DE3625703C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Meßvorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der GB-OS 21 45 237 ist ein optisches System bekannt, bei dem in einer Ausführungsform drei Fabry-P´rot Interferometer im Strahlengang des Systems angeordnet sind. Alle drei Interferometer liegen hinter einem Strahlenteiler. Es sind außerdem zwei Fotodetektoren vorgesehen, von denen einer den ersten Teilstrahl vom Strahlenteiler nach dem Durchlaufen eines Interferometers empfängt, während der andere den zweiten Teilstrahl aufnimmt, der durch die zwei anderen, hintereinander geschalteten Interferometer läuft. Dabei ist das im Strahlengang des ersten Teilstrahls liegende Interferometer ein Referenzinterferometer, dessen Strahlung im zugehörigen Fotodetektor ein Referenzsignal erzeugt. Die optische Weglänge des Referenzinterferometers wird damit an die von Bragg-Reflektoren angepaßt (Fig. 14 und Fig. 16). Eine Weiterbildung der bekannten Anordnung weist einen zweiten Strahlenteiler und zwei Interferometer auf. Der zweite Strahlenteiler liegt zwischen den beiden hintereinander geschalteten Interferometern (vgl. Fig. 17).

Aus der DE-OS 18 07 876 ist eine Vorrichtung zum Anzeigen von geringfügigen Lageänderungen bekannt, bei der das Licht eines Lasers von einem Strahlenteiler in zwei Teilstrahlen zerlegt wird. Ein Teilstrahl läuft durch ein Fabry-P´rot Interferometer, während der andere Teilstrahl in eine fotoempfindliche Zelle geleitet wird. Das Signal dieses Detektors wird ebenso wie das Signal vom Fabry-P´rot Interferometer verstärkt und die beiden Signale werden in einem Differentialverstärker verglichen. Ein zweites Interferometer ist hier nicht vorgesehen, da die Stellung der Spiegel beziehungsweise die Resonatorlänge des Fabry-P´rot Interferometers einer Nachlaufsteuerung unterliegt.

Aus der DE-AS 22 31 776 ist eine Lichtschranke zur Messung der Lage oder Abmessung von Gegenständen bekannt, wobei zwei fotoelektrische Meßeinrichtungen Signale an einen Differenzverstärker ausgeben, der eine Quotientenbildung vornimmt.

Aufgabe der Erfindung ist, die optische Meßvorrichtung der eingangs erwähnten Art dahingehend weiterzubilden, daß ein stabileres Meßsignal als beim Stand der Technik erhältlich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Mit der Erfindung werden in vorteilhafter Weise stabile Meßsignale erzielt, die unabhängig von Schwankungen der Emissionsintensität des Lichtes, der Wellenlänge und der Kopplungsstreuverluste sind, wenn diverse optische Bauteile wie Linse, Lichtleiter etc. in die optische Meßvorrichtung eingesetzt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Anspruch 2 gekennzeichnet.

Obwohl sich die Ausgangssignale des ersten und des zweiten Fotodetektors in gleicher Weise verändern, da sie von den Schwankungen der Emissionsintensität des Lichtes, der Wellenlänge und der Kopplungsstreuverluste abhängig sind, wenn diverse optische Bauteile wie Linsen, Lichtleiter etc. in die Meßvorrichtung eingesetzt sind, sollte die Abhängigkeit der Lichtstärke von den physikalischen Eigenschaften des Objektes in einer bevorzugten Ausführungsform bei dem auf den ersten Fotodetektor geleiteten Lichtstrahl erheblich geringer als bei dem auf den zweiten Fotodetektor geleiteten Lichtstrahl sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die erfindungsgemäße optische Meßvorrichtung,

Fig. 2 den Kurvenverlauf des Strahlenspektrums einer Leuchtdiode,

Fig. 3 charakteristische Kurvenverläufe der Ausgangssignale von den Fotodioden in der optischen Meßvorrichtung aus Fig. 1 und

Fig. 4 den Kurvenverlauf eines Ausgangssignals der Fotodiode in der optischen Meßvorrichtung aus Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße optische Meßvorrichtung, die eine Lichtquelle wie beispielsweise eine Leuchtdiode 41, ein erstes Fabry-P´rot-Interferometer 42, dessen Kennwerte sich mit den physikalischen Eigenschaften eines Meßobjektes verändern, einen Strahlenteiler 44 zur Aufteilung des von der Leuchtdiode 41 ausgesandten Lichts in zwei Lichtstrahlen, von denen der eine Lichtstrahl auf einen ersten Fotodetektor wie beispielsweise eine Fotodiode 46 und der andere Lichtstrahl durch ein zweites Fabry-P´rot-Interferometer 43, das als Referenzeinrichtung dient und dessen Kennwerte fest eingestellt sind, auf einen zweiten Fotodetektor geleitet wird. Der zweite Fotodetektor besteht ebenfalls aus einer zweiten Fotodiode 45, die das vom zweiten Fabry-P´rot-Interferometer 43 kommende Licht mißt. Eine nicht dargestellte Signalverarbeitungsschaltung vergleicht ein von der zweiten Fotodiode 45 erzeugtes Meßsignal mit einem von der ersten Fotodiode 46 erzeugten Meßsignal.

Das Licht von der Leuchtdiode 41 wird durch das erste Fabry-P´rot-Interferometer 42 zum Strahlenteiler 44 geleitet, wo es in zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Richtungen geteilt wird. Ein Lichtstrahl ist auf die erste Fotodiode 46 gerichtet. Der andere Lichtstrahl wird durch das zweite Fabry-P´rot-Interferometer 43 zur zweiten Fotodiode 45 geleitet. Die Meßsignale von den Fotodioden 45 und 46 werden in einer Signalverarbeitungsschaltung miteinander verglichen, so daß man die physikalischen Meßwerte des Meßobjektes erhält.

Statt einer Leuchtdiode 41 können auch andere Lichtquellen verwendet werden, die Licht mit einem breiten Spektrum erzeugen. Ebenfalls können anstelle des Strahlenteilers 44 andere optische Bauteile eingesetzt werden, die das Licht in zwei Lichtstrahlen unterteilen (z. B. in einen oberen und einen unteren Strahl). Vorzugsweise wird das Licht von der Lichtquelle über Lichtleiter zu den Fotodetektoren geleitet. Ferner braucht das Licht von den beiden Fabry-P´rot-Interferometern 42 und 43 nicht notwendigerweise durchgelassen, sondern kann auch von diesen reflektiert werden.

Da die erfindungsgemäße optische Meßvorrichtung die in Fig. 1 gezeigte Anordnung aufweist, verändern sich die Ausgangssignale beider Fotodioden 45 und 46 gleichermaßen in Abhängigkeit von den Veränderungen der Lichtemissionsintensität der Lichtquelle 41 und/oder der Lichtübertragungsverluste von der Lichtquelle 41 zum Strahlenteiler 44 oder der Kopplungsstreuverluste zwischen den optischen Bauteilen. Wenn sich dennoch die Kennwerte des ersten Fabry-P´rot-Interferometers 42 mit den Änderungen der physikalischen Eigenschaften des Meßobjektes verändern, verändert sich auch in demselben Maße das Ausgangssignal der zweiten Fotodiode 45, während das Ausgangssignal der ersten Fotodiode 46 unverändert bleibt. Somit können die Veränderungen der Lichtemissionsintensität der Leuchtdiode 41 und der Kopplungsstreuverluste zwischen den optischen Bauteilen eliminiert werden, indem das Ausgangssignal der zweiten Fotodiode 45 durch das Ausgangssignal der ersten Fotodiode 46 dividiert wird. Wenn andererseits die Lichtemissionsintensität der Leuchtdiode 41 über eine Rückkopplung geregelt wird, um das Ausgangssignal der ersten Fotodiode 46 auf einen festen Wert zu halten, kann das Ausgangssignal der zweiten Fotodiode 45 unverändert als Ausgangssignal der Meßvorrichtung aufgenommen werden.

Um das Ausgangssignal der ersten Fotodiode 46 unabhängig von den Kennwerten des ersten Fabry-P´rot-Interferometers 42 unverändert zu halten, sollten so viele Scheitelwerte der spektralen Durchlässigkeit T ₁(λ) (d. h. die Fabry-P´rot- Resonanzspitzen) innerhalb der Bandbreite Δλ bei halbem Maximalwert des Strahlenspektrums der Lichtquelle liegen. Deshalb wird für Δλ ein hoher Wert genommen. Daher wird der Abstand t zwischen den reflektierenden Spiegeln des ersten Fabry-P´rot-Interferometers 42 groß gehalten. Dennoch sollte mit Rücksicht auf die praktische Anwendung die Anzahl der Fabry-P´rot-Resonanzspitzen möglichst klein gehalten werden, weil die Bandbreite Δλ bei halbem Maximalwert nicht groß ist, wenn eine Leuchtdiode als Lichtquelle verwendet wird. Ferner ist es schwierig, den Abstand t zwischen den reflektierenden Spiegeln eines Fabry-P´rot-Interferometers beliebig zu erhöhen.

Die innere optische Weglänge des ersten Fabry-P´rot-Interferometers 42 wird anhand von Fig. 2 behandelt, welche den Anforderungen genügen muß, damit das Ausgangssignal der ersten Fotodiode 46 auf einen festen Wert unabhängig von den Kennwerten des ersten Fabry-P´rot-Interferometers 42 gehalten wird.

Fig. 2 zeigt die Intensität des Strahlenspektrums der Leuchtdiode 41 mit der mittleren Wellenlänge λ ₀ und der Bandbreite Δλ bei halbem Maximalwert, wobei auf der Abszisse die Wellenzahl, d. h. der reziproke Wert der Wellenlänge λ, aufgetragen ist. Es sei angenommen, daß die Spektralkurve zur Ordinatenachse symmetrisch ist, welche auf dem Mittelwert 1/λ ₀ der 1/λ-Abszisse liegt, und daß die Kurvenabschnitte AB und BC punktsymmetrisch zum Punkt B sind, der auf dem halben Maximalwert der Intensität des Strahlenspektrums liegt.

Der Fall, daß die Scheitelwerte der auf dem Fabry-P´rot-Effekt beruhenden Resonanzen innerhalb der oben erwähnten Zone des Strahlspektrums liegen, soll im folgenden behandelt werden:

Die spektrale Durchlässigkeit T (λ) des Fabry-P´rot-Interferometers erreicht ein Maximum bei der n-ten Resonanz- Wellenlänge λ _m , die durch folgende Gleichung mit t als Abstand zwischen den reflektierenden Spiegeln des Fabry- P´rot-Interferometers und n als Brechungsindex zwischen diesen berechnet wird:

λ _m = 2nt/m  (m = 1, 2, 3, . . .).

Daraus erhält man die zur Wellenlänge reziproke Anzahl der Wellen:

1/λ = m/2nt

1/λ _m wird als Wellenzahl der n-ten Resonanzspitze definiert. Die Differenz zwischen der Wellenzahl des n-ten Resonanzscheitelwertes und der Wellenzahl des (m+1)-ten Resonanzscheitelwertes erhält man durch folgende Gleichung:

1/λ _m+1-1/λ _m = 1/2 nt

Der Punkt b in Fig. 2 bezeichnet die Wellenzahl der m-ten Resonanzspitze 1/λ _m . Es sei angenommen, daß die Lichtstärke an diesem Punkt ungefähr proportional dem Segment Bb ist, wobei der Resonanzscheitelpunkt im ansteigenden Verlauf liegt. Wenn die Lage des Punktes b nach links oder nach rechts verschoben wird, ändert sich die Länge des Segmentes Bb (z. B. zum Segment B′b′). Dennoch bleibt die Summe der Länge des Segmentes B′b′ plus der Länge des Segmentes D′d′ konstant, auch wenn der Punkt B′ zwischen den Werten A und C verschiebbar ist. Dabei wird angenommen, daß die Länge des Segmentes b′d′, das der Differenz zwischen der Wellenzahl des n-ten Resonanzscheitelwertes und der Wellenzahl des (m+1)-ten Resonanzscheitelwertes konstant bleibt, und zwar unabhängig davon, ob die Resonanzspitzen verschoben werden (z. B. ist die Summe der Länge des Segments B′b′ plus der Länge des Segments D′d′ gleich der Summe der Länge des Segmentes Bb plus der Länge des Segmentes Dd). Dabei bezeichnet der Punkt d die Wellenzahl des (m+1)-ten Resonanzscheitelwertes, wobei der Punkt d und der Punkt b symmetrisch zum Mittelwert 1/λ ₀ liegen. Der Wert D auf der Spektralintensitäts-Kurve hat denselben Betrag und denselben Steigungswert wie der Wert B, wobei die Steigung im Punkt D negativ und im Punkt B positiv ist. Bleibt die Lage der Resonanzspitze unverändert, wird aber die Verteilungskurve des Strahlenspektrums entlang der Abszisse verschoben, so bleibt wiederum die Summe der Länge des Segments B′b′ plus der Länge des Segmentes D′d′ unverändert.

Die oben getroffenen Erläuterungen basieren auf der Hypothese, daß die Verteilung des Strahlenspektrums symmetrisch zur Mittelachse ist, welche den idealen Zustand bezeichnet, und daß die Differenz 1/2nt in der Wellenzahl zwischen dem n-ten Resonanzscheitelwert und dem (m+1)-ten Resonanzscheitelwert, welche dem Segment b′d′ in Fig. 2 entspricht, ungefähr konstant bleibt, und zwar unabhängig von einer Verschiebung der Resonanzspitzen.

Mit diesen Ausführungen kann angenommen werden, daß die Bandbreite bei halbem Maximalwert des Strahlenspektrums dem Abstand zwischen den beiden oben behandelten Resonanzspitzen entspricht, so daß das Ausgangssignal der ersten Fotodiode 46 unabhängig von Veränderungen der optischen Weglänge nt auf einen festen Wert gehalten werden kann. Um diese Annahme zu bestätigen, muß die innere optische Weglänge nt des ersten Fabry-P´rot-Interferometers 42 so verändert werden, daß sie ungefähr dem Wert λ/2Δλ entspricht, wenn eine Lichtquelle mit einer mittleren Wellenlänge g ₀ und einer Bandbreite Δλ bei halbem Maximalwert verwendet wird.

In Fig. 4 ist ein möglicher Kurvenverlauf des Ausgangssignals der ersten Fotodiode 46 dargestellt, wobei der Augenblickswert des Ausgangssignals der Fotodiode 46 über die innere optische Weglänge nt aufgetragen ist.

Aus Fig. 4 werden folgende zwei Phänomene deutlich:

(1) Die Amplitude des Ausgangssignals nimmt von einem Anfangswert ab und nähert sich einem festen Wert, wenn die innere optische Weglänge nt groß wird. Dies beruht auf der Tatsache, daß bei einer langen inneren optischen Weglänge nt eine größere Anzahl der Fabry-P´rot-Resonanzspitzen innerhalb der Strahlenspektrumszone liegen und deren Einfluß auf das Ausgangssignal verringert wird, indem sich die Unterschiede zwischen diesen Resonanzspitzen gegenseitig aufheben.

(2) Hat die innere optische Weglänge nt ungefähr den Wert λ/2Δλ oder ein ganzes Vielfaches dieses Wertes, bleibt das Ausgangssignal der ersten Fotodiode 46 konstant. Dies basiert auf der Tatsache, daß einige der Resonanzspitzen innerhalb der Strahlenspektrums-Zone eine Verstärkung des Ausgangssignals und andere wiederum ein Abschwächen des Ausgangssignals bewirken, so daß sich diese Verstärkungen und Abschwächungen im Ausgangssignal gegenseitig aufheben. Dieser Fall wurde im übrigen schon oben anhand von Fig. 2 diskutiert.

Deshalb sollte die gewünschte innere optische Weglänge nt ungefähr den Wert λ/2Δλ oder einen entsprechend höheren Wert aufweisen. Außerdem sollten die Resonanzspitzen notwendigerweise innerhalb der idealen Strahlenspektrums-Zone gemäß Fig. 2 liegen; mit anderen Worten, nt sollte folgende Gleichung erfüllen:

nt λ/4Δλ.

Wird eine Lichtquelle mit λ ₀ = 850 nm und Δλ = 50 nm verwendet, ist der Wert λ/2Δλ = 7,2 µm, und das Fabry-P´rot-Interferometer muß so eingestellt werden, daß die innere optische Weglänge nt ungefähr 7,2 µm oder mehr beträgt. Da die oben getätigten Ausführungen über das Ausgangssignal der Fotodiode 46 nur auf sicheren Hypothesen beruhte, ist der hier ermittelte Wert von 7,2 µm nicht zwangsläufig die Bedingung, bei der das Ausgangssignal der ersten Fotodiode 46 auf einen festen Wert gehalten wird. Denn dieser Wert ist nur eine Näherung bzw. ein Anhaltspunkt für eine solche Bedingung. Dennoch sollte die Bedingung, daß die Resonanzspitzen innerhalb der idealen Strahlenspektrums-Zone gemäß Fig. 2 liegen sollten, eingehalten werden (d. h., nt λ/4Δλ = 3,6 µm).

Unter diesen Bedingungen wurde die optische Meßvorrichtung aus Fig. 1 als Temperatur-Meßvorrichtung verwendet. λ ₀ und Δλ der Leuchtdiode 41 betrugen 850 nm und 50 nm. Die semitransparenten Spiegel der Fabry-P´rot-Interferometer 42 und 43 wurden auf beiden Seiten mit einer organischen Folie versehen, die einen relativ hohen Temperaturexpansions-Koeffizienten aufwies, wobei die optische Weglänge nt der organischen Folie 6,8 µm betrug. Das erste Fabry-P´rot-Interferometer 42 wurde der zu messenden Temperatur ausgesetzt, während das zweite Fabry-P´rot-Interferometer 43 auf einer festen Temperatur von 25°C gehalten wurde. Das Ausgangssignal der ersten Fotodiode 46 zeigt die Kurve l ₁ und das Ausgangssignal der zweiten Fotodiode 45 die Kurve l ₂ in Fig. 3. Auf der Abszisse in Fig. 3 ist die Temperatur aufgetragen, der das erste Fabry-P´rot-Interferometer ausgesetzt ist.

Aus Fig. 3 ist zu erkennen, daß der Kurvenverlauf von l ₁ erheblich geringer als der Kurvenverlauf von l ₂ von der Temperatur abhängig ist, so daß die Messungen der Temperaturen durch Vergleich des Ausgangssignals entsprechend der Kurve l ₂ mit dem Ausgangssignal entsprechend der Kurve l ₁ durchgeführt werden können.

Obwohl das behandelte Beispiel eine Temperaturmessung betrifft, wobei Materialien mit einem hohen Temperaturexpansions- Koeffizienten verwendet wurden, sind auch andere Anwendungen denkbar. Beispielsweise könnte die optische Meßvorrichtung zur Messung von Feuchtigkeit oder Taukondensation unter Verwendung von sich bei Feuchtigkeit ausdehnenden Stoffen, zur Messung von kleinen Verschiebebeträgen, wobei ein semitransparenter Spiegel eines Fabry-P´rot-Interferometers am Meßprojekt angebracht und somit der Verschiebebetrag des Spiegels ermittelt werden kann, ferner zur Messung von dynamischen Drücken, von Schall und Vibration sowie zur Kraftmessung etc. benutzt werden, wobei der Innenraum des Fabry-P´rot-Interferometers luftleer gepumpt sein sollte.

Falls im übrigen das Fabry-P´rot-Interferometer so aufgebaut ist, daß der Abstand zwischen seinen reflektierenden Spiegeln veränderlich ist, basierend auf einer Veränderung anderer physikalischer Größen wie Elektrizität, Magnetismus etc., kann jede physikalische Größe gemessen werden.

Claims (2)

1. Optische Meßvorrichtung

• - mit einer Lichtquelle (41), deren mittlere Wellenlänge λ₀ und deren Bandbreite Δλ betragen;
• - einem ersten Fabry-P´rot-Interferometer (42), das entsprechend den physikalischen Eigenschaften eines Meßobjektes verstellbar ist;
• - mit einem zweiten, dem ersten Fabry-P´rot-Interferometer optisch nachgeordneten Fabry-P´rot-Interferometer (43), das einen festen Aufbau aufweist;
• - mit einem im Strahlengang hinter dem ersten Fabry-P´rot- Interferometer (42) angeordneten ersten Fotodetektor (46);
• - mit einem im Strahlengang hinter dem zweiten Fabry-P´rot- Interferometer (43) angeordneten zweiten Fotodetektor (45);
• - mit einem dem ersten Fabry-P´rot-Interferometer (42) optisch nachgeordneten Strahlenteiler (44), der den Lichtstrahl in einen ersten Teilstrahl in Richtung auf den ersten Fotodetektor (46) und in einen zweiten Teilstrahl aufteilt, der durch das zweite Interferometer (43) auf den zweiten Fotodetektor (45) gerichtet ist; und
• - mit einer Signalverarbeitungsschaltung der Ausgangssignale der beiden Fotodetektoren (45 und 46) zugeführt sind, dadurch gekennzeichnet,
• - daß der erste Fotodetektor (46) dem Strahlenteiler (44) ohne Zwischenschaltung eines Interferometers nachgeordnet ist;
• - daß die optische Weglänge im ersten Fabry-P´rot-Interferometer (42) mindestens λ/4Δλ beträgt; und
• - daß die Signalverarbeitungsschaltung so ausgelegt ist, daß sie den Quotienten aus den Ausgangssignalen der beiden Fotodetektoren (45 und 46) bildet.

2. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (41) Licht mit breitem Spektrum erzeugt.