DE3631959A1

DE3631959A1 - Verfahren und vorrichtung zur optischen spannungsmessung

Info

Publication number: DE3631959A1
Application number: DE19863631959
Authority: DE
Inventors: Kyoichi Deki
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-09-21
Filing date: 1986-09-19
Publication date: 1987-03-26
Also published as: JPS6269110A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur optischen Messung von Spannungen in lichtdurchlässigem Material, etwa im Glas von Glühlampen wie z. B. Xenon-Lampen, Halogen-Lampen usw.

Bei der Herstellung von Lampen wie z. B. Hochdruck-Quecksilber-Lampen, Laser-Rohren (laser tube) usw. ist es sehr wichtig, die dynamische Belastung bzw. Spannung und Restspannung im Glasmaterial der Lampen schnell zu messen.

Zum besseren Verständnis wird schon jetzt Bezug auf die Figuren genommen. Ein bekanntes Verfahren zur optischen Spannungsmessung ist das S´narmont-Kompensations-Verfahren. Eine für dieses Verfahren gewählte Anordnung der optischen Elemente ist in Fig. 3 dagestellt. Licht einer bekannten Quelle tritt durch ein Probestück 32 sowie durch einen Linear-Polarisator 31. Das durch das Probestück 32 tretende Licht wird mittels eines Analysators 34 und einer Lambda-Viertel-Platte 33 erfaßt. Wenn das Probestück 32 keinen Spannungen unterworfen ist, kann es als ein optisch isotropes Medium angesehen werden, das Licht in allen Richtungen gleich bricht. Wenn das Probestück 32 andererseits unter Spannung steht, weist es in x- und y-Richtung aufgrund spannungsoptischer Einflüsse verschiedene Brechungsindizes auf, das Probestück 32 ist also doppelbrechend.

Daher unterscheidet sich die vom Analysator 34 erfaßte Lichtintensität von dem Fall, in dem das Probestück keinen Spannungen unterworfen ist. Durch Messung der Intensitätsänderung des erfaßten Lichts anhand des Rotationswinkels des Analysators 34 ist es möglich, die Spannung zu messen.

Bei dem bekannten Verfahren der optischen Spannungsmessung unter Verwendung des S´narmont-Kompensations-Verfahrens wird die gemessene Information stark von dem Hintergrundlicht beeinflußt, so daß es praktisch unmöglich ist, das dynamische Spannungsverhalten einer Lampe im Betrieb zu erfassen.

Bei der Herstellung verschiedener Lampen ist es jedoch sehr wichtig, das dynamische Spannungsverhalten und Restspannungen in der Glashülle zu messen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur hochauflösenden Messung der dynamischen Spannung und der Restspannung in der Glashülle einer Lampe zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Spannungen in lichtdurchlässigem Material geschaffen. Das Meßverfahren verläuft nach folgendem Grundprinzip: Wenn zwei Lichtstrahlen mit etwas voneinander abweichenden Frequenzen durch lichtdurchlässiges Material treten, weicht die Phase des Interferenzsignals der beiden Lichtstrahlen aufgrund der von der im Material vorliegenden Spannung verursachten spannungsoptischen Wirkung des Materials von der ursprünglichen Phase ab.

Bei dieser Anordnung wird die Spannung als Phasenverschiebung des optischen Interferenzsignals erhalten. Als optisches Interferenzsignal wird normalerweise eine Hochfrequenz gewählt, die leicht zu erzeugen ist und bei der Störungen gegenüber Messungen mit Hilfe herkömmlicher Verfahren wesentlich reduziert werden.

Vorzugsweise wird für dieses Verfahren ein stabilisierter transversaler Zeemann-Laser (im folgenden "STZL") verwendet, weil dessen Ausgangslichtstrahl zwei etwas voneinander abweichende Frequenzen aufweist, wobei die Schwingungen in einer einzigen Achse auftreten. Mit Hilfe dieser Lichtquelle kann eine Meßvorrichtung mit einem einfachen optischen System geschaffen werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung der grundsätzlichen Anordnung der optischen Elemente bei einer optischen Spannungsmessung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung des grundsätzlichen erfindungsgemäßen Aufbaus zur optischen Spannungsmessung und

Fig. 3 eine Anordnung der optischen Elemente bei einem bekannten optischen Spannungsmeßverfahren, gemäß dem S´narmont-Kompensations-Verfahren.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, zunächst anhand der grundsätzlichen Anordnung und dann anhand des grundsätzlichen Aufbaus für das optische Meßverfahren. Daran schließt sich die theoretische Erklärung des erfindungsgemäßen optischen Spannungsmeßverfahrens an.

Fig. 1 zeigt die grundsätzliche Anordnung der optischen Elemente bei der erfindungsgemäßen optischen Spannungsmessung. Diese Figur zeigt eine Lichtquelle 1, die zwei Lichtquellen verschiedener Frequenzen mit orthogonaler, linearer Polarisation erzeugt, ein Probestück 2, einen linearen Polarisator 3, der im folgenden kurz als Polarisator bezeichnet wird, einen Photo-Detektor 4 und einen Phasenmesser 5, der die Phasenverschiebung zwischen den beiden optischen Interferenzsignalen mißt. Vorzugsweise wird ein STZL als Lichtquelle verwendet. Die Phasenverschiebung kann dadurch gemessen werden, daß mittels des Phasenmessers 5 die Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal des Photo-Detektors 4, der das durch das Probestück 2 tretende Licht erfaßt, und dem für die Lichtquelle 1 charakteristischen Licht-Interferenzsignal 6 ermittelt wird.

Mit Hilfe dieser Anordnung wird die zu messende Information als Phasenverschiebung des optischen Interferenzsignals erhalten, das aus zwei Lichtwellen verschiedener Frequenz zusammengesetzt ist. Darüber hinaus kann eine Meßvorrichtung mit einem einfachen optischen System geschaffen werden, indem ein STZL als Lichtquelle verwendet wird. Wird als Lichtquelle nicht ein STZL verwendet, muß die Anordnung so gewählt werden, daß das Licht einer einzigen Lichtquelle mit Hilfe eines Strahlenteilers in zwei Lichtstrahlen aufgespalten wird und einer der Lichtstrahlen durch einen Frequenzverschieber geleitet wird, beispielsweise durch ein Rotationsgitter, eine Ultraschall-Bragg-Zelle oder ähnliches. Eine solche Anordnung ist kompliziert und schwer zu handhaben. Durch die Verwendung eines STZL entfällt die Vorrichtung zur Frequenzverschiebung, wodurch das optische System vereinfacht wird.

Das Probestück 2 kann, wenn es nicht unter Spannung steht, als optisch isotrop angesehen werden, so daß in dem optischen Interferenzsignal nach Durchtritt durch das Probestück 2 keine Phasenverschiebung auftritt. Wenn andererseits das Probestück 2 unter Spannung steht, weist es in x- und y-Richtung verschiedene Brechungsindizes auf, so daß die orthogonalen Anteile des Lichtstrahls verschiedene optische Wege durchlaufen. Dadurch wird zwischen dem optischen Interferenzsignal des Photodetektors 4 und dem für die Lichtquelle 1 charakteristischen optischen Interferenzsignal 6 eine Phasenverschiebung verursacht. Die Phasenverschiebung entspricht der Spannung im Probestück 2.

Fig. 2 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen Spannungsmessung.

Diese weist eine einen STZL 21 umfassende optische Einrichtung, ein Probestück 22, einen Polarisator 23, eine Linse 24, einen ND(non directional)-Filter 25, d. h. einen Filter ohne Richtcharakteristik, einen Photo-Detektor 26, eine einen Oszillographen 27 aufweisende Aufnahme-/Wiedergabevorrichtung, einen Phasenmesser 28 sowie einen Pen- oder Schreibstiftrekorder 29.

Der vom STZL 21 ausgehende Lichtstrahl tritt durch das Probestück 22, den Polarisator 23, die Linse 24 sowie den ND-Filter 25 und trifft auf den Photo-Detektor 26. Der ND-Filter 25 dient als Dämpfungsglied, das eine Sättigung des Verstärkungsfaktors des Photo-Detektors 26 verhindert. Das optische Interferenzsignal wird von dem Photo-Detektor 26 erfaßt und verstärkt und als Eingangssignal an den Phasenmesser 28 und den Oszillographen 27 eines Wellenformmonitors weitergeleitet. Andererseits wird das optische Interferenzsignal des STZL 21 mittels eines in das optische System integrierten Lichtdetektors erfaßt, der aus dem hinteren Spiegel des Lasers austretendes Licht empfängt. Dieses optische Interferenzsignal wird als Referenz-Signal ebenfalls an den Phasenmesser 28 an den Oszillographen 27 des Wellenformmonitors weitergeleitet. Der Phasenmesser 28 weist ein Meßgerät, beispielsweise ein Schalttafel-Meßgerät auf, welches direkt die Phasendifferenz zwischen den beiden optischen Interferenzsignalen anzeigt und in eine Gleichspannung umwandelt. Diese Gleichspannung wird als Eingangssignal an den Schreibstift-Rekorder 29 weitergeleitet, der zeitliche Änderungen der Gleichspannung aufzeichnet.

Die Genauigkeit des Phasenmessers 28 liegt in der Größenordnung von ±0,1°.

Die theoretischen Zusammenhänge der Erfindung werden im folgenden anhand von Fig. 1 erklärt, wobei davon ausgegangen wird, daß als Lichtquelle ein STZL verwendet wird, wie er in Fig. 2 dargestellt ist.

Bei der Analyse von durch optische Elemente tretendem Licht, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, werden zur Vereinfachung der Berechnungen häufig der Jones-Vektor und die Jones-Matrix herangezogen.

Der Jones-Vektor für den aus dem STZL austretenden Lichtstrahl wird folgendermaßen ausgedrückt: wobei Δω sich aus der folgenden Gleichung ergibt:

Die aufeinander senkrecht stehenden Komponenten des Laserstrahls fallen mit den Koordinatenachsen x und y zusammen; ihre Winkelfrequenzen sind ω ₁ und ω ₂. Zur Vereinfachung wird bei der Beschreibung davon ausgegangen, daß die Amplitude der x- und y-Komponenten gleich ist (1) und daß die Phasendifferenz zwischen den beiden Komponenten 0 ist.

Die Jones-Matrix R _β (δ) des lichtdurchlässigen Materials, hier des Probestücks 2, wird wie folgt ausgedrückt: wobei δ für den Betrag der optischen Verzögerung steht, dessen feste Achse mit der x-Achse einen Winkel β einschließt.

Die Jones-Matrix P ₄₅ des Polarisators 3 wird durch folgende Formel (4) dargestellt: Um die optische Interferenz des STZL 1 überwachen zu können, muß der Azimuth des Polarisators 3, gemessen von der x-Achse aus, 45° (oder 135°) betragen.

Der Jones-Vektor des Laserstrahls, der durch den Polarisator 3 getreten ist, wird durch folgende Gleichung (5) bestimmt:

Die Intensität I′ des vom Photo-Detektor 4 erfaßten Lichts ergibt sich dann wie folgt:

wobei der hermitisch konjugierte Vektor von ist.

Eine einfachere Berechnung der Lichtintensität I′ ist die folgende:

In den meisten Fällen kann die Richtung der Spannung bzw. Belastung leicht angenommen werden. In der folgenden Beschreibung wird daher davon ausgegangen, daß die Richtung der Belastung bekannt ist. Beispielsweise ergibt sich die Lichtintensität I′ in den Fällen β = 0 und β = π/2 aus den Formeln (8a) und (8b):

und

Andererseits ergibt sich die Intensität des optischen Interferenzsingals das vom STZL erhalten wird, aus der Gleichung (1):

Ein Vergleich der Gleichungen (8) und (9) ergibt ohne weiteres, daß die Phasendifferenz zwischen dem optischen Interferenzsignal, welches mittels des Photo-Detektors 4 erhalten wird und dem optischen Interferenzsignals, welches direkt von der Lichtquelle erhalten wird, der Verzögerung oder Retardation δ des lichtdurchlässigen Materials selbst ist.

Um die Retardation δ genauer zu erläutern wird diese wie folgt beschrieben:

wobei C die photoelastische Konstante darstellt, δ _x und δ _y die Spannungskomponenten in x- und y-Richtung darstellen und d für die Dicke des lichtdurchlässigen Materials steht. Aus der Gleichung (10) ergibt sich, daß die Retardation δ immer proportional zur Differenz von δ _x und δ _y ist. Daher ist es möglich, (δ _y - δ _y) durch die Messung von δ zu erfassen.

Claims

1. Verfahren zur optischen Spannungsmessung der Spannungen in lichtdurchlässigem Material gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- Bestrahlen des lichtdurchlässigen Materials mit zwei Lichtwellen verschiedener Frequenz und
- Erfassen der Spannung im lichtdurchlässigen Material durch Messung der Phasenverschiebung des optischen Interferenzsignals der beiden Lichtwellen, die durch das lichtdurchlässige Material hindurchgetreten sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeemann-Laser als zwei Lichtwellen erzeugende Lichtquelle verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtinterferenzsignal in die Phasendifferenz elektrischer Signale umgewandelt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (1), einen Polarisator (3), einen Photo-Detektor (4) sowie einen Phasenmesser (5).