DE19809920C1 - Optischer, insbesondere optoakustischer Sensor sowie optisches Mikrofon - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen, insbesondere optoakustischen Sensor mit einer Lichtquelle (3) mit einem Fotodetektor (4), einem schallempfindlichen Körper (2), beispielsweise einer Membran, mit einer Spiegelungsfläche, einem ersten Sende-Lichtwellenleiter (5), dessen eines freies Ende (7) auf die Lichtquelle (3) und dessen anderes freies Ende (6) schräg auf die Spiegelungsfläche gerichtet ist, und einem ersten Empfangs-Lichtwellenleiter (10), dessen eines freie Ende (11) schräg auf die Spiegelungsfläche und dessen anderes freie Ende (12) auf den Fotodetektor (4) gerichtet ist. Der erfindungsgemäße Sensor zeichnet sich dadurch aus, daß mindestens ein zweiter Sende-Lichtwellenleiter (5) mit im wesentlichen gleicher oder ähnlicher Ausrichtung wie der erste Sende-Lichtwellenleiter (5) vorgesehen ist, so daß aus einem der Sende-Lichtwellenleiter (5) austretendes Licht nach Spiegelung an der Spiegelungsfläche wenigstens teilweise von dem ersten Empfangs-Lichtwellenleiter (10) empfangen wird. Des weiteren betrifft die Erfindung ein optisches Mikrofon mit einem derartigen Sensor.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen, insbesondere optoakustischen Sensor mit einer Lichtquelle und einem Fotodetektor, einem schallempfindlichen Körper, beispielsweise einer Membran, mit einer Spiegelungsfläche, einem ersten Sende- Lichtwellenleiter, dessen eines freies Ende auf die Lichtquelle und dessen anderes freies Ende schräg auf die Spiegelungsfläche gerichtet ist, und einem ersten Empfangs-Lichtwellenleiter, dessen eines freie Ende schräg auf die Spiegelungs­ fläche und dessen anderes freies Ende auf den Fotodetektor gerichtet ist.

In der DE 40 18 998 A1 ist ein faseroptischer Drucksensor offenbart, der eine in einem Gehäuse unter Druckbeaufschlagung eine Hubbewegung ausführende Membran aufweist, deren Innenseite mit einer hochreflektierenden Verspiegelung versehen ist. Über einen Lichtwellenleiter mit einer teilreflektierenden Stirnfläche, die auf die hochreflektierende Verspiegelung der Membraninnenseite ausgerichtet ist, wird von einer Lichtquelle kohärent emittiertes Monochromlicht in den Druck­ meßkopf eingespeist. Die teilreflektierende Stirnfläche des Lichtwellenleiters und die hochreflektierende Membraninnenseite verlaufen orthogonal zu einer optischen Achse des Lichtwellenleiters, so daß sie einen Fabry-Perot-Resonator ausbilden.

Wird auf der Membran ein Druck beaufschlagt, so verschiebt sich diese samt der auf der Membraninnenseite aufgebrachten hochreflektierenden Verspiegelung in Richtung der Stirnfläche des Lichtwellenleiters, so daß die optische Länge des Fabry-Perot-Resonators verringert wird. Dadurch ergibt sich eine Änderung in der Intensitätsverteilung der in dem Lichtwellenleiter durch die reflektierenden Stirn­ flächen transmittierten Lichtmenge, die von einer am Lichtwellenleiter geeignet angeordneten Meßeinrichtung aufnehmbar und als Maß der Druckänderung aus­ wertbar ist.

In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch einen bekannten optischen Sensor bzw. ein bekanntes optisches Mikrofon dargestellt, wie es beispielsweise in ACUSTICA. Vol. 73 (1991), Seiten 72-89 offenbart ist. Bei der in Fig. 1 dargestellten Membran­ abtastung wird Licht von einer Lichtquelle (nicht dargestellt) in einen Sende-Licht­ wellenleiter 5 eingekoppelt, welcher das Licht zu seinem anderen freien Ende leitet. Dort verläßt das Licht den Sende-Lichtwellenleiter 5 und trifft schräg auf eine Membran 2 auf (es ist zur Verdeutlichung nur der den Sende-Lichtwellenleiter 5 verlassende Achsstrahl 14 eingezeichnet). Die plane Membran 2 weist eine zum Sende-Lichtwellenleiter 5 weisende Spiegelungsfläche auf, an welcher das Licht vom Sende-Lichtwellenleiter 5 reflektiert wird und zumindest teilweise in einen Empfangs-Lichtwellenleiter 10 eindringt (es ist ebenfalls nur der Achsstrahl 16 des reflektierten Lichts dargestellt).

Wird die Membran 2 durch Schallsignale aus ihrer Ruhelage (durchgezogene Linie) ausgelenkt (punktierte Linie), wird die die Stirnfläche des Empfangs-Lichtwellenlei­ ters überdeckende Fläche des auf die Stirnfläche auftreffenden Lichtbündels kleiner oder größer. Dies ist schematisch in Fig. 2 dargestellt, wobei Fig. 2A die gemein­ same Teilfläche 18 (gestrichelt) der Stirnfläche 17 des Empfangs-Lichtwellenleiters 10 und des den Achsstrahl 16 aufweisenden Lichtbündels bei nicht ausgelenkter Membran 2 darstellt. Fig. 2B verdeutlicht, daß bei einer Auslenkung der Membran 2 gemäß der Fig. 1 die gemeinsame Fläche 18 geringer ist. Somit gelangt bei der dargestellten Membranauslenkung weniger Licht in den Empfangs-Lichtwellenleiter 10, und ein an dessen anderem Ende angeordneter Fotodetektor (nicht dargestellt) gibt ein geringeres elektrisches Signal aus. Somit wird das elektrische Ausgangs­ signal durch Reflektion von Licht an einer auslenkbaren schallempfindlichen Mem­ bran intensitätsmoduliert.

Da der Grad der optischen Modulation die Mikrofonempfindlichkeit bestimmt, wird bei bekannten optischen Sensoren möglichst ein dünner Sende- und Empfangs- Lichtwellenleiter eingesetzt. In diesem Fall verursacht schon eine geringe Licht­ fleckverschiebung aufgrund einer kleinen Membranauslenkung eine relativ große Signaländerung am Fotodetektor. Die Mikrofonempfindlichkeit ist in diesem Fall erwünschtermaßen relativ groß.

Ein Sende-Lichtwellenleiter mit kleinerem Durchmesser weist jedoch den Nachteil auf, daß nur ein Teil des von einer größeren Lichtquelle erzeugten Lichts in den Leiter einkoppelbar ist. Eine geringere eingekoppelte Lichtintensität verschlechtert jedoch das Signal-Rauschverhältnis am Fotodetektor. Weiterhin ist ungünstig, daß aufgrund des kleineren Durchmessers die Membranbewegung nur annähernd punkt­ weise erfaßbar ist, d. h. das Licht nur einen eng begrenzten Bereich der Membran abtastet. Hierdurch ergeben sich störende Empfindlichkeitsschwankungen und in Folge störende Aufnahmeverfälschungen, falls der Lichtfleck auf einen Schwin­ gungsknoten oder Schwingungsbauch der angeregten Membran fällt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen optischen Sensor der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß eine relativ große Membran­ fläche bei gleichzeitig hohem Signal-Rauschverhältnis abtastbar ist.

Diese Aufgabe wird bei dem optischen Sensor der eingangs genannten Art erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens ein zweiter Sende-Lichtwellenleiter mit im wesentlichen gleicher oder ähnlicher Ausrichtung wie der erste Sende- Lichtwellenleiter vorgesehen ist, so daß aus einem der Sende-Lichtwellenleiter austretendes Licht nach Spiegelung an der Spiegelungsfläche wenigstens teilweise von dem ersten Empfangs-Lichtwellenleiter empfangen wird.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß ein größerer Anteil des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtes nutzbar ist und somit das Signal-Rausch­ verhältnis größer wird. Statt nur eines bisher üblichen ersten Sende-Lichtwellenlei­ ters wird erfindungsgemäß ein zweiter Sende-Lichtwellenleiter mit im wesentlichen gleicher oder ähnlicher Ausrichtung verwendet, so daß nun mindestens zwei Lichtbündel zur Abtastung der schallempfindlichen Membran - allgemein des schallempfindlichen Körpers - zur Verfügung stehen. Wenn die beiden zur Membran gerichteten freien Enden der Sende-Lichtwellenleiter unterschiedliche Bereiche der Spiegelungsfläche abtasten, ist die Wahrscheinlichkeit, daß beide Lichtflecke Schwingungsknoten oder -bäuche abtasten, deutlich reduziert. Hierdurch ergibt sich eine höhere Mikrofonempfindlichkeit sowie eine präzisere Tonaufnahme. Aber auch wenn die beiden Sende-Lichtwellenleiter auf denselben Membranbereich gerichtet sind, läßt sich ein höheres Signal-Rauschverhältnis realisieren.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß mindestens ein zweiter Empfangs-Lichtwellenleiter mit im wesentlichen gleicher Ausrichtung wie der erste Empfangs-Lichtwellenleiter vorgesehen ist. Die Emp­ fangs-Lichtwellenleiter sind derart angeordnet, daß zumindestens einer von ihnen Licht von den Sende-Lichtwellenleitern nach Spiegelung an der Membran empfängt.

Um möglichst viel Licht von der Lichtquelle auf die Membran leiten zu können, sind die der Lichtquelle zugewandten freien Enden der Sende-Lichtwellenleiter gebün­ delt. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Querschnittsfläche der gebündelten, der Lichtquelle zugewandten freien Enden der Sende-Lichtwellenleiter im wesentlichen der Querschnittsfläche des von der Lichtquelle erzeugten Lichtbündels entspricht.

Bevorzugt sind gleichfalls die dem Fotodetektor zugewandten freien Enden der Empfangs-Lichtwellenleiter gebündelt und vorteilhafterweise in geringem Abstand gegenüber dem Fotodetektor angeordnet, um das an der Membran reflektierte und in die Empfangs-Lichtwellenleiter einfallende Licht möglichst gänzlich in den Foto­ detektor einkoppeln zu können. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß die Querschnittsfläche der dem Fotodetektor zugewandten freien Enden der Empfangs- Lichtwellenleiter im wesentlichen der aktiven Fläche des Fotodetektors entspricht. Hierdurch kann in einfacher Weise das Signal-Rauschverhältnis am Fotodetektor erhöht werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist jeweils einem Sende-Lichtwellenleiter ein bestimmter Empfangs-Lichtwellenleiter zugeordnet, welcher Licht vom zugehörigen Sende-Lichtwellenleiter nach Reflektion an der Membran empfängt. Jedes Paar, welches jeweils von einem Sende-Lichtwellenleiter und einem Empfangs-Licht­ wellenleiter gebildet wird, ist für die Abtastung eines bestimmten Membranbe­ reiches vorgesehen, so daß insgesamt die membranseitige Abtastfläche vergrößert und ein mit der Anzahl der Paare verbessertes Signal-Rauschverhältnis erzielt wird. Bei Verwendung dünner Einzellichtwellenleiter läßt sich somit eine hohe optische Empfindlichkeit und eine hohe Lichtausbeute erreichen. Sind die Lichtwellenleiter identisch ausgebildet, ist es zudem unerheblich, welcher Empfangs-Lichtwellenlei­ ter welchem Sende-Lichtwellenleiter zugeordnet ist. Da kein Lichtwellenleiter vor dem anderen ausgezeichnet ist, lassen sich die Lichtwellenleiter in einfacher Weise anordnen, so daß eine verhältnismäßig einfache Herstellung des erfindungsgemä­ ßen Sensors resultiert.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß die der Spiegelungsfläche zugewandten freien Enden der Sende- und Empfangs-Licht­ wellenleiter aufgefächert sind. Hierbei korrespondiert jeweils ein Lichtwellenleiter des sendeseitigen Fächers mit einem Lichtwellenleiter des empfangsseitigen Fächers.

Bei einer speziellen Fächerform der Sende- und Empfangs-Lichtwellenleiter sind die entsprechenden freien Enden derart auf die Membran gerichtet, daß die Lichtflecke im wesentlichen auf einer geraden Linie der Membran liegen. Mittels dieser linearen Ausrichtung wird verhindert, daß ein Empfangs-Lichtwellenleiter Licht von einem anderen, diesem nicht zugeordneten Sende-Lichtwellenleiter empfängt.

Die von den Sende-Lichtwellenleitern ausgesandten Lichtbündel können zylinder- oder auch kegelförmig sein. Zwar ist mit zylinderförmigen Bündeln ein höherer optischer Modulationsgrad zu erreichen, wie zuvor ausgeführt wurde, jedoch kann die Verwendung von kegelförmigen Lichtquellen aufgrund der Verwendung von mehreren Sende- sowie Empfangs-Lichtwellenleitern dennoch in bestimmten Fällen ausreichend sein.

Besonders bevorzugt findet der erfindungsgemäße optische Sensor Verwendung in einem optischen Mikrofon. Hierbei ist zumeist die Lichtquelle, beispielsweise eine lichtemittierende Diode, sowie der Fotodetektor, beispielsweise eine Fotodiode, außerhalb des Mikrofons vorgesehen, während die Sende-Lichtwellenleiter sowie der oder die Empfangs-Lichtwellenleiter und die Membran in dem Mikrofon an­ geordnet sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn­ zeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen bekannten optischen Sensor;

Fig. 2A, 2b eine Darstellung der Modulationswirkung bei Auslen­ kung der Membran von Fig. 1; und

Fig. 3 einen optischen Sensor mit mehreren Sende- und Empfangs-Lichtwellenleitern.

Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen optischen Sensor in schematischer Dar­ stellung, der nach dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Funktionsprinzip arbeitet. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile. Der Sensor nach der Fig. 3 weist mehrere, im wesentlichen gleich ausgerichtete Sende-Licht­ wellenleiter 5, eine Membran 2 und mehrere Empfangs-Lichtwellenleiter 10 mit ebenfalls annähernd gleicher Ausrichtung auf. Die einen freien Enden 7 der Sende- Lichtwellenleiter 5 sind in unmittelbarer Nähe gegenüber einer als lichtemittierende Diode ausgebildeten Lichtquelle 3 in gebündelter Form angeordnet, wobei das Bündel im Querschnitt annähernd kreisförmig ist und im wesentlichen der Quer­ schnittsfläche des von der Lichtquelle 3 erzeugten Leuchtbündels entspricht.

Im weiteren Verlauf fächern sich die Sende-Lichtwellenleiter 5 derart auf, daß die von der Lichtquelle 3 entfernten freien Enden 6 im wesentlichen auf einer Geraden liegen und die von ihnen ausgehenden Lichtbündel unter demselben Winkel schräg auf die - in dieser Ausführungsform - im wesentlichen plane Membran 2 treffen. Die mit ihren freien Enden 6 nebeneinander liegenden Sende-Lichtwellenleiter 5 senden voneinander getrennte Lichtbündel mit Achsstrahlen 14 auf die Membran 2 und erzeugen auf dieser Lichtflecken 15.

In der gezeigten Ausführungsform sind die Empfangs-Lichtwellenleiter 10 spiegel­ bildlich - in bezug auf die durch die Lichtflecke 15 verlaufende Lotebene der Mem­ bran 2 - zu den Sende-Lichtwellenleitern 5 angeordnet. Bei dieser Anordnung ist jeweils ein Sende-Lichtwellenleiter 5 einem Empfangs-Lichtwellenleiter 10 zugeord­ net, so daß Licht - nach Reflektion an der Membran - von jeweils einem definierten Sende-Lichtwellenleiter 5 in jeweils einen Empfangs-Lichtwellenleiter 10 eindringt (es sind wiederum nur die Achsstrahlen 16 der reflektierten Lichtbündel angedeu­ tet).

Die der Membran 2 bzw. deren Spiegelungsfläche abgewandten freien Enden 12 der Empfangs-Lichtwellenleiter 10 sind gebündelt und auf einen beispielsweise als Fotodiode ausgebildeten Fotodetektor 4 gerichtet, in welchem je nach Lichtmenge und damit je nach Membranauslenkung entsprechende elektrische Signale ent­ stehen, die anschließend zur Weiterverarbeiung weitergeleitet werden. Die Quer­ schnittsfläche der gebündelten, dem Fotodetektor 4 benachbarten freien Enden 12 der Empfangs-Lichtwellenleiter 10 entspricht im wesentlichen der aktiven Fläche des Fotodetektors 4.

Es versteht sich, daß die freien Enden 6, 7, 11, 12 der Sende-Lichtwellenleiter 5 sowie der Empfangslichtwellenleiter 10 sowohl in bezug auf die Anzahl der ver­ wendeten Lichtwellenleiter als auch der Anordnung und Ausrichtung den jeweiligen Gegebenheiten, insbesondere der Ausbildung der Lichtquelle 3, des Fotodetektors 4 sowie der Membran 2 anpaßbar sind. So ist beispielsweise eine spiegelbildliche Anordnung der Sende-Lichtwellenleiter 5 und der Empfangs-Lichtwellenleiter 10 keinesfalls zwingend. Weiterhin können sich die einzelnen Lichtflecke 15 in be­ stimmten Ausführungsformen auch zumindest teilweise überlappen. Die Anzahl der Sende- und Empfangs-Lichtwellenleiter 5, 10 muß nicht identisch sein. Zudem sind verschiedene Lichtbündelformen, die durch die Geometrie der Sende-Lichtwellenlei­ ter 5 bestimmt sind, geeignet.

Claims (11)

1. Optischer, insbesondere optoakustischer Sensor mit
einer Lichtquelle (3) und einem Fotodetektor (4),
einem schallempfindlichen Körper (2), beispielsweise einer Membran (2), mit einer Spiegelungsfläche,
einem ersten Sende-Lichtwellenleiter (5), dessen eines freies Ende (7) auf die Lichtquelle (3) und dessen anderes freies Ende (6) schräg auf die Spie­ gelungsfläche gerichtet ist, und
einem ersten Empfangs-Lichtwellenleiter (10), dessen eines freie Ende (11) schräg auf die Spiegelungsfläche und dessen anderes freie Ende (12) auf den Fotodetektor (4) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein zweiter Sende-Lichtwellenlei­ ter (5) mit im wesentlichen gleicher oder ähnlicher Ausrichtung wie der erste Sende-Lichtwellenleiter (5) vorgesehen ist, so daß aus einem der Sende-Lichtwellenleiter (5) austretendes Licht nach Spiegelung an der Spiegelungsfläche wenigstens teilweise von dem ersten Empfangs-Licht­ wellenleiter (10) empfangen wird.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein zweiter Empfangs-Lichtwellen­ leiter (10) mit im wesentlichen gleicher Ausrichtung wie der erste Emp­ fangs-Lichtwellenleiter (10) vorgesehen ist, so daß aus den Sende-Licht­ wellenleitern (5) austretendes Licht nach Spiegelung an der Spiegelungs­ fläche wenigstens teilweise von mindestens einem der Empfangs-Licht­ wellenleiter (10) empfangen wird.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Lichtquelle (3) bzw. dem Fotodetektor (4) zugewandten freien Enden (7, 12, 6, 11) der Sende- und/oder der Emp­ fangs-Lichtwellenleitern (5, 10) gebündelt sind.

4. Optischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der gebündelten, der Lichtquelle (3) zugewandten freien Enden (7) der Sende-Lichtwellenleiter (5) im wesentlichen der Querschnittsfläche des von der Lichtquelle (3) erzeug­ ten Lichtbündels entspricht.

5. Optischer Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der gebündelten, dem Fotodetektor (4) zugewandten freien Enden (12) der Empfangs-Lichtwel­ lenleiter (10) im wesentlichen der aktiven Fläche des Fotodetektors (4) entspricht.

6. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils einem Sende-Lichtwellenleiter (5) ein definierter Empfangs-Lichtwellenleiter (10) zugeordnet ist, in welchen Licht vom zugehörigen Sende-Lichtwellenleiter (5) nach Spiegelung an der Spie­ gelungsfläche eintritt.

7. Optischer Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die der Spiegelungsfläche zugewandten freien Enden (6, 11) der Sende- und Empfangs-Lichtwellenleiter (5, 10) aufge­ fächert sind.

8. Optischer Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden (6) der Sende-Lichtwellenlei­ ter (5) derart auf die Spiegelungsfläche gerichtet sind, daß die auf die Spiegelungsfläche auftreffenden Lichtflecke (15) im wesentlichen auf einer geraden Linie liegen.

9. Optischer Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß von den Sende-Lichtwellenleitern (5) auf der Spiegelungsfläche erzeugte benachbarte Lichtflecke (15) im wesentlichen jeweils denselben Abstand voneinander aufweisen.

10. Optischer Sensor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Sende-Lichtwellenleitern (5) aus­ tretenden Lichtbündel zylinder- oder kegelförmig sind.

11. Optisches Mikrofon gekennzeichnet durch einen optischen, insbesondere optoakustischen Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.