Beschreib ung

Die Erfindung betrifft eine optische Sensoreinrichtung, die auf optischem Wege ein physikalisches Volumen erfaßt. Insbesondere betrifft die Erfindung eine optische Sensoreinrichtung, die spezielle Sensormaterialien verwendet, deren Doppelbrechungswert mit dem äußeren phy-10

sikalischen Volumen variiert.

Fig. 1 zeigt eine bekannte optische Sensoreinrichtung. Die Einrichtung besitzt zwischen Polarisatoren 1 und 4 ein

Sensormatieral 2 und ein Viertelwellen-Plätt-15

chen 3, so daß sich das Volumen der austretenden Strahlen nach Maßgabe der Änderungen des Sensormaterials 2 ändert. Speziell ändert sich das Volumen der austretenden Strahlen nach Maßgabe der Phasenverzögerung θ zwischen zwei polarisierten Strahlen, die durch die

Doppelbrechung des Sensormaterials 2 erzeugt werden. Wenn in dem Sensor 2 keine geeignete Doppelbrechung stattfindet, beginnt die Phasenverzögerung θ abhängig von der bei 0 beginnenden Änderung des physikalischen

Volumens selbst bei 0°. Da die Änderung des Strahl-25

volumens maximal ist bei θ = 90°, ist, um die Empfindlichkeit unabhängig von dem Sensormaterial 2 optimal zu machen, in die optische Sensoreinrichtung ein Element eingefügt, welches eine Phasenverzögerung von 90° hervorruft. Dieses Element ist hier das Viertelwellen-

Plättchen 3.

Als Vier te lwellen-Plättchen 3 kommen verschiedene Materialien mit geeigneter Doppelbrechung und spezieller Dicke in Betracht, so z.B. Kristallplattchen,

Glimmerplättchen, Kalzitplättchen, Rutilplättchen u.dgl. als hochgenaue Viertelwellenplätten. Aus wirtschaftlichen Gründen werden auch ausgedehnte Kunst-

stoffplättchen eingesetzt. Dennoch werfen die Viertelwellen-Plättchen 3 einige Probleme auf: Kristall- und

Glimmerplättchen beispielsweise haben einen einkristal-5

linen Aufbau, und sie sind nicht nur teuer, sondern erfordern auch eine extrem sorgfältige Bearbeitung, damit sie die gewünschte Dicke besitzen. Hierdurch erhöhen sich die Kosten der Plättchen unvermeidbar. Obschon die ausgedehnten Kunststoffplättchen billig sind, besitzen sie keine gleichmäßige Qualität und eignen sich insbesondere dann nicht, wenn hohe Genauigkeit gefordert wird. Neben einem doppelbrechenden Viertelwellen-Plättchen verwendet man auch ein als "Fresnel-

Rhombus" bezeichnetes Element, welches die gleiche 15

Funktion hat wie das Viertelwellen-Plättchen, jedoch auf einem völlig anderen Prinzip beruht. Wie Fig. 2 zeigt, nutzt der "Fresnel-Rhombus" die Phasenverzögerung aus, die zwischen zwei polarisierten Strahlen

erzeugt wird, welche nach Totalreflexion einander unter 20

einem rechten Winkel kreuzen. Allerdings erfordert der Fresnel-Rhombus 5 eine spezielle Winkellage und einen extrem komplexen Wert, der nur durch den Brechungsindex des verwendeten Mediums bestimmt werden kann, so daß insgesamt eine komplizierte Verarbeitung notwendig ist.

Da die austretenden Strahlen sich parallel zu dem einfallenden Licht bewegen, hat sich der "Fresnel-Rhombus" in der Praxis nicht bewährt. Angesichts der oben aufgezeigten Nachteile ist der "Fresnel-Rhombus" in optischen Sensoreinrichtungen bislang kaum eingesetzt worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Sensoreinrichtung zu schaffen, die trotz eines ziemlich vereinfachten Aufbaus zuverlässig und genau zu arbeiten

vermag.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen ange-

gebene Erfindung gelöst.

Die Erfindung zielt also darauf ab, eine ideale Phasen-Grund- oder Vorverschiebung zu schaffen, um eine optimale Empfindlichkeit einer optischen Sensoreinrichtung zu ermöglichen. Dies geschieht durch die Einfügung eines Elements, welches bewirkt, daß der Strahlengang

um 180° umgelenkt wird. Dies geschieht durch zweimalige 10

Totalreflexion. Es ergibt sich eine Einrichtung, die

kostengünstig hergestellt werden kann, kompakt aufgebaut ist, präzise arbeitet und leicht handhabbar ist. Die Einrichtung erfordert weder ein Viertelwellen-Plättchen noch einen "Fresnel-Rhombus". 15

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem den Strahlenweg umkehrenden Element um ein Rechtwinkel-Prisma, obschon auch andere Prismenformen möglich sind, die eine entsprechende

Änderung des Strahlenwegs hervorrufen wie ein Rechtwinkel-Prisma.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Skizze einer herkömmlichen optischen Sensoreinrichtung,

Fig. 2 eine vereinfachte Skizze eines herkömmlichen 30

Fresnel-Rhombus,

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen

Sensoreinrichtung,
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Fig. 4 ein perspektivische Ansicht, welche die Beziehung

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zwischen den Hauptbauteilen der Einrichtung nach Fig. 3 veranschaulicht, und

Fig. 5 eine Skizze einer weiteren Ausführungsform

einer optischen Sensoreinrichtung.

Fig. 3 zeigt anhand eines vereinfachten Blockdiagramms einen Drucksensor als Haupt-Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Von einer Lichtquelle 11
kommende Lichtstrahlen gelangen durch eine optische Faser 12 und eine Stablinse 13 sowie einen Polarisator 14 und durchlaufen ein photoelastisches (spannungsoptisches) Material 15 sowie ein Rechtwinkel-Prisma 15

16. Durch zweimalige Reflexion in dem Rechtwinkel-Prisma 16 erreichen die Lichtstrahlen nach Durchlaufen des photoelastischen Materials 15, des Polarisators 14, einer weiteren Stablinse 17 und einer weiteren

optischen Faser 18 einen Photodetektor 19. Auf das 20

photoelastische Material 15 aufgebrachter Druck wird gemessen als Änderung des den Photodetektor 19 erreichenden Strahlvolumens.

Für das photoelastische Material 15 steht eine Viel-25

falt von Stoffen zur Verfügung, darunter Glas, GaP, LiNbO^, LiTaO,, ZnSe, Epoxyharz, Diallylphthalat
(DAP), Acrylharz, Polykarbonat, Silikonharz. Es ist wünschenswert, daß auf das photoelastische Material

kein hydrostatischer Druck einwirkt, es kann jedoch 30

gegenüber der Polarisationsachse des Polarisators um 45° gekippt sein. Das photoelastische Material und das Rechtwinkel-Prisma 16 erzeugen eine spezifische Phasenverzögerung zwischen zwei einander unter

rechtem Winkel kreuzenden polarisierten Strahlen. Die 35

Polarisator-Platte 14 bewirkt, daß die Phasen der zwei polarisierten Strahlen korrekt übereinstimmen, wenn

diese einfallenden polarisierten Strahle einander unter rechten Winkeln kreuzen. Die Polarisator-Platte

14 gibt nach außen Strahlen ab, die jeweils eine spe-5

zielle Intensität aufweisen, und zwar entsprechend der Phasenverzögerung, die von dem photoelastischen Material 15 und dem Rechtwinkel-Prisma 16 erzeugt wird.

Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Polarisator-Platte 14, dem photoelastischen Material 15 und dem Rechtwinkel-Prisma 16. Die Lagebeziehung gemäß Fig. 4 wird bestimmt, indem man die Beziehung zwischen dem polarisierten Strahl und den drei Elementen berücksichtigt.
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Es sei folgendes angenommen: Ein polarisierter Strahl, dessen elektrisches Feld parallel zu der sowohl das einfallende als auch das austretende Licht enthaltenden Einfallebene schwingt ,sei eine Welle P, und 20

der polarisierte Strahl, welcher die Welle P unter rechten Winkeln kreuzt, sei eine Welle S. Mit dieser Annahme kann mann das durch die Polarisator-Platte 14 einfallende Licht als Eingangssignal betrachten, bei

dem die Wellen P und S mit einander identischen Phasen 25

einander überlappen. Wird dieses einfallende Licht in das photoelastische Element 15 eingegeben, welches parallel zur Schwingungsrichtung entweder der Welle P oder der Welle S belastet wird, so wird zwischen den

Wellen P und S proportional zur Belastungsstärke eine 30

spezifische Phasenverzögerung hervorgerufen. Durch die Schwankungen der Phasenverzögerung verursachte Lichtintensitäts-Schwankungen hängen ebenfalls ab von dem Verhältnis der Lichtintensitäten der Wellen P und S.

Wenn das Verhältnis der Lichtintensitäten zwischen der 35

Welle P und der Welle S 1:1 beträgt, wird das Maß der Schwankungen der Lichtintensität maximal. Dies läßt

sich erreichen, indem man die Polarisationsachse des Polarisators 14 gegenüber der Einfallebene in einem p. Winkel von 45° anordnet. Hat jedoch die Polarisationsachse der Polarisator-Platte 14 gegenüber der Einfallebene einen Winkel von entweder 0° oder 90°, so reduziert sich die Lichtintensität entweder der Welle P oder der Welle S auf Null, so daß das Rechtwinkel-Prisma 16 nicht als eine Phasen-Grundverschiebung hervorrufendes Element arbeitet, sondern lediglich als Spiegel fungiert. Es ist daher in Zusammenhang mit dem Rechtwinkel-Prisma 16 von äußerster Wichtigkeit, daß die Polarisationsachse der Polarisator-Platte 14

gegenüber der Einfallebene in irgendeinem Winkel ange-15

ordnet ist, der von 0° und von 90° verschieden ist. Die oben angegebenen Bedingungen für die Maximierung der Schwankungen der Lichtintensität des photoelastischen Materials 15 sind auch nützlich für das Rechtwinkel-Prisma 16 und können einfach erreicht werden. Da die Bedingung für den polarisierten Strahl bezüglich der durch das photoelastische Material 15 und das Rechtwinkel-Prisma erzeugten Phasenverzögerung variabel ist, wenn der Strahl erneut durch die Polarisator-Platte 14 hindurchtritt, bestimmt sich die Intensität b

der austretenden Strahlen durch die Phasenverzögerung. Im folgenden werden weitere Einzelheiten der durch das Rechtwinkel-Prisma 16 hervorgerufenen Phasenverzögerung erläutert. Bei zwei totalreflektierten Strahlen hat die Phasenverzögerung zwischen zwei Wellen P und S allgemein die durch nachstehende Gleichung angegebene Beziehung

_nS_ _ cos(25 /sin² φ - (1/n)²
'

wobei η der Brechungsindex des Rechtwinkel-Prismas 16 und φ der Einfallwinkel des Lichts gegenüber der auf der Licht reflektierenden Fläche senkrecht stehenden Linie ist.

Normalerweise wird das Rechteck-Prisma 16 mit einem Winkel φ von 45° eingesetzt. Dadurch ergibt sich folgende Gleichung:

tan| = /1 - 2(1/n)²

Wie oben erläutert wurde, eignet sich eine Phasenverzögerung von 90° ideal für die Grund-Phasenverzögerung des Sensors. Wie aus der obigen Gleichung jedoch hervorgeht, läßt sich durch den Einsatz des Rechtwinkel-Prismas 16 eine Phasenverzögerung von 90° nicht nach Beendigung eines Zyklus oder einer Runde von Totalreflexionen der Strahlenerreichen. Nur die Bedingung η = 1,554 gestattet eine Phasenverzögerung 2« von 90° nach zwei Zyklen von Totalreflexion. In der Praxis ist es ziemlich schwierig, solche Materialien verfügbar zu machen, die vollständig einem solchen idealen Brechungsindex entsprechen. Daher wird der Bereich des zulässigen Brechungungsindices in der unten angegebenen Weise berechnet. Es sei angenommen, zur Realisierung von 50 % der maximalen Empfindlichkeit sei eine spezieile Bedingung vorgesehen. Wenn die Phasen-Grundverschiebung 2i beträgt, läßt sich eine 50^-ige minimale Empfindlichkeit dadurch realisieren, daß man denjenigen Wert von η sucht, der folgende Gleichung erfüllt:

^J = Io sin 2 <f > 0,5 Io
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Die Lösung beträgt 1 ,427 έ- η ί~ 2,205. Um den obigen Wert korrekt zu erzielen, sind verschiedene Materialien verwendbar, so z.B. eine Vielfalt optischer 5

Gläser, darunter BK-7, Quarzglas, Bleiglas oder Faraday-Rotations-Glas, akustooptisches Glas sowie weitere herkömmliche Glasarten; verschiedene optische Kristalle, darunter Fluorit, Kristall, Calcit, KDP, ADP, KDA, RDA, AIpO-,, MgO, usw. Außerdem kommen optische Keramiken in Betracht sowie hochpolymere Stoffe wie Acrylharz oder Polymethylmethacrylat, Polyzyklohexylmethacrylat, Polystyrol, Polykarbonat, Epoxyharz, Polyakrylnitril, Polyvinylchlorid, photoempfindlicher

Harz, der aus ungesättigtem Polyesterharz abgeleitet 15

ist, etc. Es sei darauf hingewiesen, daß KDP, ADP, KDA und RDA die Abkürzungen sind für KH-PO., NH₄H-PO₄, KH₂AsO₄ und RbH₂AsO₄.

Fig. 5 zeigt anhand eines Blockdiagramms einen Spannungssensor als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der in Fig. 4 gezeigten Anordnung. Ein von einer Lichtquelle 21 kommender Strahl wird von einem Strahlaufspalter in zwei Teile aufgespaltet. Ein Teil wird zu einem

Photodetektor 23 geleitet, wo das Lichtvolumen über-25

wacht wird. Der andere Teil wird über eine optische Faser 24, eine Stablinse 25 und einen Polarisator 26 zu einem elektrooptischen Material 27 geleitet, welches z.B. aus LiNbO₃ oder BSO (Bi ₂SiO₂₀) besteht.

Gleichzeitig moduliert eine externe Spannung die Phase ^y

zwischen den zwei einander unter rechten Winkeln kreuzenden polarisierten Strahlen. Dann erhalten die Strahlen durch das Rechtwinkel-Prisma 28 eine Phasen-Grundverschiebung, und der Strahlweg wird gleichzeitig um 180° gewendet, so daß die Strahlen in umgekehrter Richtung durch das optische Material 27, den Polarisator 26, die Stablinse 25 und die optische Faser 24

gelangen, bevor sie schließlich über den Strahlaufspalter 22 den Photodetektor 29 erreichen. Jegliche Schwankung der an das elektrooptische Material 27 angelegten Spannungen wird als Schwankung des an dem Photodetektor 29 ankommenden Strahlvolumens erfaßt. Die Lagebeziehung zwischen dem Polarisator 26 und dem Rechtwinkel-Prisma 28 bleibt die gleiche wie in den Fig. 3 und 4.

Bei dem ersten oben beschriebenen Ausführungsbeispiel handelte es sich um ein Drucksensor, bei dem zweiten Ausführungsbeispiel um einen Spannungssensor. Dadurch, daß das photoelastische Material 15 ersetzt wird durch

das elektrooptische Material 27, kann das erste Ausführungsbeispiel auch als Spannungssensor und das zweite Ausführungsbeispiel auch als Drucksensor verwendet werden. Bei sämtlichen bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung beschränkt die optische

Sensoreinrichtung mit dem photoelastischen Material

die Einrichtung nicht auf einen Drucksensor, sondern umfaßt auch einen akustischen Sensor, einen Verzerrungssensor sowie einen Verschiebungs- oder Versetzungssensor. Die optische Sensoreinrichtung gemäß der 25

Erfindung kann auch als Temperatursensor ausgebildet sein, in dem das photoelastische Material 15 mit unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisenden Materialien kombiniert wird. Wenn man das photoelastische Material 15 mit elektrisch veränder-

baren Materialien kombiniert, j.äßt sich ein Spannungssensor schaffen. Durch Kombination mit magnetisch verzerrbaren oder veränderbaren Materialien läßt sich ein Stromsensor oder ein magnetischer Sensor herstellen .