusätzliche Übertragungseinrichtung (54) eine zusätzliche Übertragungsposition umfaßt, wobei die optische Achse (44) in der Mitte zwischen der primären Achse (17) und der zugeordneten Achse (61) in deren Ebene positioniert ist, so daß Strahlung zwi­ schen der primären Übertragungseinrichtung (12) und der zu­ sätzlichen Übertragungseinrichtung (54) durch den Retrore­ flektor (36) übertragen werden kann über die primäre Linse (24) und die sekundäre Linse (30), wodurch eine gewählte Dre­ hung des Retroreflektors (36) um die primäre Achse (17) ein Umschalten vorsieht für die Übertragung von Strahlung zwi­ schen der zentralen Übertragungseinrichtung (12) und einer gewählten sekundären Übertragungseinrichtung (16, 54).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinrichtung einen Schrittmotor (48) um­ faßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung eine Lichtleitfaser (12, 16, 54) umfaßt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor (36) ein Corner-Cube-Reflektor ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen, die aus der primären Linse (24) und jeder se­ kundären Linse (30, 58) bestehen, gleiche Brennweiten (F) auf­ weisen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fenster (14, 18, 56), der Retroreflektor (36), die pri­ märe Linse (24) und jede zusätzliche Linse (30, 58) optische Elemente bilden, und gewählte Elemente der optischen Elemente eine nominelle Fehlausrichtung aufweisen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die nominelle Fehlausrichtung umfaßt, daß die gemeinsame Brennweite nominell verschieden ist von der Brennweite der primären Linse (24).

17. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine erste Optik-Kombination (72), umfas­ send den Retroreflektor (36), jede Übertragungseinrichtung (12, 16, 54) und jede Linse (24, 30, 58), umfaßt, und ferner eine mit der ersten Kombination (72) im wesentlichen identische, als deren Spiegelbild angeordnete und in entgegengesetzter Richtung weisende zweite Optik-Kombination (74) umfaßt, wobei die zweite Kombination (74) einen zweiten Retroreflektor (136), eine zweite primäre Übertragungseinrichtung (112) zum Übertragen von Strahlung und eine Mehrzahl zweiter sekundärer Übertragungseinrichtungen (116, 154) zum Übertragen von Strah­ lung umfaßt, wobei die zweite primäre Übertragungseinrichtung (112) axial auf die primäre Übertragungseinrichtung (12) der ersten Kombination (72) ausgerichtet ist, jede sekundäre Übertragungseinrichtung (116, 154) der zweiten Kombination (74) axial auf eine komplementäre sekundäre Übertragungseinrichtung (16, 54) der ersten Kombination (72) ausgerichtet ist, und die Positioniereinrichtung so verbunden ist, daß sie den zweiten Retroreflektor (136) um die zentrale Achse (17) dreht zusammen mit dem Retroreflektor (36) der ersten Kombi­ nation (72), wodurch eine wechselseitige Drehung der Retrore­ flektoren (36, 136) für koordiniertes Umschalten der ersten Kombination (72) und der zweiten Kombination (74) sorgt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniereinrichtung einen Schrittmotor (48) um­ faßt, der zwischen dem zweiten Retroreflektor (136) und dem Retroreflektor (36) der ersten Kombination (72) angeordnet ist, sowie eine Antriebswelle (50), die sich von entgegenge­ setzten Seiten des Schrittmotors (48) erstreckt, wobei die Antriebswelle (50) mit jedem Retroreflektor (36, 136) an der zentralen Achse (17) verbunden ist.