DE3421004A1

DE3421004A1 - Optischer sensor

Info

Publication number: DE3421004A1
Application number: DE19843421004
Authority: DE
Inventors: Friedrich-Karl Dipl.-Ing. 2080 Pinneberg Beckmann; Wolfgang 2000 Norderstedt Hoppe; Jürgen 2000 Wedel Kordts; Gerhard Dipl.-Phys. Dr. 2086 Ellerau Martens
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1984-06-06
Filing date: 1984-06-06
Publication date: 1985-12-12
Also published as: JPS6135321A; GB2159944A; GB8513953D0; FR2565683A1

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH PHD 84·3)4£ 1004

Sb

Optischer Sensor

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sensor, insbesondere einen optischen Drucksensor, bestehend aus einem Polarisationsfilter, das aus von einem Lichtsender gelieferten Licht polarisiertes Licht ausfiltert, aus einem lichtdurchlässigen Körper, der den Polarisationszustand des polarisierten Lichtes in Abhängigkeit einer auf den Körper einwirkenden physikalischen Größe, insbesondere eines Druckes, ändert, und aus einem Analysator, der aus dem vom lichtdurchlässigen Körper abgestrahlten Licht mindestens einen linear polarisierten Lichtanteil ausfiltert, dessen Intensität sich mit der auf dem lichtdurchlässigen Körper einwirkenden physikalischen Größe ändert.

Aus der DE-OS 31 38 061 ist ein optischer Drucksensor eingangs genannter Art bekannt, dem von einer Lichtleitfaser abwechselnd Licht mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen zugeführt wird. Der Analysator in diesem Drucksensor ist als Polarisationsprisma ausgebildet, welches das Licht, nachdem es den lichtdurchlässigen Körper durchstrahlt hat, in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Strahl aufspaltet, deren Intensitäten sich mit dem auf den lichtdurchlässigen Körper einwirkenden Druck gegensinnig ändern. Gehen der ordentliche Strahl durch ein Farbfilter für Licht mit einer der beiden Wellenlängen und der außerordentliche Strahl durch ein anderes Farbfilter für Licht mit der anderen Wellenlänge, werden von diesen Farbfiltern Lichtimpulse ausgefiltert, die abwechselnd die Intensität des ordentlichen und des außerordentlichen Strahles aufweisen. Diese Lichtimpulse werden von einer einzigen Lichtleitfaser zu einer Auswertevorrichtung übertragen,

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wobei die Lichtimpulse in Abhängigkeit Ihrer Wellenlänge unterschiedlich stark gedämpft werden, so daß die Auswertevorrichtung fehlerhafte Druckmeßwerte errechnet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Sensor zur Erzeugung von Lichtimpulsen mit nur einer Wellenlänge zu schaffen, deren Intensitäten von der zu erfassenden physikalischen Größe abhängen.

Diese Aufgabe wird bei einem optischen Sensor eingangs genannter Art dadurch gelöst, daß zwischen dem Polarisationsfilter und dem Analysator ein elektrisch schaltbarer optischer 90°-Rotator angeordnet ist.

Damit erzeugt der Sensor aus Licht mit nur einer Wellenlänge Lichtimpulse, deren Intensitäten sich mit dem zu erfassenden Druck unterschiedlich ändern und die bei der Übertragung zur Auswertevorrichtung in gleichem Maße gedämpft werden, so daß die Auswertevorrichtung die dämpfungsbedingten Übertragungsfehler ausgleichen und fehlerfreie Meßwerte errechnen kann.

Da zum Umschalten von Flüssigkristallzellen nur kleine elektrische Spannungen erforderlich sind, ist es vorteilhaft, wenn der optische 90°-Rotator als Flüssigkristallzelle ausgebildet ist, die von einem Impulsgenerator angesteuert wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das Polarisationsfilter und/oder der Analysator als

Polarisationsteilewürfel ausgebildet, die einen Teil des Lichtes auf je einen Lichtdetektor lenken, welche mit der aus dem Licht gewonnenen elektrischen Energie den Impulsgenerator versorgen. Dadurch kann der den optischen 35

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90°-Rotator schaltende Impulsgenerator ohne Verwendung eines elektrisch aufladbaren Akkumulators bzw. ohne über ein elektrisches Kabel mit einer Spannungsquelle verbunden zu sein, betrieben werden, so daß der optische Sensor in explosionsgefährdeten Räumen verwendbar ist.

Anhand der Zeichnungen werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und deren Wirkungsweise erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 einen optischen Drucksensor mit einem steuerbaren Impulsgenerator zum Schalten des optischen 90°-Rotators,

Fig. 2 einen optischen Drucksensor mit einem lichtdurchlässigen einseitig verspiegelten Körper,

Fig. 3 einen optischen Drucksensor mit einer einzigen Lichtleitfaser als Lichtsender und Lichtempfänger.

In Fig. 1 führt ein Sendelichtleiter 1 einem optischen Drucksensor Licht zu, das in einer Linse 2 zu paralelem Licht 3 kollimiert wird. Der optische Drucksensor besteht aus einem ersten Polarisationsfilter 4, einem schaltbaren optischen 90°-Rotator 5, einem lichtdurchlässigen Körper 6, einer ersten Verzögerungsplatte 7 und einem ersten Analysator 8. Von einer Linse 9 wird ein vom ersten Analysator ausgefilteter Lichtanteil 10 in einen Empfangslichtleiter 11 eingekoppelt.

Der lichtdurchlässige Körper 6 besteht aus Quarzglas. Er kann aber auch aus anderen lichtdurchlässigen Materialien, wie z.B. aus lichtdurchlässigem festem Kunststoff, bestehen. Das erste Polarisationsfilter 4 und der erste Analysator 8 sind als Polarisationsprismen, d.h. als Nicol-Prismen, als Glan-Thompson-Prismen oder als Polarisationsteilerwürfel, ausgebildet. Sie lenken einen Teil

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des Lichtes 15, 18 auf einen ersten Lichtdetektor 12 und einen zweiten Lichtdetektor 13, die den Impulsgenerator mit aus den Lichtanteilen 15 und 18 gewonnener elektrischer Energie versorgen. Der Impulsgenerator 14 schaltet mit einer von diesen Energiesignalen abhängigen Frequenz den optischen 90°-Rotator 5. Das erste Polarisationsfilter 4 und der erste Analysator 8 sind derart ausgerichtet, daß deren Polarisationsrichtungen parallel zur Zeichenebene liegen. Die optische Achse der Verzögerungsplatte 7 weist demgegenüber einen Winkel von 45° auf.

Der optische 90°-Rotator 5 kann als Flüssigkristallzelle ausgebildet sein, die aus zwei parallel angeordneten, lichtdurchlässigen Scheibenelektroden besteht, zwischen denen eine optisch doppelbrechende Flüssigkristallschicht angeordnet ist. Liegt an den Scheibenelektroden keine Spannung, wird die Polarisationsrichtung von senkrecht zu den Scheibenelektroden einfallendem polarisiertem Licht um 90° gedreht. Liegt dagegen Spannung an den Scheibenelektroden an, durchstrahlt dieses Licht die Flüssigkristallzelle unverändert.

Der optische 90°-Rotator 5 kann auch als Kerrzelle ausgebildet sein, die aus einem mit Nitrobenzol gefüllten Kondensator besteht, zwischen dessen beiden Platten Licht hindurchstrahlt. Wird an die Kondensatorplatten eine Gleichspannung angelegt, wird die Polarisationsrichtung von polarisiertem Licht um 90° gedreht. Der optische 90°-Rotator kann aber auch als elektrooptischer Kristall oder als Faraday-Rotator ausgebildet sein.

Das erste Polarisationsfilter 4 teilt das Licht 3 auf in einen ordentlichen Strahl 15, der auf den ersten Lichtdetektor 12 gelenkt wird, und in einen außerodentli-

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chen Strahl 16. Der ordentliche und der außerordentliche Strahl 15, 16 sind linear polarisiert, wobei die Schwingungsebene des außerordentlichen Strahles 16 parallel zur Zeichenebene und diejenige des ordentlichen Strahles 15 senkrecht zur Zeichenebene stehen.

Ist der 90°-Rotator 5 eingeschaltet, durchstrahlt der außerordentliche Strahl 16 den 90"-Rotator 5 unverändert. Wirkt auf den lichtdurchlässigen Korper 6 ein Druck 17 in einem Winkel von 45° zur Zeichenebene ein, wird das linear polarisierte Licht elliptisch polarisiert. Das Licht durchstrahlt mit nunmehr druckabhängigem Polarisationszustand die als Viertelwellenlängenplatte ausgebildete erste Verzögerungsplatte 7 und den ersten Analysator 8, der aus diesem Licht einen linear polarisierten Lichtanteil 10 ausfiltert, dessen Intensität mit zunehmendem Druck abnimmt. Die dem lichtdurchlässigen Körper 6 nachgeschaltete erste Verzögerungsplatte 7 bewirkt, daß das Licht auch dann elliptisch polarisiert wird, wenn auf den lichtdurchlässigen Körper 6 kein Druck 17 einwirkt, so daß das linear polarisierte Licht den lichtdurchlässigen Körper 6 unverändert durchstrahlt. Der Lichtanteil 10 wird von einer Linse 9 in einen Empfangslichtleiter 11 eingekoppelt, der mit einer nicht dargestellten Auswerteschaltung verbunden ist.

Ist der 90"-Rotator ausgeschaltet, wird die Schwingungsebene des außerordentlichen Strahles 16 um 90" gedreht, so daß der lichtdurchlässige Körper 6 mit linear polarisiertem Licht durchstrahlt wird, dessen Schwingungsebene senkrecht zur Zeichenebene liegt. Wirkt auf den lichtdurchlässigen Körper 6 ein Druck 17, wird auch dieses Licht elliptisch polarisiert. Vom ersten Analysator 8 wird aus diesem Licht ein linear polarisierter Lichtanteil 10 ausgefiltert, dessen Intensität mit zunehmendem Druck 17 zunimmt.

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Ist der 90"-Rotator 5 eingeschaltet, nimmt die Intensität des Lichtanteiles 10 mit zunehmendem Druck 17 ab, und ist der 90"-Rotator 5 ausgeschaltet, nimmt die Intensität des Lichtanteiles 10 mit zunehmendem Druck 17 zu, so daß durch ein Umschalten des 90"-Rotators 5 abwechselnd Lichtimpulse in den Empfangslichtleiter 11 eingekoppelt werden, deren Intensitäten sich mit zunehmendem Druck 17 gegensinnig verändern. Die nicht dargestellte Auswerteschaltung kann somit aus dem Quotienten der Intensitäten dieser Lichtimpulse den Druck 17 sehr genau und unabhängig von Dämpfungsverlusten des Sende- und Empfangslichtleiters ermitteln.

Die Lichtintensitäten der von dem ersten Polarisationsfilter 4 und dem ersten Analysator 8 abgespalteten ordentlichen Strahlen 15 und 18 werden von den Lichtdetektoren 12 und 13 erfaßt, die mit Signalen, deren Werte diesen Lichtintensitäten entsprechen, den Impulsgenerator 14 ansteuern. Die Frequenz, mit welcher der Impulsgenerator 14 den 90"-Rotator 5 schaltet, kann hierbei von dem Verhältnis der Lichtintensitäten der ordentlichen Strahlen 15 und 18 abhängen, so daß auch aus der Frequenz der über den Empfangslichtleitern 11 übertragenen Lichtimpulse der Druck 17 ermittelbar ist.

In dem in Fig. 2 dargestellten optischen Drucksensor sind in Richtung des Lichtes 3 ein als Polarisationsfolie ausgebildetes zweites Polarisationsfilter 19, der 90°-Rotator 5, ein als Polarisationsteilerwiirfel ausgebildeter zweiter Analysator 20, eine als Achtelwellenlängenplatte ausgebildete zweite Verzögerungsplatte 21 und der lichtdurchlässige Körper 6 hintereinander angeordnet. Die Polarisationsrichtungen des Polarisationsfilters 19 und des zweiten Analysators 20 liegen parallel zur Zeichenebene. Die optische Achse der zweiten Verzögerungsplatte weist dazu einen Winkel von 45° auf.

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Der 90"-Rotator 5 wird von einem weiteren Impulsgenerator 22 mit einer einstellbaren Frequenz geschaltet. Eine als Viertelwellenlängenplatte ausgebildete dritte Verzögerungsplatte 28 mit verspiegelter Rückseite 23 ist derart angeordnet, daß sie den vom zweiten Analysator 20 abgelenkten Lichtstrahl 24 in Richtung des zweiten Analysators 20 zurückreflektiert. Die Rückseite des lichtdurchlässigen Körpers 6 ist ebenfalls mit einer Spiegelschicht 25 belegt. Von dem davon reflektierten Licht wird im Analysator 20 ein ordentlicher Strahl 26 abgespalten, der von der Linse 27 in den Empfangslichtleiter 11 eingekoppelt wird. Der Impulsgenerator 22 wird von einem elektrischen Akkumulator mit elektrischer Energie versorgt. Das zweite Polarisationsfilter 19 kann aber auch als Polarisationsteilerwürfel ausgebildet sein, der einen Teil des Lichtes 3 auf einen Lichtdetektor zur Energieversorgung des Impulsgenerators 22 lenkt.

Ist der 90°-Rotator 5 eingeschaltet, durchstrahlt das vom zweiten Polarisationsfilter 19 linear polarisierte und parallel zur Zeichenebene schwingende Licht unverändert den 90"-Rotator 5 und den zweiten Analysator 20. In der zweiten Verzögerungsplatte 21 wird dieses Licht elliptisch polarisiert. Der Polarisationszustand dieses Lichtes wird dann im lichtdurchlässigen Körper 6 vor und nach der Reflexion an der Spiegelschicht 25 derart verändert, daß sich die kleine Achse der Polarisationsellipse umso mehr" vergrößert, je größer der auf den Körper 6 in einem Winkel von 45° zur Polarisationsrichtung des zweiten Analysators 20 einwirkende Druck 17 ist. Nach einer weiteren Vergrößerung der kleinen Achse der Polarisationsellipse des Lichtes in der zweiten Verzögerungsplatte 21 wird in dem zweiten Analysator 20 von diesem Licht der ordentliche Strahl 26 abgespalten und in dem Empfangslichtleiter 11 eingekoppelt, dessen Lichtintensität der Länge der kleinen Achse der Polarisationsellipse des Lichtes entspricht und

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somit umso größer ist, je größer der Druck 17 ist.

Ist der 90"-Rotator 5 ausgeschaltet, wird die Schwingungsebene des vom zweiten Polarisationsfilter 19 linear polarisierten Lichtes um 90° gedreht, und das nunmehr senkrecht zur Zeichenebene schwingende linear polarisierte Licht wird vom zweiten Analysator 20 vollständig in Richtung der dritten Verzögerungsplatte 28 umgelenkt. Aufgrund der Reflexion an der verspiegelten Rückseite 23 durchstrahlt das Licht 24 die als Viertelwellenlängenplatte ausgebildete Verzögerungsplatte 28 zweimal, so daß die Schwingungsebene des zurückreflektierten Lichtes um 90° gedreht ist und parallel zur Zeichenebene liegt. Dieses Licht durchstrahlt den zweiten Analysator 20 unverändert und wird anschließend über die Linse 27 in den Empfangslichtleiter 11 eingekoppelt. In Abhängigkeit der Frequenz, womit der Impulsgenerator 22 den 90"-Rotator 5 schaltet, werden somit abwechselnd Lichtimpulse in den Empfangslichtleiter 11 eingekoppelt, die abwechselnd einerseits eine druckabhängige und andererseits eine druckunabhängige Lichtintensität aufweisen.

In einer nicht dargestellten quotientenbildenden Auswerteschaltung kann aus den Lichtintensitäten dieser Lichtimpulse der Druck 17 ermittelt werden, wobei das auf diese Weise ermittelte Druckmeßergebnis von Dämpfungsverlusten unbeeinflußt bleibt, die in dem Sende- und Empfangslichtleiter auftreten.

Der in Fig. 3 dargestellte optische Drucksensor polarisiert mit Hilfe eines als Polarisationsfolie ausgebildeten dritten Polarisationsfilters 29 das von der Lichtleitfaser 1 gelieferte und mit Hilfe der Linse 2 kollimierte Licht, das anschließend den 90"-Rotator 5, einen dritten Analysator 30, eine vierte als Achtelwellenlängenplatte

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ausgebildete Verzögerungsplatte 31 und den lichtdurchlässigen Körper 6 durchstrahlt. Die Polarisationsrichtungen des dritten Polarisationsfilters 29 und des dritten Analysator s 30 liegen parallel zur Zeichenebene, während die 5 optische Achse der vierten Verzögerungsplatte 31 einen Winkel von 45° dazu aufweist. Die Spiegelschicht 25 reflektiert dieses Licht, das den lichtdurchlässigen Körper 6_f die vierte Verzögerungsplatte 31, den dritten Analysator 30, den 90"-Rotator 5, das dritte Polarisationsfilter 29 und die Linse 2 durchstrahlt und in die Lichtleitfaser 1 eingekoppelt wird, die somit sowohl Sende- als auch Empfangslichtleiter ist.

Der 90°-Rotator 5 wird vom Impulsgenerator 22 angesteuert, der von einem elektrischen Akkumulator mit Energie versorgt wird. Auch hierbei kann das dritte Polarisationsfilter 29 als Polarisationsteilerwürfel ausgebildet sein, der einen Teil des Lichtes 3 auf einen Lichtdetektor zur Versorgung des Impulsgenerators 22 mit elektrischer Energie lenkt. Auf dem zweiten Ausgang des als Polarisationsteilerwürfel ausgebildeten dritten Analysators 30 ist eine Verspiegelung 32 angebracht.

Befindet sich der 90"-Rotator 5 in eingeschaltetem Zustand, durchstrahlt das vom dritten Polarisationsfilter 29 linear polarisierte Licht den 90"-Rotator 5 und den dritten Analysator 30 ungehindert und wird in der vierten Verzögerungsplatte 31 elliptisch polarisiert. Aufgrund des auf den lichtdurchlässigen Körper 6 einwirkenden Druckes 17 wird der Polarisationszustand des elliptisch polarisierten Lichtes beim Hin- und Zurückstrahlen durch den Körper 6 derart verändert, daß sich die große Achse der Polarisationsellipse mit dem Druck 17 verkleinert, so daß im dritten Analysator 30 aus diesem Licht linear polarisiertes Licht ausgefiltert wird, dessen Intensität

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mit dem Druck 17 abnimmt. Dieses Licht durchstrahlt den 90"-Rotator 5 und das dritte Polarisationsfilter 29 ungehindert und wird wieder in die Lichtleitfaser 1 eingekoppelt .
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Ist der 90"-Rotator 5 ausgeschaltet, wird die Schwingungsebene des vom dritten Polarisationsfilter 29 linear polarisierten Lichtes um 90° gedreht. Dieses Licht mit zur Zeichenebene senkrechter Schwingungsebene wird vom dritten Analysator 30 auf die Verspiegelung 32 gelenkt, davon zurückreflektiert und vom dritten Analysator 30 durch den 90"-Rotator 5 gelenkt. Dieser ist ausgeschaltet und dreht somit die Schwingungsebene des linear polarisierten Lichtes erneut um 90°, so daß dieses Licht wieder mit parallel zur Zeichenebene liegender Schwingungsebene linear polarisiert ist und somit das dritte Polarisationsfilter 29 ungehindert passieren und von der Linse 2 in die Lichtleitfaser eingekoppelt werden kann. Somit werden in Abhängigkeit der Frequenz, mit welcher der Impulsgenerator 22 den 90"-Rotator 5 schaltet, abwechselnd Impulse mit druckabhängiger und mit druckunabhängiger Intensität in die Lichtleitfaser eingekoppelt. Aus diesen Impulsen kann der Druck 17 in einer nicht dargestellten quotientenbildenden Auswertevorrichtung von DämpfungsVerlusten in der Lichtleitfaser 1 unabhängig ermittelt werden.

Der optische Drucksensor kann auch andere physikalische Großen, wie z.B. elektrische oder magnetische Felder, erfassen. Zur Erfassung eines elektrischen Feldes ist es vorteilhaft, wenn der lichtdurchlässige Körper 6 beispielsweise als Kerrzelle ausgebildet ist, die den Polarisationszustand von polarisiertem Licht in Abhängigkeit eines auf die Kerrzelle einwirkenden elektrischen Feldes verändert. Magnetische Felder sind erfaßbar, wenn der lichtdurchlässige Körper 6 aus wismutdotiertem Granat be-

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steht, das den Polarisationszustand von Licht in Abhängigkeit eines auf den Körper 6 einwirkenden Magnetfeldes verändert.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Optischer Sensor, insbesondere optischer Drucksensor, bestehend aus einem Polarisationsfilter, das aus von einem Lichtsender geliefertem Licht polarisiertes Licht ausfiltert, aus einem lichtdurchlässigen Körper, der den Polarisationszustand des polarisierten Lichtes in Abhängigkeit einer auf den Körper einwirkenden physikalischen Größe, insbesondere eines Druckes, ändert, und aus einem Analysator, der aus dem vom lichtdurchlässigen Körper abgestrahlten Licht mindestens einen linear polarisierten Lichtanteil ausfiltert, dessen Intensität sich mit der auf den lichtdurchlässigen Körper einwirkenden physikalischen Größe ändert, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Polarisationsfilter (4, 19, 29) und dem Analysator (8, 20, 30) ein elektrisch schaltbarer optischer 90"-Rotator (5)

15 angeordnet ist.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische 90"-Rotor (5) als Flüssigkristallzelle ausgebildet ist, die von einem Impulsgenerator (14, 22) angesteuert wird.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polarisationsfilter (4) und/oder der Analysator (8) als Polarisationsteilerwürfel ausgebildet sind, die einen Teil des Lichtes auf je einen Lichtdetektor (12, 13) lenken, welche mit der aus dem Licht gewonnenen elektrischen Energie den Impulsgenerator (14) versorgen.