DE102006006302A1

DE102006006302A1 - Druckmesseinrichtung und Verfahren zur Druckmessung

Info

Publication number: DE102006006302A1
Application number: DE200610006302
Authority: DE
Inventors: Humberto Dr. Chaves
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2006-02-10
Filing date: 2006-02-10
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2026-02-11
Also published as: DE102006006302B4

Abstract

Eine Druckmesseinrichtung weist ein aktives lichtemittierendes Element zum Aussenden eines Lichtbündels auf sowie ein im Strahlengang des Lichtbündels angeordnetes optisch refletierendes Druckaufnahmeelement, welches mittels darauf ausgeübten mechanischen Drucks verformbar ist, worauf das optisch reflektierende Druckaufnahmeelement zumindest einen Teil des flächig darauf auftreffenden Lichtbündels in Form eines Reflektions-Lichtbündels reflektiert, welches charakteristisch ist für die Verformung des optisch reflektierenden Druckaufnahmeelements. Ferner weist die Druckmesseinrichtung ein photosensitives Element zum Erfassen zumindest eines Teils des Reflektions-Lichtbündels auf. Das aktive lichtemittierende Element ist in dem Strahlengang des Reflektions-Lichtbündels angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckmesseinrichtung sowie ein Verfahren zur Druckmessung.

Eine solche Druckmesseinrichtung sowie ein solches Verfahren zur Druckmessung sind aus DE 4105270 A1 bekannt.

Bei der dort beschriebenen Druckmesseinrichtung ist ein Lichtsender vorgesehen zum Aussenden von Licht direkt oder durch ein Lichtleitfaserbündel auf eine konvexe Linse, welche das auftreffende Licht auf eine Membran führt, welche das auf diese auftreffende Lichtbündel wieder in Richtung der Linse reflektiert. Die Linse leitet ihrerseits das auftreffende reflektierte Lichtbündel zu dem in Richtung des Lichtleitfaserbündels oder in Richtung eines photosensitiven Elements weiter. Gemäß diesen Messeinrichtungen ist jedoch der aktive Lichtsender nicht in dem Strahlengang des reflektierten Lichtbündels angeordnet, so dass das reflektierte Lichtbündel niemals auf den aktiven Lichtsender auftrifft.

Weiterhin ist beispielsweise aus (J. Hast, Self-mixing interferometry and its applications in noninvasive pulse detection, Department of Electrical and Information Engineering, University of Oulu, Oulu, 2003) der so genannte Selbstmisch-Effekt (Self-Mixing-Effect) bei Halbleiter-Laserdioden bekannt. Der Selbstmisch-Effekt tritt bei einer Halbleiterdiode sowohl im Laser-Betriebsmodus als auch im Leuchtdioden-Betriebsmodus auf.

Ein Überblick über kommerziell erhältliche Halbleiter-Laserdioden ist beispielsweise in (Toshiba, Product Guide Visible Laser Diodes, 2004) zu finden.

Weiterhin ist in WO 99/51938 A1 Self-Mixing bei einer superlumineszierenden Leuchtdiode beschrieben.

Die Druckmesseinrichtungen gemäß DE 41 052 70 A1 weisen einen sehr komplexen und teueren Aufbau auf und sind nur schwierig und aufwendig zu justieren.

Bei anderen üblichen optischen Drucksensoren bzw. optischen Mikrophonen wird bisher die Membranauslenkung genutzt, um eine Modulation des Lichtes zu bewerkstelligen.

Es wird eine Druckmesseinrichtung bereitgestellt mit einem aktiven lichtemittierenden Element zum Aussenden eines Lichtbündels, mit einem im Strahlengang des Lichtbündels angeordneten optisch reflektierenden Druckaufnahmeelement, welches mittels darauf ausgeübten mechanischen Drucks verformbar ist, worauf das optisch reflektierende Druckaufnahmeelement zumindest einen Teil des flächig darauf auftreffenden Lichtbündels in Form eines Reflektions-Lichtbündels reflektiert, welches charakteristisch ist für die Verformung des optisch reflektierenden Druckaufnahmeelements sowie mit mindestens einem photosensitiven Element zum Erfassen zumindest eines Teils des Reflektions-Lichtbündels. Das aktive lichtemittierende Element ist in dem Strahlengang des Reflektions-Lichtbündels angeordnet.

Bei einem Verfahren zur Druckmessung wird mit einem aktiven lichtemittierenden Element ein Lichtbündel ausgesendet. Ein im Strahlengang des Lichtbündels angeordnetes optisch reflektierendes Druckaufnahmeelement wird mittels darauf ausgeübten mechanischen Drucks verformt, worauf das optisch reflektierende Druckaufnahmeelement zumindest einen Teil des flächig darauf auftreffenden Lichtbündels in Form eines Reflektions-Lichtbündels reflektiert, welches charakteristisch ist für die Verformung des optisch reflektierenden Druckaufnahmeelements. Das Reflektions- Lichtbündel wird auf und/oder durch das lichtemittierende Element geleitet und zumindest ein Teil des Reflektions-Lichtbündels wird erfasst.

Anschaulich kann ein Aspekt der Erfindung darin gesehen werden, dass Licht mit beispielsweise konstanter abgestrahlter Lichtleistung auf ein optisch reflektierendes Druckaufnahmeelement, beispielsweise mittels eines abbildenden optischen Systems (beispielsweise einem Hohlspiegel oder einer Linse) geführt wird, dort auftrifft auf zumindest einen Teil des optisch reflektierenden Druckaufnahmeelements, wobei die Flächengröße des auf eine vorbestimmte optische Querschnittsebene des Lichtbündels empfangenen Lichtbündelquerschnitts in Abhängigkeit von einer Änderung, anders ausgedrückt einer Verformung des Druckaufnahmeelements geändert wird, und das reflektierte Lichtbündel zurück zu dem aktiven lichtemittierenden Element geführt wird, so dass das Reflektions-Lichtbündel zumindest teilweise auf das aktive lichtemittierende Element trifft. Dort kann es einen Selbstmisch-Effekt auslösen, was beispielsweise zu einem erhöhten Signal-zu-Rausch-Verhältnis der Druckmesseinrichtung führt. Das Reflektions-Lichtbündel kann jedoch auch ohne zusätzliche Wirkung durch das aktive lichtemittierende Element transmittiert werden und anschließend auf das photosensitive Element treffen.

Beispielsweise durch das Anordnen des aktiven lichtemittierenden Elements in dem Strahlengang des Reflektions-Lichtbündels wird das zusätzlich erforderliche Vorsehen eines Strahlteilers mit der damit verbundenen nachteiligen Dämpfung der empfangenen und auswertbaren Lichtintensität vermieden. Damit zeichnet sich die Erfindung durch eine erhöhte Effizienz aus, anders ausgedrückt, es können höhere Signalpegel von dem photosensitiven Element erfasst werden als gemäß dem Stand der Technik.

Beispielhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Die Ausgestaltungen gelten für die Druckmesseinrichtung und, soweit sinnvoll, sinngemäß für das Verfahren zur Druckmessung.

Das aktive lichtemittierende Element kann als Leuchtdiode, beispielsweise als Halbleiter-Leuchtdiode eingerichtet sein. Alternativ oder zusätzlich kann das aktive lichtemittierende Element als Laser eingerichtet sein, beispielsweise als Halbleiter-Laser. Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das aktive lichtemittierende Element als Halbleiter-Laserdiode eingerichtet.

Beispielsweise gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung wird der so genannte Selbstmisch-Effekt, welche auftritt für den erfindungsgemäßen Fall, dass das Reflektions-Lichtbündel zumindest teilweise auf das aktive lichtemittierende Element zurückgeführt wird, erreicht und ausgenutzt.

In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass die Reflektion des Lichts gemäß DE 41 052 70 A1 unabhängig von der Wellenlänge des reflektierten Lichtes in passiver Form detektiert wird.

Bei dem Self-Mixing-Effect (das heißt bei dem Selbstmisch-Effekt), wie er bei Halbleiter-Laserdioden auftritt und gemäß der oben beschriebenen Ausgestaltung der Erfindung ausgenutzt wird, erfolgt die Detektion mit einer sehr schmalen Bandbreite, die der Bandbreite des Lasers der Halbleiter-Laserdiode entspricht. Das zurückgekoppelte Licht, anders ausgedrückt das Reflektions-Lichtbündel, welches auf das aktive lichtemittierende Element trifft, verändert die Lichtemission des Lasers bzw. der Halbleiter-Laserdiode selbst und insofern handelt es sich anschaulich bei dieser Ausgestaltung der Erfindung um eine aktive Detektion.

Das optisch reflektierende Druckaufnahmeelement kann eine Membran sein, welche über ein Aufnahmeelement gespannt ist, beispielsweise über einen Kunststoffrahmen. Die Membran kann eine Membran eines Mikrophons, beispielsweise eine Membran eines optischen Mikrophons, sein.

Weiterhin ist die Membran gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung aus Kunststoff hergestellt.

Je nach Einsatzgebiet weist die Membran eine Dicke zwischen ungefähr 100 Nanometer (nm) bis einem Millimeter (mm) auf, wobei eine Membrandicke von beispielsweise ungefähr 1/10 mm aus Stahl eine Druckmesseinrichtung, anders ausgedrückt einen Drucksensor, ermöglichen würde, der einen Druck im Bereich MPa erfassen könnte.

Die Membran kann somit auch aus einem optisch reflektierenden Metall hergestellt sein. Ist die Membran aus Kunststoff hergestellt, so kann die Membran bedampft sein mit einer dünnen Metallschicht, beispielsweise aus Gold oder Aluminium.

Die Membran kann grundsätzlich aus jedem beliebigen Material hergestellt sein, soweit es ausreichend gut reflektierend ist. Es sollte, je nach Anwendung, zumindest ein Reflektionsfaktor von ungefähr 10% erreicht werden.

Besonders geeignet für ein optisches Mikrophon ist eine Membran einer Dicke von 0,1 µm bis 50 µm, beispielsweise einer Dicke von 0,1 µm bis 20 µm.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das photosensitive Element eine Photodiode oder ein photosensitiver Widerstand oder eine Halbleiter-Laserdiode.

Bei einer herkömmlichen Halbleiter-Laserdiode ist sehr häufig gemeinsam mit der Laserdiode in einem Gehäuse schon eine Photodiode eingebracht, welche im Rahmen der Druckmesseinrichtung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden kann. In diesem Fall würden ohnehin schon vorhandene optische Komponenten, welche sehr kostengünstig als Massenware erhältlich sind, im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden können.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass zwischen dem aktiven lichtemittierenden Element und dem optisch reflektierenden Druckaufnahmeelement ein Lichtbündel-leitendes Element, beispielsweise mindestens eine Lichtleitfaser, alternativ eine Mehrzahl von Lichtleitfasern, angeordnet ist.

Es ist in diesem Zusammenhang darauf hinzuweisen, dass unter einem aktiven lichtemittierenden Element keine Lichtleitfaser zu verstehen ist, sondern ein lichterzeugendes Element und nicht ein passives Element, welches lediglich zuvor erzeugtes Licht führt.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist eine Stromquelle, ein Spannungs-Netzteil oder eine Batterie zum Bereitstellen eines elektrischen Stroms an das aktive lichtemittierende Element vorgesehen.

Weiterhin kann eine Ansteuereinheit zum Ansteuern der Halbleiter-Laserdiode mit elektrischem Strom vorgesehen sein, wobei die Ansteuereinheit in entsprechend dimensionierbaren, beispielsweise regelbaren Stromquellenschaltungen vorgesehen sein kann, wobei die Ansteuereinheit auch gemeinsam mit der Stromquelle, dem Spannungs-Netzteil oder der Batterie in einer Einheit in einem Gehäuse realisiert sein kann.

Die Ansteuereinheit ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung derart eingerichtet, dass sie die Halbleiter-Laserdiode im Leuchtdioden-Modus betreibt, alternativ oder zusätzlich derart, dass sie die Halbleiter-Laserdiode im Laser-Betriebsmodus betreibt.

Im Leuchtdioden-Modus ist zwar der auftretende Selbstmisch-Effekt etwas geringer als im Laser-Betriebsmodus, jedoch ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis in dem Leuchtdioden-Betriebsmodus erheblich größer als im Laser-Betriebsmodus, da im Laser-Betriebsmodus das Halbleiterlaser-Rauschen relativ stark ist.

Es kann je nach Anforderung zwischen einem Leuchtdioden-Betriebsmodus und einem Laser-Betriebsmodus bei der Halbleiter-Laserdiode gewechselt werden.

In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass eine übliche Halblaserleiter-Diode unterhalb eines Laser-Schwellenstroms als Leuchtdiode wirkt und damit im Leuchtdioden-Betriebsmodus betrieben wird und oberhalb des Laser-Schwellenstroms im Laser-Betriebsmodus und somit als Halbleiterlaser.

Ferner kann mindestens eine im Strahlengang des Lichtbündels angeordnete optische Linse vorgesehen sein, die ferner im Strahlengang des Reflektions-Lichtbündels angeordnet sein kann. Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung können mehrere optische Linsen vorgesehen sein.

Mindestens eine optische Linse kann konvex ausgebildet sein.

Weiterhin kann in dem Strahlengang des Lichtbündels ein optischer Spiegel, beispielsweise ein Hohlspiegel, vorgesehen sein.

Das aktive lichtemittierende Element kann in der Nähe des Brennpunktes der mindestens einen optischen Linse oder des mindestens einen Spiegels angeordnet sein, womit die Effizienz der Druckmesseinrichtung weiter erhöht wird.

Die Druckmesseinrichtung weist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weiterhin eine mit dem photosensitiven Element gekoppelte Messsignal-Auswerteeinheit auf, welche eingerichtet ist zum Ermitteln einer von der Verformung des optisch reflektierenden Druckaufnahmeelements abhängigen Größe aus dem erfassten Teil des Reflektions-Lichtbündels. Die Messsignal-Auswerteeinheit ist mit dem photosensitiven Element gekoppelt, so dass sie den elektrischen Strom bzw. die elektrische Spannung, die von dem photosensitiven Element in Abhängigkeit von dem erfassten Teil des Reflektions-Lichtbündels erzeugt wird, erfasst und daraus den Grad der Verformung des Druckaufnahmeelements ermittelt, und damit beispielsweise den Druck, der zu einem Zeitpunkt auf das Druckaufnahmeelement wirkt. Auf diese Weise ist es möglich, beispielsweise die Amplitude und Frequenz von auf eine Membran eines Mikrophons auftreffende Schallschwingungen zu ermitteln.

Weiterhin kann ein Signalgenerator vorgesehen sein zum Erzeugen eines elektrischen Stroms, welcher abhängig ist von der Verformung des optisch reflektierenden Druckaufnahmeelements. Anschaulich kann ein Aspekt der Erfindung darin gesehen werden, dass ausgenutzt wird, dass eine reflektierende Membran selbst einen Hohlspiegel bzw. einen konvexen Spiegel hoher Qualität darstellt, dessen Brennweite durch den Druck bzw. durch den auf die Membran treffenden Schall variiert.

Anschaulich wird von der als Sensor wirkenden Druckmesseinrichtung erreicht, dass der Wert eines Druckes bzw. die Änderung der Werte des Drucks einen proportionalen oder indirekt proportionalen elektrischen Spannungswert liefert. Es ist in diesem Zusammenhang darauf hinzuweisen, dass die Druckmesseinrichtung gemäß der Erfindung keinen Wandler darstellt, das heißt anders ausgedrückt, dass die abgegebene elektrische Leistung nicht der einfallenden Druckleistung entspricht und im allgemeinen größer ist.

Die Druckmesseinrichtung gemäß der Erfindung bzw. gemäß den Ausgestaltungen der Erfindung weist/weisen einen gegenüber dem Stand der Technik erhöhten Signal-zu-Rausch-Abstand auf. Weiterhin zeichnet sich die Druckmesseinrichtung durch reduzierte Herstellungskosten aus sowie durch eine erhöhte Empfindlichkeit. Auch die Baugröße der Druckmesseinrichtung ist minimiert, sie ist einfach auch sehr einfach zu justieren.

Ferner kann ein Aspekt der Erfindung darin gesehen werden, dass die Variation des von dem optisch reflektierenden Druckaufnahmeelement im Takt mit dem Drucksignal bzw. dem Schallsignal, welches auf das Druckaufnahmeelement trifft, durch das Druckaufnahmeelement, beispielsweise durch die reflektierende Membran, genutzt wird, um die Verstärkung der Lichtemission einer Halbleiter-Laserdiode entsprechend zu modulieren.

Die Erfindung kann in allen Anwendungsgebieten eingesetzt werden, in denen Druckmesseinrichtungen, anders ausgedrückt Drucksensoren, beispielsweise Mikrophone, eingesetzt werden können und darüber hinaus beispielsweise in explosionsgefährdeten Bereichen oder bei Existenz starker elektromagnetischer Felder, beispielsweise in Kernspin-Tomographen.

Ferner ist darauf hinzuweisen, dass die Zeitauflösung der Druckmesseinrichtung nicht von dem Messprinzip her begrenzt wird, sondern lediglich durch die Resonanzfrequenz der Membran.

Aufgrund der hohen Zeitauflösung lassen durch Differenzierung nach der Zeit die Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung ermitteln.

Anschaulich wird bei der Druckmesseinrichtung gemäß der Erfindung nicht die Geschwindigkeit der Membran selbst als Objekt gemessen, sondern es wird die Krümmung des starr befestigten Elements, dem Druckaufnahmeelement, beispielsweise der Membran, ermittelt, indem das flächig auftretende Lichtbündel abhängig von der Krümmung des Druckaufnahmeelements auf dessen Oberfläche als ein entsprechend charakteristisches Reflektions-Lichtbündel reflektiert wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
1 eine Druckmesseinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
2 eine Druckmesseinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1 zeigt ein optisches Mikrophon 100 als Druckmesseinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Das optische Mikrophon 100 weist eine Halbleiter-Laserdioden-Vorrichtung 101 auf, welche in ihrem Gehäuse eine Halbleiter-Laserdiode 102 sowie eine im rückseitigen Strahlengang angeordnete Photodiode 103 als photosensitives Element aufweist.
Die in diesem Fall als kantenemittierende Halbleiter-Laserdiode 102 eingerichtete Halbleiter-Laserdiode 102 emittiert ein Lichtbündel 104 in Richtung einer im Strahlengang des emittierten Lichtbündels angeordneten optischen Linse 105, welche derart eingerichtet ist, dass das Lichtbündel 104 elektrisch konstante Lichtleistung zu einem kollinearen Lichtbündel 106 geformt wird, welches auf eine Membran 107 trifft, wobei die Membran 107 auf einem Rahmen starr befestigt ist, so dass sie jedoch noch deformierbar ist, wenn Druck auf die Membran 107 ausgeübt wird, beispielsweise erzeugt durch Schallschwingungen, die auf die Membran 107 auftreffen.
Ferner ist ein Spannungs-Netzteil 108 vorgesehen und mit der Halbleiter-Laserdiode 102 gekoppelt mittels eines elektrischen Kabels 109. Das Spannungs-Netzteil 108 liefert den elektrischen Strom zum Betreiben der Halbleiter-Laserdiode 102. Zwischen das Spannungs-Netzteil 108 und der Halbleiter-Laserdiode 102 kann ein Widerstands-Anpassungsnetzwerk mit elektrischen Widerständen und Kapazitäten vorgesehen sein, die gemäß den jeweiligen Anforderungen optimiert ausgebildet und dimensioniert sein können.
Weiterhin ist eine Messsignal-Auswerteeinheit 110 vorgesehen und eingangsseitig mit der Photodiode 103 mittels eines zweiten Kabels 111 gekoppelt.
Die Messsignal-Auswerteeinheit 110 ist eingerichtet zum Auswerten des elektrischen Stroms dahingehend, dass aus der Größe des von der Photodiode 103 gelieferten elektrischen Stroms die Verformung der Membran 107 und damit der auf die Membran 107 wirkende mechanische Druck ermittelt wird.
Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass in einer Abbildungstabelle für die jeweiligen Stromwerte die in einer Initialisierungsphase ermittelten Druckwerte gespeichert sind und somit die jeweiligen Druckwerte zu einem in der Anwendungsphase gemessenen Stromwerte ermittelt und ausgelesen werden. In der Kalibrierungsphase wird jeweils der für einen vorgegebenen mechanischen Druck, welcher auf die Membran 107 ausgeübt wird, von der Photodiode 103 erzeugte elektrische Strom (der Photostrom) erfasst und das jeweilige Tupel (Druck, Strom) wird ausgewertet und beispielsweise für eine Linearisierung verwendet.
Es ist darauf hinzuweisen, dass gemäß diesen Ausführungsbeispielen der Erfindung der Drucksensor als Differenzdrucksensor ausgebildet ist.
Die Halbleiter-Laserdiode 102 ist in oder in der Nähe des Brennpunktes der optischen Linse 105 angeordnet.
Die Halbleiter-Laserdiode 102 dient einerseits als Lichtquelle zum Aussenden des Lichtbündels 104 und andererseits, wie im Folgenden noch näher erläutert wird, als frequenzselektiver Verstärker des zurückkommenden Lichtes, welches als Reflektions-Lichtbündel auf die Halbleiter-Laserdiode 102 auftrifft. Die konvexe optische Linse 105 oder ein an dieser Stelle alternativ vorgesehener Spiegel erfüllt die Aufgabe, das Licht, anders ausgedrückt, das Lichtbündel 104, welches von der Halbleiter-Laserdiode 102 gesendet wird, annähernd parallel auf die Membran 107 abzubilden und zweitens, das von der Membran 107 reflektierte Reflektions-Lichtbündel 112, 113 wieder in Richtung auf die Halbleiter-Laserdiode 102 zu bündeln.
Die Membran 107 weist bei dem optischen Mikrophon 100 eine sehr geringe Dicke von 1 µm bis ungefähr 20 µm auf. Die Membran 107 ist aus Kunststoff, gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung aus Mylar^TM, gefertigt und mit einer dünnen Metallmembran aus Aluminium bedampft.
Wie in 1 dargestellt ist, wird die Membran 107 abhängig von dem auftreffenden Schall verformt. Abhängig von der Verformung der Membran 107 wird das auf die Membran 107 auftreffende kollineare Lichtbündel 106 unterschiedlich reflektiert. Anders ausgedrückt werden je nach Krümmung der Membran 107 unterschiedliche Reflektions-Lichtbündel erzeugt, welche in Richtung der optischen Linse 105 reflektiert werden und dort auf unterschiedliche Brennpunkte abgebildet werden, womit eine jeweils abhängig von der Krümmung der Membran 107 abhängige Lichtmenge und Lichtintensität von der Halbleiter-Laserdiode 102 aufgenommen wird.
Anschaulich wird die Membran 107 durch die Druckdifferenz zwischen seiner Vorderseite und Rückseite gewölbt. Die Wölbung entspricht näherungsweise der Form eines Rotationsparaboloids, d.h. anders ausgedrückt, eines Parabolspiegels. Der mittlere Krümmungsradius dieses Hohlspiegels entspricht zweimal seiner effektiven Brennweite als optische Komponente. Es handelt sich bei der Membran 107 somit um eine optische Komponente, deren Brennweite von der anliegenden Druckdifferenz proportional abhängt. Die Brennweite kann sowohl positiv als auch negativ sein.
Wie in 1 dargestellt ist, wird bei einer Wölbung der Membran 107 in eine erste Auslenk-Position 114, bei der die Membran 107 von der Halbleiter-Laserdiode 102 weg ausgelenkt wird, ein Reflektions-Lichtbündel 112 erzeugt mit gegenüber dem auftreffenden kollinearen Lichtbündel 106 weiter geöffnetem Strahlwinkel.
Das erste Reflektions-Lichtbündel 112 wird von der optischen Linse 105 in Richtung der Halbleiter-Laserdiode fokussiert, wobei sich jedoch aufgrund des veränderten Reflektions-Lichtbündels 112 ein anderer Brennpunkt ergibt als für das Lichtbündel 104, in diesem Fall, ein Brennpunkt, der weiter in der Halbleiter-Laserdiode 102 liegt als der Brennpunkt der optischen Linse 105 des Reflektions-Lichtbündels bei unausgelenkter Membran 107.
Bei einer zweiten Auslenk-Position 115 der Membran 107, bei welcher die Membran 107 in Richtung der optischen Linse 105 und der Halbleiter-Laserdiode 102 ausgelenkt wird, wird das auf die Membran 107 auftreffende kollineare Lichtbündel 107 zu einem gestauchten zweiten Reflektions-Lichtbündel 113 reflektiert, welches mit einem geringeren Öffnungswinkel auf die optische Linse 105 trifft und dort fokussiert wird auf einen Brennpunkt, der vor dem Brennpunkt der optischen Linse 105 liegt als der Brennpunkt bei unausgelenkter Membran 107, anders ausgedrückt näher an der optischen Linse 105.
Somit ist ersichtlich, dass abhängig von der Krümmung der Membran 107 der Brennpunkt der optischen Linse 105 hinsichtlich des auf die Halbleiter-Laserdiode 102 gerichteten Reflektions-Lichtbündels variiert und damit auch die Lichtintensität, welche auf die Halbleiter-Laserdiode 102 rückgekoppelt wird, variiert abhängig von der Auslenkung der Membran 107.
Die Photodiode 103 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung in demselben Gehäuse angeordnet wie die Halbleiter-Laserdiode 102, gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung auf der Rückseite der Halbleiter-Laserdiode 102 bezogen auf die Abstrahlrichtung des Lichtbündels 104, anders ausgedrückt, auf der hinteren Seite des Laserchips.
Gemäß dem Stand der Technik wird die Photodiode 103 eingesetzt zur Regelung der von der Halbleiter-Laserdiode 102 abgegebenen Lichtleistung.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist der Photodetektor beispielsweise die Photodiodeneinheit 103, an einer anderen Stelle bezüglich der Halbleiter-Laserdiode 102 angeordnet und ermittelt die von dem Laserchip abgegebene Lichtintensität, welche aufgrund des auftretenden Selbst-Misch-Effekts stark abhängig ist von der rückgekoppelten Lichtintensität, welche in die Halbleiter-Laserdiode 102 eingekoppelt wird.
Somit liefert die Photodiode 103 anschaulich ein Signal, welches dem auf die Membran 107 wirkenden mechanischen Druck entspricht.
Die Messsignal-Auswerteeinheit 110 erfasst das von der Photodiode 103 erzeugte elektrische Signal und ermittelt daraus unter Kenntnis zuvor ermittelter Abbildungseigenschaften der Membran 107 und der optischen Linse 105 sowie der Eigenschaften der Halbleiter-Laserdiode 102, beispielsweise der Verschiebung des Schwellenstroms der Halbleiter-Laserdiode 102 aufgrund des Selbstmisch-Effekts und aus dem ermittelten Ausgangsstrom der Photodiode 103 die Verformung der Membran 107 und damit den auf sie wirkenden mechanischen Druck.
Allgemein soll die räumliche Anordnung der oben beschriebenen Komponenten so sein, dass das Licht, welches von dem Laserchip, das heißt anders ausgedrückt, der Halbleiter-Laserdiode 102 emittiert wird, über die Linse 105 bzw. den Spiegel in Richtung der Membran 107 umgelenkt wird und das von der Membran 107 zurückreflektierte Licht 112, 113 zumindest teilweise wieder auf den Laserchip 102 fällt.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um eine kollineare Anordnung der Komponenten entlang einer optischen Achse 116 und zwar so, dass die vordere aktive Region des Laserchips 102 sich in dem oder in der Nähe des vorderen Brennpunktes der optischen Linse 105 befindet, so dass das Lichtbündel hinter der optischen Linse 105 annährend parallel ist. Das annähernd parallele Lichtbündel 106 wird von der Membran 107 in Abhängigkeit von ihre Krümmung, das heißt abhängig von der auf die Membran wirkende Druckdifferenz gebündelt oder divergent gemacht, so dass beim nochmaligen Durchgang des reflektierten Lichtes durch die optische Linse 105 das Licht vor oder hinter der vorderen aktiven Region des Laserchips 102 re-fokussiert wird. Die Lichtintensität, die nun in die aktive Region des Laserchips 102 zurückgekoppelt wird, hängt somit von der Druckdifferenz, welche an der Membran 107 wirkt, ab.
Die zurückgekoppelte Lichtmenge bewirkt, dass die abgestrahlte Leistung der Halbleiter-Laserdiode 102 beeinflusst wird, beispielsweise gemäß dem bei Halbleiter-Laserdioden sowohl im Halbleiterlaser-Betriebsmodus als auch im Leuchtdioden-Betriebsmodus auftretenden Selbstmisch-Effekt.
Licht in einer anderen Wellenlänge als der der Halbleiter-Laserdiode 102 bewirkt nicht den Selbstmisch-Effekt. Durch das eingekoppelt Licht nimmt die Laserschwelle, anders ausgedrückt der Laser-Schwellenstrom der Halbleiter-Laserdiode 102, ab. Durch eine geeignete Wahl der Position der Halbleiter-Laserdiode 102 relativ zur optischen Linse 105 kann die Kennlinie des Sensors linearisiert werden. Der Photodetektor befindet sich in der hinteren aktiven Region des Laserchips 102.
2 zeigt einen Drucksensor 200 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei der Drucksensor 200 ähnlich aufgebaut ist wie das optische Mikrophon 100 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Aus diesem Grund werden im Folgenden nur die Unterschiede zu dem optischen Mikrophon 100 aufgezeigt und näher erläutert. Gleiche oder ähnliche Elemente in den Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Membran nicht aus Kunststoff, welcher mit Metall beschichtet ist, sondern aus reinem Kunststoff, hergestellt, welcher poliert ist und einen Reflektionsfaktor von mehr als 3% aufweist. Die Membran 201 aus Kunststoff weist eine Dicke in einem Bereich von mehreren µm bis mehreren 100 µm auf, gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung von einer Dicke im Bereich von 200 µm bis 600 µm.
Die Membran 201 sowie das optische System sind in einem Kernspin-Tomographen angeordnet, allgemein in einer Anordnung, in welcher sehr große elektromagnetische Felder herrschen.
Die Halbleiter-Laserdiode 102 und die Photodiode 103 selbst sind außerhalb des Kernspin-Tomographen angeordnet und das von der Halbleiter-Laserdiode 102 emittierte Lichtbündel wird von einer Lichtleitfaser 202 aufgenommen und in Richtung der optischen Linse 105 in das Kernspin-Tomographen-Innere geführt und dort von dem Lichtleiter 202 an seinem vorderen Ende 203 emittiert. In diesem Fall wird das Reflektions-Lichtbündel 112, 113 in das vordere Ende 203 des Lichtleiters 202 eingekoppelt und von diesem als Rückkoppel-Lichtbündel 204 mittels einer Einkoppeloptik (in 2 symbolisiert mittels einer Linse 205) in die Halbleiter-Laserdiode 102 rückgekoppelt. Alternativ kann der Lichtleiter 202 direkt mit der Halbleiter-Laserdiode 102 gekoppelt sein.
Somit ist gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ein Lichtleiter, gemäß einer anderen alternativen Ausgestaltung der Erfindung mehrere Lichtleiter, zwischen die Halbleiter-Laserdiode 102 und die optische Linse 105 und die Membran 201 geschaltet. In diesem Fall ist zu gewährleisten, dass das von der Membran 201 zurückreflektierte Licht wieder auf die Halbleiter-Laserdiode 102 fällt.
Es kann jedoch auch ein Lichtleiter vorgesehen sein, der außerhalb des Gehäuses der Halbleiterlaser-Vorrichtung 101 angekoppelt wird. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der elektrische Teil des Drucksensors räumlich entfernt von der druckempfindlichen Membran 101 angeordnet werden kann.
Dieses ist beispielsweise auch bei Herzkatheter-Untersuchungen sehr vorteilhaft, da elektrische Ströme die Herzfunktion stören könnten.
Ferner ist eine solche Anordnung sehr vorteilhaft einsetzbar in explosionsgefährdeten Bereichen oder auch dort, wo ein elektrischer Wandler aufgrund starker elektromagnetischer Felder kein sinnvolles Signal liefern kann, wie beispielsweise bei dem oben angegebenen Kernspin-Tomographen.

100: optisches Mikrophon
101: Halbleiterlaserdioden-Vorrichtung
102: Halbleiter-Laserdiode
103: Photodiode
104: Lichtbündel
105: optische Linse
106: paralleles Lichtbündel
107: Membran
108: Stromquelle
109: erstes Kabel
110: Messsignal-Auswerteeinheit
111: zweites Kabel
112: erstes Reflektions-Lichtbündel
113: zweites Reflektions-Lichtbündel
114: erste Auslenk-Position Membran
115: zweite Auslenk-Position Membran
200: Drucksensor
201: Membran
202: Lichtleiter
203: Endbereich Membran
204: reflektiertes Lichtbündel
205: Linse

Claims

Druckmesseinrichtung • mit einem aktiven lichtemittierenden Element zum Aussenden eines Lichtbündels, • mit einem im Strahlengang des Lichtbündels angeordneten optisch reflektierenden Druckaufnahmeelement, welches mittels darauf ausgeübten mechanischen Drucks verformbar ist, worauf das optisch reflektierende Druckaufnahmeelement zumindest einen Teil des flächig darauf auftreffenden Lichtbündels in Form eines Reflektions-Lichtbündels reflektiert, welches charakteristisch ist für die Verformung des optisch reflektierenden Druckaufnahmeelements, und • mit einem photosensitiven Element zum Erfassen zumindest eines Teils des Reflektions-Lichtbündels, •wobei das aktive lichtemittierende Element in dem Strahlengang des Reflektions-Lichtbündels angeordnet ist.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das aktive lichtemittierende Element als Leuchtdiode eingerichtet ist.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 2, wobei das aktive lichtemittierende Element als Halbleiter-Leuchtdiode eingerichtet ist.
Druckmesseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das aktive lichtemittierende Element als Laser eingerichtet ist.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 4, wobei das aktive lichtemittierende Element als Halbleiter-Laser eingerichtet ist.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 5, wobei das aktive lichtemittierende Element als Halbleiter-Laserdiode eingerichtet ist.
Druckmesseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das optisch reflektierende Druckaufnahmeelement eine Membran ist.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die Membran eine Membran eines Mikrofons ist.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei die Membran aus Kunststoff hergestellt ist.
Druckmesseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Membran eine Dicke von 0,1 µm bis 1 mm aufweist.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die Membran eine Dicke von 0,1 µm bis 50 µm aufweist.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die Membran eine Dicke von 0,1 µm bis 20 µm aufweist.
Druckmesseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das photosensitive Element eine Photodiode oder ein photosensitiver Widerstand oder eine Halbleiter-Laserdiode ist.
Druckmesseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, mit einem Lichtbündel-leitenden Element, welches zwischen dem aktiven lichtemittierenden Element und dem optisch reflektierenden Druckaufnahmeelement angeordnet ist.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 14, wobei das Lichtbündel-leitende Element mindestens eine Lichtleitfaser ist.
Druckmesseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, mit einer Stromquelle, einem Spannungs-Netzteil oder einer Batterie, zum Bereitstellen eines elektrischen Stromes an das aktive lichtemittierende Element.
Druckmesseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, mit einer Ansteuereinheit zum Ansteuern der Halbleiter-Laserdiode mit elektrischem Strom.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 17, wobei die Ansteuereinheit derart eingerichtet ist, dass sie die Halbleiter-Laserdiode im Leuchtdioden-Modus betreibt.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 17, wobei die Ansteuereinheit derart eingerichtet ist, dass sie die Halbleiter-Laserdiode im Laser-Modus betreibt.
Druckmesseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, mit mindestens einer im Strahlengang des Lichtbündels angeordneten optischen Linse.
Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 20, wobei die mindestens eine optische Linse konvex ist.
Druckmesseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, mit mindestens einem im Strahlengang des Lichtbündels angeordneten optischen Spiegel.
Druckmesseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei das aktive lichtemittierende Element in der Nähe des Brennpunktes der mindestens einen optischen Linse oder des mindestens einen Spiegels angeordnet ist.
Druckmesseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 23, mit einer mit dem photosensitiven Element gekoppelten Messsignal-Auswerteeinheit, welche eingerichtet ist zum Ermitteln einer von der Verformung des optisch reflektierenden Druckaufnahmeelements abhängigen Größe aus dem erfassten Teil des Reflektions-Lichtbündels.
Druckmesseinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24, mit einem Signalgenerator zum Erzeugen eines elektrischen Stromes, welcher abhängig ist von der Verformung des optisch reflektierenden Druckaufnahmeelements.
Verfahren zur Druckmessung, • wobei mit einem aktiven lichtemittierenden Element ein Lichtbündel ausgesendet wird, • wobei ein im Strahlengang des Lichtbündels angeordnetes optisch reflektierendes Druckaufnahmeelement mittels darauf ausgeübten mechanischen Drucks verformt wird, worauf das optisch reflektierende Druckaufnahmeelement zumindest einen Teil des flächig darauf auftreffenden Lichtbündels in Form eines Reflektions-Lichtbündels reflektiert, welches charakteristisch ist für die Verformung des optisch reflektierenden Druckaufnahmeelements, • wobei das Reflektions-Lichtbündel auf und/oder durch das aktive lichtemittierende Element geleitet wird, und • wobei zumindest ein Teil des Reflektions-Lichtbündels erfasst wird.