DE3208447A1

DE3208447A1 - Farbmodulierter faseroptischer wandler

Info

Publication number: DE3208447A1
Application number: DE19823208447
Authority: DE
Inventors: Hartwig Dr. 8080 Fürstenfeldbruck Rüll
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-03-09
Filing date: 1982-03-09
Publication date: 1982-09-23

Description

Farbmodulierter faseroptischer Wandler
Die Erfindung betrifft einen farbmodulierten, faseroptischen Wandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein farbmodulierter faseroptischer Wandler der genannten Art geht aus "Control Engineering", Febr. 1979, S. 30 bis 33, insbesondere aus Seite 31 und in den Figuren auf Seite 31, linke Spalte unten, hervor. In diesem bekannten Wandler wird ein breites Quellenspektrum durch ein Hoch- oder Tiefpaßfilter gefiltert.
Ideal wäre die Benutzung eines Bandpaßfilters. Das ermittelte Spektrum wird für Abschnitts- oder Bandpaßwellenlängen analysiert. Da die besondere Wellenlänge (Abschnitts- oder Bandpaßwellenlänge) des Filters eine Funktion eines Umgebungsparameters ist, bildet das totale System einen faseroptischen Wandler, der von Intensitätsvariationen in der Faser, in welcher das Licht übertragen wird, unabhängig ist. In Abhängigkeit von dem Typ des benutzten Lichtfilters können physikalische Parameter, beispielsweise die Temperatur oder der Druck, gemessen werden. Amorphes Selen ist ein Beispiel flir ein amorphes Halbleitermaterial, das als temperaturempfindliches Hochpaßfilter in einem faseroptischen, farbmodulierten Sensor verwendet werden kann.
Bei dem bekannten Wandler wird ein einfacher oder einzelner Spektraldetektor verwendet, der das gefilterte Licht aus dem Filter empfängt und ein Ausgangssignal entsprechend der empfangenen Intensität erzeugt. Dieser Spektraldetektor bestimmt grundsätzlich, ob ein gewisser vorbestimmter Wert des optischen Parameters überschritten worden ist.
Für viele Zwecke Jedoch ist es wünschenswert,- einen farbmodulierten faseroptischen Wandler zu haben, der den tatsächlichen Wert des Parameters und nicht gerade einen vorbestimmten Wert oder eine entsprechende Schwelle anzeigt. Es ist auch wünschenswert, eine digitale oder quasidigitale Ablesung des Parameters zu erhalten.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen farbmodulierten, faseroptischen Wandler der eingangs genannten Art bereitzustellen, der die Anzeige verschiedener Werte des unter Betracht stehenden physikalischen Parameters ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen 2 bis 10 hervor.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß ein farbmodulierter, faseroptischer Wandler der eingangs genannten Art zur Messung der Temperatur geschaffen ist.
Mit einem erfindungsgemäßen faseroptischen Wandler läßt sich insbesondere der physikalische Parameter an einer ersten Stelle messen und die abgetastete Information nach einer zweiten Stelle übertragen, die von der ersten Stelle entfernt ist. Der abgetastete Parameter ist an der zweiten Stelle verarbeit- und/oder anzeigbar.
In Zusammenfassung weist ein erfindungsgemäßer farbmodulierter, faseroptischer Wandler eine Lichtquelle auf, die ein breitbandiges Licht ausstrahlt. Es enthält auch ein Lichtfilter zum Filtern des von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichts, wobei dieses Filter eine Wellenlänge durchläßt, die eine Funktion des zu messenden physikalischen Parameters ist. Insbesondere kann dieses Lichtfilter ein Bandpaßfilter sein. Der Wandler umfaßt auch eine lichtübertragende Faser zum Ubertragen des gefilterten Lichts von dem Filter zu einem Spektraldetektor.
Der Spektraldetektor enthält ein optisches Sensorfeld.
Dieses Sensorfeld enthält mehrere optische Bandpaßfilter zum Empfang von Licht aus der lichtübertragenden Faser und eine gleiche Anzahl von lichtempfindlichen Elementen. Jedes der optischen Bandpaßfilter ist einem der lichtempfindlichen Elemente zugeordnet. Jedes der lichtempfindlichen Elemente weist eine Empfangsfläche zum Empfang von Licht aus dem'zugeordneten der optischen Bandpaßfilter auf. Diese Bandpaßfilter weisen Bandpaßwellenlängen auf, die voneinander verschieden sind.
Jedes der licht empfindlichen Elemente gibt ein elektrisches Ausgangssignal ab, das den von seiner Empfangsfläche aus dem ihm zugeordneten Bandpaßfilter empfangenen Licht entspricht. Ein maximales Ausgangssignal wird von demjenigen lichtempfindlichen Element abgegeben, dessen Bandpaßfilter der speziellen Wellenlänge des Lichtfilters am besten angepaßt ist. Deshalb wird von verschiedenen lichtempfindlichen Elementen ein maximales Ausgangssignal abgegeben, welches von der besonderen Wellenlänge abhängt, die sich aufgrund einer Änderung in dem zu messenden Parameter ändert.
Die vorangegangenen und andere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden ausführlicheren Beschreibung- eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung hervor, welches in den Figuren dargestellt ist.
Von den Figuren zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen farbmodulierten, faseroptischen Wandlers, und Figur 2 eine perspektivische Darstellung eines linearen Spektraldetektors, der in dem Wandler gemäß Figur 1 verwendet werden kann.
Gemäß Figur 1 enthält ein farbmodulierter faseroptischer Wandler eine Lichtquelle 2, die Licht 4 mit einem breiten Frequenzspektrum aussendet. Das Licht 4 kann weißes Licht sein. Das ausgestrahlte Licht 4 durch strahlt ein abstimmbares Farbfilter oder Lichtfilter 6.
Das Filter 6 weist eine Wellenlänge Ap auf, die ein p Funktion eines zu messenden physikalischen Parameters p ist. Beispielsweise ist, wie hier beschrieben, der physikalische Parameter p die Umgebungstemperatur. Insbesondere kann das Lichtfilter 6 ein Bandpaßfilter sein und die spezielle Wellenlänge #p kann die Bandpaßwellenlänge sein. Die spektrale Transmission des Filters 6 ändert sich als eine Funktion des zu messenden Parameters p. Beispielsweise kann das Filter 6 Flüssigkristalle enthalten, welche die Farbe als Funktion der Temperatur ändern. Dementsprechend ist die Farbe des das Filter 6 durchstrahlenden Lichts eine Funktion der Temperatur.
Das durch das Lichtfilter 6 strahlende Licht wird dem Eintrittsende einer ersten lichtübertragenden Faser 8 zugeführt. Diese Faser 8 dient zur Ubertragung des gefilterten Lichts zu einem länglichen Spektraldetektor 10. Der Detektor 10 ist senkrecht zum Austrittsende der Faser 8 oder zu deren Faserachse angeordnet. Zwischen dem Austrittsende der ersten übertragenden Faser 8 und dem Spektraldetektor 10 kann ein lichtaufweitendes oder -divergierendes Medium angeordnet sein, beispielsweise eine Linse 12, die eine negative Brennweite aufweist. Insbesondere kann eine Bikonkavlinse verwendet werden. Die Linse 12 dient zum Aufweiten des emittierten Lichts gleichermaßen über die Fläche des Spektraldetektors 10. Der Lichtdetektor 10 kann in bekannter Weise in einem Schutzgehäuse angeordnet sein.
Gemäß den Figuren 1 und 2 enthält der Spektraldetektor 10 ein optisches Sensorfeld. Wie der Figur 2 zu entnehmen ist, kann dieses Feld eine lineare oder eindimensionale Anordnung einer großen Anzahl von kleinen Lichtsensoren sein.
Das optische Sensorfeld enthält eine Anzahl schmaler Bandpaßfilter 20a, 20b, ..., 20n und eine gleiche Anzahl lichtempfindlicher Elemente 22a, 22b, ..., 22n.
Jedes der optischen Bandpaßfilter 20a bis 20n berührt oder bedeckt die Oberfläche je eines lichtempfindlichen Elements 20a bis 20n. Die Bandpaßfilter 20a bis 20n weisen Bandpaßwellenlängen #1, #2, ..., #n auf, die alle voneinander verschieden sind. Vorzugsweise sind sie schmalbandig. Folglich lassen die schmalbandigen optischen Filter 20a, 20b, ...20n grundsätzlich das Licht der Bandpaßwellenlängen 2 2 n 1' 2' ''' n passieren. Die Bandfilter 20a bis 20n können beispielsweise Interferenzfilter sein.
Die lichtempfindlichen Elemente 22a bis 22n können alle vom gleichen Typ sein, vorausgesetzt, daß die Intensitätsempfindlichkeit dieses Typs in dem von dem Filter 6 unter dem Einfluß des physikalischen Paramters p überdeckten Farbbereich ausreichend ist.
Jedes der lichtempfindlichen Elemente 22a bis 22n gibt ein elektrisches Ausgangs signal entsprechend den von seinem jeweils zugeordneten Bandpaßfilter 20a bis 20n empfangenen Licht ab. Diese Ausgangssignale werden einem Verarbeitungsschaltkreis 24 zugeführt, der ein Ausgangssignal A abgibt. Der Ver- arbeitungsschaltkreis 24 kann verschiedene Schwellenelemente enthalten, um zu bestimmen, welches der verschiedenen Eingangssignale am größten ist. Alternativ kann er irgendeine andere bekannte Einrichtung zur Bestimmung des Maximums der Eingangssignale enthalten.
Der Verarbeitungsschaltkreis 24 kann auch eine elektrische Schaltung enthalten, welche die Empfindlichkeitsverteilung der Filter 20a bis 20n und der lichtempfindlichen Elemente 22a bis 22n berücksichtigt. Die Empfindlichkeit variiert mit der Farbe oder Wellenlänge des empfangenen Lichts. Eine derartige Schaltung kann durch individuelle Eingangsverstärker gebildet sein, die unterschiedliche Verstärkungsfaktoren aufweisen, oder durch verschiedene Eingangswiderstände, deren Widerstandswerte ebenfalls voneinander verschieden sind.
Es sei darauf hingewiesen, daß Jeder Satz oder Jede Kombination 20, 22 eines optischen Bandpaßfilters 20a bis 20n bzw. der zugeordneten lichtempfindlichen Elemente 22a bis 22n einen optischen Sensor bildet, der für eine spezielle Wellenlänge t 22 s h n empfindlich ist. Es sei auch darauf hingewiesen, daß diese Sensoren ein längliches oder langgestrecktes Feld bilden. Die totale Anzahl n individueller Sensoren hängt von der gewünschten Anzahl unterschiedlicher Ablesungen des Parameters p ab.
Gemäß Figur 1 kann die Lichtquelle 2 ein lichtemittierendes Element 30, beispielsweise eine lichtemittierende Diode (LED), einen Reflektor oder Strahlungskollektor 32, eine zweite lichtübertragende Faser 34 und eine Koppellinse 36 aufweisen. Die Koppellinse 36 kann eine Bikonvexlinse sein, die zwischen dem Lichtaustrittsende der zweiten Faser 34 und dem Lichteintrittsende der ersten Faser 8 angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Linse 36 in der Mitte zwischen dem Lichtaustrittsende und dem Lichteintrittsende angeordnet, und zwar in einem Abstand von einem Ende, welcher dem doppelten der Brennweite f der Linse 36 entspricht.
Zur Messung des physikalischen Parameters p, der in der hier beschriebenen Ausführungsform die Temperatur ist, werden die lichtempfindlichen Elemente 22a bis 22n von dem Verarbeitungsschaltkreis 24 nacheinander abgefragt. Die "Farbe" oder Bandpaßwellenlänge des Sensors 20, 22, der das höchste Ausgangssignal liefert, wird direkt auf die Temperatur bezogen, der das Lichtfilter 6 ausgesetzt ist. In anderen Worten: Ein maximales Ausgangssignal wird von demjenigen der lichtempfindlichen Elemente 22a bis 22n geliefert, dessen zugeordnetes Bandpaßfilter von den Filtern 20a bis 20n der speziellen Wellenlänge Ap am besten angepaßt ist. Wenn eine Xndep rung der Temperatur stattfindet, wird das maximale Ausgangssignal von einem Detektorelement 22a bis 22n zu einem anderen verschoben. Das bedeutet, daß ein maximales Ausgangssignal von verschiedenen lichtempfindlichen Elementen abgegeben wird, wenn die spezielle Wellenlänge #p sich aufgrund einer Änderung des Parameters p ändert.
Einer der Vorteile des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Wandlers liegt darin, daß das ankommende Licht, das von der ersten Faser'8 geliefert wird, nicht mittels Kipper oder ähnlichen empfindlichen Vorrichtungen analysiert werden muß.
10 Patentansprüche 2 Figuren

Claims

Patentansprüche Farbmodulierter, faseroptischer Wandler, insbesondere mit einer Lichtquelle zum Aussenden von Licht mit einem breiten Spektrum, mit einem Lichtfilter zum Filtern dieses Lichts, wobei das Filter eine Wellenlänge aufweist, die eine Funktion eines zu messenden physikalischen Parameters ist, mit einer ersten lichtUbertragenden Faser zum Ubertragen des von dem Filter empfangenen und gefilterten Lichts, und mit einem Spektraldetektor zum Empfang von Licht aus der ersten lichtübertragenden Faser und zum Erzeugen eines Ausgangssignals, gekennzeichnet durch ein optisches Sensorfeld (20a bis 20n, 22a bis 22n) in dem Spektraldetektor (10), das eine Anzahl optischer Bandpaßfilter (20a bis 20n) zum Empfang von Licht aus der ersten lichtubertragenden Faser (8) und eine Anzahl lichtempfindlicher Elemente (22a bis 22n) aufweist, wobei Jedes der optischen Bandpaßfilter einem der lichtempfindlichen Elemente zugeordnet ist und Jedes der lichtempfindlichen Elemente eine Empfangsfläche zum Empfang von Licht aus den zugeordneten der optischen Bandpaßfilter aufweist, wobei die Bandpaßfilter Wellenlängen aufweisen, die voneinander verschieden sind, wodurch jedes der lichtempfindlichen Elemente ein dem vom zugeordneten Bandpaßfilter empfangenen Licht entsprechendes elektrisches Ausgangs signal abgibt, wobei ein maximales Ausgangssignal wahlweise von verschiedenen lichtempfindlichen Elementen abgegeben wird, die auf Wellenlängenänderungen aufgrund einer Änderung des zu messenden Parameters (p) ansprechen.
2. Wandler nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das optische Sensorfeld (20a bis 20n, 22a bis 22n) ein lineares Feld aus optischen Bandpaßfiltern (20a bis 20n) und ein lineares Feld aus lichtempfindlichen Elementen (22a bis 22n) enthält.
3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die optischen Bandpaßfilter (20a bis 20n) Interferenzfilter sind.
4. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die lichtempfindlichen Elemente (22a bis'22n) alle die gleiche spektrale Empfindlichkeit aufweisen.
5. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der physikalische Parameter (p) die Temperatur ist.
6. Wandler nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Lichtfilter (6) einen Flüssigkristall aufweist.
7. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß eine Linseneinrichtung (12) vorgesehen ist, welche das Licht aus dem Lichtaustrittsende der ersten lichtübertragenden Faser (8) auf die optischen Bandpaßfilter (20a bis 20n) richtet.
8. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß jedes der optischen Bandpaßfilter (20a bis 20n) an den zugeordneten der lichtempfindlichen Elemente (22a bis 22n) direkt anliegt.
9. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Lichtquelle (2) ein lichtemittierendes Element (30) und eine zweite lichtUbertragende Faser (34) zum Ubertragen von Licht aus dem lichtemittierenden Element (30) zu dem Lichtfilter (6) aufweist.
10. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das lichtemittierende Element (30) eine lichtemittierende Diode ist.