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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fabry-Perot-Interferenzfiltervorrichtung mit einem Fabry-Perot-Interferenzfilter mit einer mindestens teilweise lichtdurchlässigen ersten optischen Platte, die mit einer planparallel angeordneten mindestens teilweise lichtdurchlässigen zweiten optischen Platte eine Kavität einschließt, wobei die erste optische Platte und die zweite optische Platte mittels mindestens eines Befestigungselements verbunden sind.
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Stand der Technik
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In derartigen Fabry-Perot-Interferenzfiltervorrichtungen werden Fabry-Perot-Interferenzfilter als Bandpassfilter bei wellenlängensensitiven Messaufgaben eingesetzt. Diese Fabry-Perot-Interferenzfilter weisen eine erste optische Platte und eine zweite optische Platte auf. Diese optischen Platten sind planparallel angeordnet und schließen in ihrem Zwischenraum eine Kavität ein, in der Interferenzen des durch die beiden Platten transmittierten Lichts erzeugt werden. Zum Zwecke der Erzeugung dieser Interferenzen sind die erste optische Platte und die zweite optische Platte jeweils mindestens teilweise lichtdurchlässig. Dies ermöglicht eine Unterdrückung von Wellenlängen des durch beide Platten transmittierten Lichts, die außerhalb eines gewünschten vorbestimmten Wellenlängenbereichs liegen. Die Wellenlängen können durch die Wahl des Abstandes zwischen der ersten optischen Platte und der zweiten optischen Platte eingestellt werden. Dieses Grundprinzip eines Fabry-Perot-Interferenzfilters kann mehrfach miteinander kombiniert werden, um beispielsweise einen sehr engen Passbereich für Wellenlängen des transmittierten Lichts zu erhalten. Dieses Konzept wird beispielsweise bei Ha-Sonnenfiltern in der Astronomie eingesetzt.
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Das Konzept findet jedoch ebenso Anwendung in der Spektroskopie. In diesem Fall kann der Abstand der optischen Platten variiert werden. Diese Variation erfolgt mittels einer mechanischen oder elektrostatischen Aktuierung des Befestigungselements. Ein derartiger Fabry-Perot-Interferenzfilter kann dann beispielsweise in MEMS-Technologie verwendet werden. Hiermit lassen sich beispielsweise wellenlängen-sensitive Kameras herstellen oder Spektrometersysteme. Diese mechanisch oder elektrostatisch aktuierbaren Systeme werden auch als aktive Systeme bezeichnet. Sie sind jedoch je nach Einsatzzweck (zu) kostspielig und/oder (zu) sensitiv auf Umgebungsvibrationen, da die optischen Platten ein Feder-Masse-System bilden, dass nur durch elektrostatische Kräfte gehalten wird.
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Weiterhin ist es für manche Anwendungen auch sinnvoll, den Wellenlängenbereich des Fabry-Perot-Interferenzfilters auf den einer Lichtquelle anzupassen. Ein Beispiel ist hier die Verwendung in einem LIDAR-System mit einer Laserquelle. Hiermit kann erreicht werden, dass der Fabry-Perot-Interferenzfilter immer zu der Wellenlänge des verwendeten Lasers passt. Typischerweise kann sich dabei zum Beispiel die Wellenlänge eines Halbleiterlasers mit der Temperatur ändern, sodass ein sehr breiter passiver Fabry-Perot-Interferenzfilter gewählt werden muss, um für alle Temperaturbereiche für die ausgesandte Wellenlänge durchlässig zu sein. Dies hat jedoch für LIDAR-Systeme den Nachteil einer erhöhten Empfindlichkeit auf Hintergrundlicht. Zwar besitzt auch ein passiver Fabry-Perot-Interferenzfilter einen Temperaturgang für den Bandpassbereich. Allerdings ist dieser deutlich zu klein (zum Beispiel je nach Fabry-Perot-Interferenzfilter 0,01 nm/K bis 0,04 nm/K), um Verschiebungen der Laser-Wellenlänge mit der Temperatur zu kompensieren.
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In allen diesen Anwendungen wird also für den Fabry-Perot-Interferenzfilter ein Befestigungselement verwendet werden, das möglichst thermisch stabil ist, um eine ungewollte thermische Änderungen des Abstands der ersten optischen Platte und der zweiten optischen Platte möglichst zu vermeiden. Eine Änderung des Abstands der beiden optischen Platten mit der Temperatur ist möglichst gering zu halten.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Interferenzfiltervorrichtung zur Verfügung gestellt, bei der das Befestigungselement thermisch aktuierbar ist.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Interferenzfiltervorrichtung hat den Vorteil, dass die thermische Ausdehnung des Befestigungselements gezielt eingesetzt werden kann, um den Abstand der ersten optischen Platte von der zweiten optischen Platte als Funktion der Temperatur zu ändern, beziehungsweise zu vergrößern oder zu verkleinern. Hierdurch kann auf eine störungsanfällige Aktuierung des Befestigungselements mittels mechanischer oder elektrostatischer Mittel verzichtet werden. Da in einer solchen Ausführung die Interferenzfiltervorrichtung nicht länger als Feder-Masse-System zu betrachten ist, entfällt die Empfindlichkeit der Interferenzfiltervorrichtung gegenüber Umgebungsvibrationen. Es ist eine Steuerung des Bandpassverhaltens des Fabry-Perot-Interferenzfilters mittels einer kontrollierten Anpassung der Temperatur zu erreichen. Dies kann beispielsweise vorteilhaft in LIDAR-Systemen eingesetzt werden, um eine thermische Kopplung von Sender und Empfänger des Systems zu erzielen.
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Auch ist es möglich, dass das Befestigungselement mindestens einen Hochausdehnungsabschnitt mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, vorzugsweise in einem Bereich von 10 bis 200 ppm/K besonders bevorzugt in einem Bereich von 20 bis 100 ppm/K, aufweist.
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Es lässt sich hierdurch eine vergleichsweise schnelle Anpassung des Abstands der ersten optischen Platte von der zweiten optischen Platte erreichen. Damit kann auch der Bandpassbereich schnell angepasst werden. Die Werte des Wärmeausdehnungskoeffizienten erweisen sich dabei als besonders vorteilhaft. Es können die folgenden Materialien für den Hochausdehnungsabschnitt vorteilhaft eingesetzt werden: zum Beispiel Aluminium, Polyamid, Polyethylen.
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In einer besonderen Ausführungsform weist das Befestigungselement mindestens einen Niedrigausdehnungsabschnitt mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, vorzugsweise in einem Bereich von 0 bis 10 ppm/K, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0 bis 5 ppm/K, auf.
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Es lässt sich hierdurch eine vergleichsweise langsame aber umso präzisere Anpassung des Abstands der ersten optischen Platte von der zweiten optischen Platte erreichen. Damit kann auch der Bandpassbereich sehr präzise angepasst werden. Die Werte des Wärmeausdehnungskoeffizienten erweisen sich dabei als besonders vorteilhaft. Es können die folgenden Materialien für den Niedrigausdehnungsabschnitt vorteilhaft eingesetzt werden: zum Beispiel Quarzglas, Zerodur, keramische Materialien.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Niedrigausdehnungsabschnitt thermisch leitend mit dem Hochausdehnungsabschnitt verbunden ist.
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Hiermit lässt sich ein genau auf die Bedürfnisse der Anwendung abgestimmtes thermisches Ausdehnungsverhalten des Befestigungselements erreichen. Der Abstand der ersten optischen Platte von der zweiten optischen Platte ist anwendungsspezifisch präzise einstellbar.
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Weiter ermöglicht die erfindungsgemäße Interferenzfiltervorrichtung sehr vorteilhaft, dass der Hochausdehnungsabschnitt mit der ersten optischen Platte und der zweiten optischen Platte verbunden ist und vorzugsweise einen Freiraum zwischen der ersten optischen Platte und der zweiten optischen Platte freilässt.
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Hier kann der Hochausdehnungsabschnitt die erste optische Platte unmittelbar, das heißt unterbrechungsfrei, mit der zweiten optischen Platte verbinden. Damit wird die thermische Ausdehnung/Kontraktion des Hochausdehnungsabschnitts direkt in eine Expansion/Kontraktion des Abstands zwischen der ersten optischen Platte und der zweiten optischen Platte umgesetzt. Allerdings kann der Hochausdehnungsabschnitt auch einen Freiraum zwischen der ersten optischen Platte und der zweiten optischen Platte freilassen. In diesem Fall wird der Hochausdehnungsabschnitt in einen ersten Hochausdehnungsabschnitt - verbunden mit zum Beispiel der ersten optischen Platte - und einen zweiten Hochausdehnungsabschnitt - verbunden zum Beispiel mit der zweiten optischen Platte - unterteilt. Die beiden Teile des Hochausdehnungsabschnitts können wiederum mittels des Niedrigausdehnungsabschnitts miteinander thermisch leitend verbunden sein. Es ergibt sich eine mittelbare Verbindung der ersten optischen Platte mit der zweiten optischen Platte.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Niedrigausdehnungsabschnitt mit der ersten optischen Platte und der zweiten optischen Platte verbunden ist und vorzugsweise einen Freiraum zwischen der ersten optischen Platte und der zweiten optischen Platte freilässt.
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In diesem Fall wird der Niedrigausdehnungsabschnitt in einen ersten Niedrigausdehnungsabschnitt - verbunden mit zum Beispiel der ersten optischen Platte - und einen zweiten Niedrigausdehnungsabschnitt - verbunden zum Beispiel mit der zweiten optischen Platte - unterteilt. Die beiden Teile des Niedrigausdehnungsabschnitts können wiederum mittels des Hochausdehnungsabschnitts miteinander thermisch leitend verbunden sein. Es ergibt sich eine mittelbare Verbindung der ersten optischen Platte mit der zweiten optischen Platte.
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Schließlich ist auch von Vorteil, dass der Fabry-Perot-Interferenzfilter in einem thermisch isolierenden Gehäuse angeordnet ist, vorzugsweise wobei das Gehäuse eine Heiz-/Kühleinheit aufweist.
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Der mittels des Befestigungselements thermisch aktuierbare Fabry-Pérot-Interferenzfilter kann somit thermisch an die Umgebung angepasst werden, das heißt, von dieser isoliert werden. Die thermische Aktuierung erfolgt dann über die Heiz-/Kühleinheit. Diese kann entweder aktiv als einfaches Heizelement ausgeführt sein; oder passiv beispielsweise als Peltier-Element. Hiermit kann die Temperatur des Befestigungselements präzise eingestellt werden. Die thermische Expansion/Kontraktion des Befestigungselements wird präzise steuerbar, damit kann der Abstand zwischen der ersten optischen Platte und der zweiten optischen Platte gesteuert werden und mithin auch die Bandpasswellenlänge der Fabry-Perot-Interferenzfiltervorrichtung.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Fabry-Perot-Interferenzfilter nach dem Stand der Technik;
- 2 einen Fabry-Perot-Interferenzfilter nach der Erfindung nach einer ersten Ausführungsform;
- 3 einen Fabry-Perot-Interferenzfilter nach der Erfindung nach einer zweiten Ausführungsform;
- 4 einen Fabry-Perot-Interferenzfilter nach der Erfindung nach einer dritten Ausführungsform; und
- 5 eine Interferenzfiltervorrichtung nach der Erfindung in schematischer Schnittansicht.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist ein Fabry-Perot-Interferenzfilter 1 nach dem Stand der Technik schematisch abgebildet. Der Fabry-Perot-Interferenzfilter 1 weist eine erste optische Platte 2 und eine zweite optische Platte 3 auf. Die erste optische Platte 2 und die zweite optische Platte 3 sind in einem Abstand 4 zueinander planparallel angeordnet. Der Abstand 4 bestimmt die Bandpasswellenlänge des Fabry-Perot-Interferenzfilters 1. Ein erstes axiales Ende 5 der ersten optischen Platte 2 und ein erstes axiales Ende 6 der zweiten optischen Platte 3 sind mit einem Befestigungselement 7 verbunden. Diese Anordnung ist spiegelbildlich an dem anderen axialen Ende des Fabry-Perot-Interferenzfilters 1 realisiert. Der Fabry-Perot-Interferenzfilter 1 wird mit einfallendem Licht 8 bestrahlt. Dieses wird teilweise durch die mindestens teilweise lichtdurchlässige erste optische Platte 2 transmittiert, teilweise von ihr reflektiert. Nach Durchgang durch die erste optische Platte 2 tritt das Licht in eine Kavität 9 ein. In dieser Kavität 9 trifft das Licht 8 nach weiterer Propagation auf die mindestens teilweise lichtdurchlässige zweite optische Platte 3, an der es teilweise reflektiert und teilweise transmittiert wird. In der Kavität 9 entstehen Interferenzen. Austretendes Licht 10 hat die von Abstand 4 abhängige und gewünschte Wellenlängenverteilung.
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2 zeigt nun einen Fabry-Perot-Interferenzfilter 1 nach der vorliegenden Erfindung. Die Funktionsweise dieses Fabry-Perot-Interferenzfilters 1 ist dieselbe wie zu 1 beschrieben. Allerdings ist das Befestigungselement 7 hier thermisch aktuierbar. Es weist in dieser Ausführungsform einen Hochausdehnungsabschnitt 12 auf. Dieser Hochausdehnungsabschnitt 12 ist aus einem Material mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet.
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Durch Einbringen einer Wärmemenge kann eine Expansion des Hochausdehnungsabschnitts 12 erreicht werden; durch seine Abkühlung eine entsprechende Kontraktion. Diese Expansion und Kontraktion ist durch die Pfeile 11 schematisch veranschaulicht. Der Hochausdehnungsabschnitt 12 verbindet das erste axiale Ende 5 der ersten optischen Platte 2 unterbrechungsfrei mit dem ersten axialen Ende 6 der zweiten optischen Platte 3.
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3 zeigt eine alternative Ausführungsform des Fabry-Perot-Interferenzfilters 1. Hier ist keine unterbrechungsfreie Verbindung des ersten axialen Endes 5 der ersten optischen Platte 2 mit dem ersten axialen Ende 6 der zweiten optischen Platte 3 realisiert. Vielmehr ist ein erstes axiales Ende 13 des Hochausdehnungsabschnitts 12 mit dem ersten axialen Ende 5 der ersten optischen Platte 2 verbunden und ein zweites axiales Ende 14 des Hochausdehnungsabschnitts 12 ist mit einem Niedrigausdehnungsabschnitt 15 thermisch leitend verbunden. Die nicht unterbrechungsfreie Verbindung lässt einen Freiraum 16 zwischen einem ersten und einem zweiten Teilabschnitt des Hochausdehnungsabschnitts 12. Diese Anordnung wiederholt sich spiegelbildlich für die zweite optische Platte 3. Der Freiraum 16 schließt sich in Axialrichtung des Fabry-Perot-Interferenzfilters 1 an die Kavität 9 an. Der Niedrigausdehnungsabschnitt 15 ist aus einem Material mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet. Durch Einbringen einer Wärmemenge kann eine Expansion des Niedrigausdehnungsabschnitts 15 erreicht werden, durch seine Abkühlung eine entsprechende Kontraktion. Diese Expansion und Kontraktion ist wieder durch die Pfeile 11 schematisch veranschaulicht.
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4 zeigt den Fabry-Perot-Interferenzfilter 1 nach einer weiteren Ausführungsform. In dieser Ausführungsform sind die Rollen des Hochausdehnungsabschnitts 12 und des Niedrigausdehnungsabschnitt 15 der in 3 beschriebenen Ausführungsform vertauscht. Es kann entsprechend mit vertauschten Rollen von Hochausdehnungsabschnitt 12 und Niedrigausdehnungsabschnitt 15 auf die Beschreibung der 3 Bezug genommen werden.
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5 zeigt die erfindungsgemäße Interferenzfiltervorrichtung 17 in einer schematischen Schnittansicht. Dabei ist zu erkennen, wie beispielhaft die erste optische Platte 2 von dem Befestigungselement 7 eingerahmt ist. Dieser Fabry-Perot-Interferenzfilter 1 ist hier in einem thermisch isolierenden Gehäuse 18 eingefasst. An diesem Gehäuse 18 ist eine Heiz-/Kühleinheit 19 angeordnet. Es lässt sich über das Gehäuse 18 eine kontrollierte thermische Umgebung für den Fabry-Perot-Interferenzfilter 1 einstellen, sodass Variationen in dessen Umgebungstemperatur minimiert werden können. Hierdurch lassen sich somit auch ungewollte Expansionen oder Kontraktionen des Befestigungselements 7 durch Temperaturschwankungen vermeiden. Um dennoch eine kontrollierte thermische Aktuierung des Befestigungselements 7 zu erreichen, ist die Heiz-/Kühleinheit 19 an dem Gehäuse 18 angeordnet. Diese kann auch beispielsweise als passives Bauteil, beispielsweise ein Peltier-Element, ausgebildet sein.
