DE3640340A1 - Variable interferometeranordnung - Google Patents
Variable interferometeranordnungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf (1) eine variable Inter
ferometeranordnung, die einen Fabry-Perot′schen Inter
ferometer enthält, der aus zwei einander mit einem
Zwischenraum gegenüberliegenden Substraten besteht, wobei
auf die Substrate eine externe Kraft ausgeübt wird, die
die interferometrischen Charakteristiken der Interfero
meteranordnung verändern, (2) ein Verfahren zur Herstel
lung einer solchen variablen Interferometeranordnung,
(3) ein Verfahren zur Steuerung der interferometrischen
Charakteristiken der variablen Interferometeranordnung
und schließlich auf die Verwendung einer variablen Inter
ferometeranordnung in einem optischen Sensor, dessen
interferometrische Charakteristiken sich mit externen
physikalischen Größen ändern.
Es gibt bereits Spektrometer, die mit Beugungsgittern
ausgestattet sind. Das Beugungsgitter wird dabei mecha
nisch gedreht, so daß alle optischen Elemente des Spektro
meters hochpräzise zueinander angeordnet sein müssen, was
zu Schwierigkeiten bei seiner Vergrößerung führt.
Andererseits gibt es Fabry-Perot′sche Interferometer
anordnungen, die ein piezoelektrisches Element besitzen
und damit als Spektrometer arbeiten können, das keine
mechanisch betätigbaren Teile enthält. Die optische An
ordnung aller Elemente dieser Fabry-Perot′schen Inter
ferometeranordnung kann sehr einfach durchgeführt werden.
Allerdings sind die Herstellung dieser interferometri
schen Anordnung und die Steuerung bzw. Einstellung ihrer
interferometrischen Eigenschaften außerordentlich schwie
rig, was bei der praktischen Anwendung zu Schwierigkeiten
führt.
Fig. 20 zeigt eine herkömmliche variable Fabry-Perot′sche
Interferometeranordnung, bei der ein Paar transparenter
Platten 500 und 501 mittels eines Halters 502, der mit
einem Loch 503 ausgestattet ist, durch welches Licht hin
durchläuft, parallel zueinander gehalten werden. Die Ober
fläche beider Platten 500 und 501, die einander gegenüber
liegen, sind mit einem reflektierenden Film beschichtet.
In dem äußeren Bereich der Platte 501 ist ein piezoelek
trisches Element 504 angeordnet, das an seinen beiden
Oberflächen mit Elektroden versehen ist, so daß es sich
in Abhängigkeit von einer elektrischen Treiberspannung
zusammenzieht bzw. ausdehnt und so die Platte 501 ver
schiebt, womit man den Abstand zwischen den Platten 500
und 501 (d.h. den Abstand zwischen reflektierenden
Filmen) verändern kann. Diese Abstandsänderung zwischen
den reflektierenden Filmen macht es möglich, die inter
ferometrischen Charakteristiken der Anordnung zu ver
ändern, so daß der Abstand zwischen den reflektierenden
Filmen äußerst genau festgelegt werden muß und auch
streng gleichförmig gesteuert werden muß. Folglich muß
der Halter 502 mit äußerster Präzision hergestellt
werden, was die Herstellung des Fabry-Perot′schen Inter
ferometers sehr schwierig macht. Darüber hinaus müssen
thermische Ausdehnungen des Halters 502, die durch Tempe
raturschwankungen der Atmosphäre hergerufen werden, be
rücksichtigt werden, da sich hierdurch ebenfalls der
Abstand zwischen den reflektierenden Filmen verändert.
Die Steuerung bzw. Einstellung des Abstandes zwischen
den reflektierenden Filmen mittels eines piezoelek
trischen Elementes ist also äußerst schwierig.
Wie oben erwähnt, hängt der Abstand zwischen den reflek
tierenden Filmen bei der herkömmlichen Fabry-Perot′schen
Interferometeranordnung von der mechanischen Genauigkeit
des Halters 502 ab, was zu vielen Problemen führt.
Herkömmliche optische Sensoren, die kleine und kosten
günstige Lichtquellen, wie z.B. lichtemittierenden Dioden
(LED) etc. verwenden, sind so aufgebaut, daß das Licht
von einer Lichtquelle, die Licht mit einem relativ breiten
Wellenlängenband abstrahlen kann, durch eine erste Fabry-
Perot′sche Interferometeranordnung läuft, deren Charak
teristiken sich mit einer physikalischen Größe eines zu
messenden Objektes ändern, und dann durch eine zweite
Fabry-Perot′sche Interferometeranordnung, deren Charak
teristiken sich nicht mit der physikalischen Größe des
Objektes ändern, wobei das Licht dann einen Photodetektor
erreicht, in welchem seine Intensität in ein elektrisches
Signal umgewandelt wird. Obwohl der herkömmliche optische
Sensor, der zwei Fabry-Perot′sche Interferometeranord
nungen verwendet, die zu messenden physikalischen Größen
in Abhängigkeit der Änderung der Lichtmenge erfaßt, ändert
sich die Intensität am Photodetektor auch mit Änderungen
der Intensität der Lichtemission und/oder Streuungen von
Verlusten in der Verbindung, die dann auftreten, wenn
optische Einrichtungen, wie z.B. optische Linsen, Glas
fasern etc., in das optische Meßsystem eingesetzt sind.
Damit kann man mit den herkömmlichen Sensoren keine
stabile Sensorausgangsleistung erhalten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine variable Inter
ferometeranordnung zu schaffen, die äußerst genau ar
beitet und einfach herzustellen ist. Diese Erfindung
wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patent
anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die variable Interferometeranordnung nach der Erfindung,
die die oben beschriebenen sowie weitere Nachteile des
Standes der Technik vermeidet, enthält ein Fabry-Perot′
sches Interferometer, das aus zwei reflektierenden Sub
stanzen besteht, die einander mit einem Zwischenraum
zwischen sich gegenüberliegen, wobei dieser Zwischen
raum durch Abstandhalter gebildet wird. In einem bevor
zugten Ausführungsbeispiel sind die Abstandhalter mittels
Dampfabscheiden, Aufsprühen, chemischem Dampfabscheiden,
Schleuderbeschichten oder Siebdrucken als Film herge
stellt.
Die variable Interferometeranordnung enthält in einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel weiterhin Einrichtungen,
die zumindest eine der reflektierenden Substanzen, die
den Fabry-Perot′schen Interferometer bilden, verformen,
womit sich die interferometrischen Charakteristiken des
Fabry-Perot′schen Interferometers verändern.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine der
reflektierenden Substanzen durch ein Substrat ersetzt,
auf dem ein Photodetektor ausgebildet ist, was zu einem
integrierten Aufbau in einem einzigen Körper führt, der
ein Fabry-Perot′sches Interferometer und den Photodetek
tor enthält.
Die beiden reflektierenden Substanzen sind in einem be
vorzugten Ausführungsbeispiel so miteinander verbunden,
daß die Abstandhalter und klebende Schichten aus Glas mit
niedrigem Schmelzpunkt zwischen den reflektierenden Sub
stanzen sandwichartig "eingepackt" sind, womit man ein
Fabry-Perot′sches Interferometer enthält. Die Einrich
tungen zum Verformen mindestens einer der reflektierenden
Substanzen bewirken in einem bevorzugten Ausführungs
beispiel eine elektrostatische Kraft zwischen den beiden
reflektierenden Substanzen, womit zumindest eine der re
flektierenden Substanzen verformt wird. Die reflektierende
Substanz besteht aus einem Substrat und einer dünnen
Elektrode, die auf dem Substrat aufgebracht ist, wobei
mindestens eine der reflektierenden Substanzen durch eine
elektrostatische Kraft verformt wird, wobei diese Kraft
durch Anlegen einer Spannung an die dünnen Metallfilme
(Elektroden) erzeugt wird, was zu einer Volumenverände
rung des Zwischenraumes führt, womit man eine Einstellung
der interferometrischen Charakteristiken des Fabry-Perot′
schen Interferometers erreicht.
Alternativ hierzu können die Einrichtungen zum Verformen
mindestens einer der reflektierenden Substanzen ein
Magnetfeld in der Nähe der beiden reflektierenden Sub
stanzen erzeugen, womit mindestens eine der reflektie
renden Substanzen verformt wird. Die Einrichtungen zur
Erzeugung des Magnetfeldes enthalten eine Magnetspule
zur Erzeugung einer elektromagnetischen Kraft und einen
Steuerschaltkreis zur Steuerung des Stromes, der durch
die Spule fließt oder zur Steuerung einer Spannung, die
an die Spule angelegt wird, wodurch mindestens eine der
reflektierenden Substanzen durch die bei Anlegung des
Stromes oder der Spannung an die Spule erzeugten elek
tromagnetischen Kräfte verformt wird, was eine Volumen
veränderung in dem Zwischenraum bewirkt, wodurch die
interferometrischen Charakteristiken des Fabry-Perot′
schen Interferometers gesteuert wird.
Die variable Interferometeranordnung nach der Erfindung,
die die oben beschriebenen und weitere vielfältige Nach
teile des Standes der Technik vermeidet, enthält ein
Fabry-Perot′sches Interferometer, das so hergestellt
wird, daß eine erste reflektierende Substanz mit einem
Hohlraum in seiner einen Oberfläche mit einer zweiten
reflektierenden Substanz verbunden wird, womit man einen
Zwischenraum zwischen den beiden reflektierenden Sub
stanzen erhält.
Das Verfahren zur Herstellung der variablen Interfero
meteranordnung nach der Erfindung, das die obigen sowie
zahlreiche weitere Nachteile des Standes der Technik
vermeidet, besteht in folgenden Schritten:
Herstellung von Abstandhaltern und Glasfilmen mit nied rigem Schmelzpunkt auf mindestens einer von zwei reflek tierenden Substanzen, die ein Fabry-Perot′sches Inter ferometer bilden,
Pressen und Erwärmen der beiden reflektierenden Substan zen zur Verbindung der reflektierenden Substanzen mit einander und zwar mit einem Zwischenraum zwischen sich, der durch die Abstandhalter gebildet ist und
Anordnung eines optischen Systemes, das Licht auf die reflektierenden Substanzen richtet und das von den re flektierenden Substanzen reflektierte oder durch sie hindurch transmittierte Licht detektiert sowie von Ein richtungen, die die interferometrischen Charakteris tiken des Interferometers ändern.
Herstellung von Abstandhaltern und Glasfilmen mit nied rigem Schmelzpunkt auf mindestens einer von zwei reflek tierenden Substanzen, die ein Fabry-Perot′sches Inter ferometer bilden,
Pressen und Erwärmen der beiden reflektierenden Substan zen zur Verbindung der reflektierenden Substanzen mit einander und zwar mit einem Zwischenraum zwischen sich, der durch die Abstandhalter gebildet ist und
Anordnung eines optischen Systemes, das Licht auf die reflektierenden Substanzen richtet und das von den re flektierenden Substanzen reflektierte oder durch sie hindurch transmittierte Licht detektiert sowie von Ein richtungen, die die interferometrischen Charakteris tiken des Interferometers ändern.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der
Glasfilm mit niedrigem Schmelzpunkt zumindest SiO2 und
PbO und hat einen Erweichungspunkt in der Größenordnung
von 350°C bis 480°C, wobei der Glasfilm durch eine Auf
sprühmethode oder ein Elektronenstrahldampfabscheiden
aufgebracht wird.
Das Verfahren zur Herstellung der variablen Interfero
meteranordnung, die die oben beschriebenen sowie weitere
zahlreiche Nachteile des Standes der Technik vermeidet,
wird wie folgt hergestellt:
Ausbilden eines Elektrodenfilmes auf einer Oberfläche einer ersten reflektierenden Substanz und eines Leiter- oder Halbleiter-Filmes auf der Oberfläche einer zweiten reflektierenden Substanz,
Erwärmen der beiden reflektierenden Substanzen auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der reflektieren den Substanzen derart, daß der Leiter- oder Halbleiter- Film auf der zweiten reflektierenden Substanz in Kontakt mit der ersten reflektierenden Substanz steht,
Anlegen einer Gleichspannung an den Elektrodenfilm auf der ersten reflektierenden Substanz und an den Leiter- oder Halbleiter-Film auf der zweiten reflektierenden Sub stanz, wodurch die beiden reflektierenden Substanzen mit einem Zwischenraum zwischen sich, miteinander verbunden werden, was zu einem Fabry-Perot′schen Interferometer führt, und
Anordnen eines optischen Systemes, das Licht auf die re flektierenden Substanzen richtet und das von den reflek tierenden Substanzen reflektierte oder durch diese hin durch gestrahlte Licht detektiert sowie von Einrichtungen, die die interferometrischen Charakteristiken des Inter ferometers ändern.
Ausbilden eines Elektrodenfilmes auf einer Oberfläche einer ersten reflektierenden Substanz und eines Leiter- oder Halbleiter-Filmes auf der Oberfläche einer zweiten reflektierenden Substanz,
Erwärmen der beiden reflektierenden Substanzen auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der reflektieren den Substanzen derart, daß der Leiter- oder Halbleiter- Film auf der zweiten reflektierenden Substanz in Kontakt mit der ersten reflektierenden Substanz steht,
Anlegen einer Gleichspannung an den Elektrodenfilm auf der ersten reflektierenden Substanz und an den Leiter- oder Halbleiter-Film auf der zweiten reflektierenden Sub stanz, wodurch die beiden reflektierenden Substanzen mit einem Zwischenraum zwischen sich, miteinander verbunden werden, was zu einem Fabry-Perot′schen Interferometer führt, und
Anordnen eines optischen Systemes, das Licht auf die re flektierenden Substanzen richtet und das von den reflek tierenden Substanzen reflektierte oder durch diese hin durch gestrahlte Licht detektiert sowie von Einrichtungen, die die interferometrischen Charakteristiken des Inter ferometers ändern.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wirken die Halb
leiter-Filme nicht nur als Elektrode sondern auch als
Abstandhalter mittels derer die beiden reflektierenden
Substanzen mit einem Zwischenraum zwischen sich verbunden
werden, der durch die Leiter- oder die Halbleiterfilme
gebildet wird.
Der optische Sensor nach der Erfindung, der die oben be
schriebenen sowie weitere zahlreiche Nachteile des Standes
der Technik vermeidet, enthält: eine Lichtquelle, eine
erste Fabry-Perot′sche Interferometeranordnung, deren
interferometrische Eigenschaften sich mit einer physika
lischen Größe eines zu messenden Objektes ändern, licht
teilende Einrichtungen, die Licht von der Lichtquelle in
einen ersten Lichtstrahl und einen zweiten Lichtstrahl
aufspalten, deren Betriebsbedingungen auf feste Werte
festgesetzt sind, einen ersten Photodetektor, der den von
dem Lichtteiler abgestrahlten ersten Lichtstrahl, der
durch die zweite Fabry-Perot′sche Interferometeranordnung
gelaufen ist, empfängt, einen zweiten Photodetektor, der
den von der lichtteilenden Einrichtung abgestrahlten
zweiten Lichtstrahl, der durch die zweite Fabry-Perot′sche
Interferometeranordnung gelaufen ist, empfängt sowie
Signalverarbeitungseinrichtungen, die das Ausgangssignal
des ersten Photodetektors mit dem Ausgangssignal des
zweiten Detektors vergleichen, um so die physikalische
Größe des zu messenden Objektes zu bestimmen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Ein
fallswinkel des ersten Lichtstrahles, der auf die zweite
Fabry-Perot′sche Interferometeranordnung fällt und der des
zweiten Lichtstrahles, der auf die zweite Fabry-Perot′sche
Interferometeranordnung fällt, voneinander verschieden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die inter
ferometrischen Charakteristiken in einem Bereich der
zweiten Fabry-Perot′schen Interferometeranordnung, durch
die der erste Lichtstrahl läuft, unterschiedlich von
denen in einem anderen Bereich der zweiten Fabry-Perot′schen
Interferometeranordnung, durch die der zweite Lichtstrahl
läuft.
Der optische Sensor nach der Erfindung, der ebenfalls die
oben beschriebene sowie weitere zahlreiche Nachteile des
Standes der Technik vermeidet, enthält eine Lichtquelle,
eine erste Fabry-Perot′sche Interferometeranordnung, deren
interferometrische Charakteristiken sich mit einer physi
kalischen Größe eines zu messenden Objektes ändern, licht
teilende Einrichtungen, die den Lichtstrahl von einer
Lichtquelle in einen ersten Lichtstrahl oder einen zweiten
Lichtstrahl aufspalten, zweite und dritte Fabry-Perot′sche
Interferometeranordnungen, die als Referenzstandard
dienen, wobei deren Betriebsbedingungen auf feste Werte
festgesetzt sind, einen ersten Photodetektor, der den
von den lichtteilenden Einrichtungen abgestrahlten ersten
Lichtstrahl, der durch die zweite Fabry-Perot′sche Inter
ferometeranordnung gelaufen ist, empfängt, einen zweiten
Photodetektor, der den von den lichtteilenden Einrichtun
gen abgestrahlten zweiten Lichtstrahl, der durch die
dritte Fabry-Perot′sche Interferometeranordnung gelaufen
ist, empfängt sowie einen Signalverarbeitungsschaltkreis,
der das Ausgangssignal des ersten Photodetektors mit dem
Ausgangssignal des zweiten Photodetektors vergleicht, um
so die physikalische Größe des zu messenden Objektes zu
bestimmen.
Die vorliegende Erfindung erreicht also folgende Ziele:
- 1. Es wird eine variable Interferometeranordnung mit einem Fabry-Perot′schen Interferometer geschaffen, deren optische Weglänge sich durch einen einfachen Mechanismus einstellen läßt, womit man dessen interferometrische Charakteristiken ändern kann;
- 2. es wird eine hochpräzise Interferometeranordnung geschaffen, die leicht herstellbar ist und mit überlegener Produktionseffizienz;
- 3. es wird eine hochpräzise Interferometeranordnung geschaffen, deren interferometrische Charakteris tiken sich sehr einfach mit hoher Genauigkeit ein stellen bzw. steuern lassen;
- 4. es wird ein miniaturisiertes Spektrometer geschaf fen, das keine mechanisch betätigbaren Teile ent hält; und
- 5. es wird ein hochpräziser optischer Sensor ge schaffen, der physikalische Größen in einem weitem Dynamikbereich messen kann und zwar bei Anwendung der oben beschriebenen variablen Interferometer anordnung.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs
beispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführ
licher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Fabry-
Perot′schen Interferometers, das die Haupt
komponente der variablen Interferometer
anordnung nach der Erfindung ist;
Fig. 2 und 3 schematische Ansichten zur Erläuterung der
Herstellschritte des Interferometers der Fig. 1;
Fig. 4 eine Seitenansicht einer Halterung, die bei
den Herstellschritten der Fig. 2 und 3 ver
wendet wird;
Fig. 5(a) und 5(b) schematische Ansichten zur Erläuterung der
Herstellschritte eines weiteren Interferometers,
das bei der variablen Interferometeranordnung
nach der Erfindung verwendet wird;
Fig. 6 eine Seitenansicht eines weiteren Interfero
meters, das bei der variablen Interferometer
anordnung nach der Erfindung verwendet wird;
Fig. 7(a) eine Seitenansicht einer variablen Interfero
meteranordnung nach der Erfindung;
Fig. 7(b) eine schematische Darstellung zur Erläuterung
des Zustands, bei dem der Abstand zwischen den
reflektierenden Filmen der Interferometeranord
nung der Fig. 7(a) verkürzt wird;
Fig. 8 ein Diagramm der Interferometer-Charakteristiken
der Interferometeranordnung der Fig. 7(a);
Fig. 9(a) eine perspektivische Ansicht eines Teiles der
Interferometeranordnung der Fig. 7(b);
Fig. 9(b) und 9(c) perspektivische Ansichten eines Teiles einer
weiteren variablen Interferometeranordnung
nach der Erfindung;
Fig. 10 eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren
variablen Interferometeranordnung nach der
Erfindung;
Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer weiteren
variablen Interferometeranordnung nach der
Erfindung;
Fig. 12 eine charakteristische Kurve der interfero
metrischen Charakteristiken der Anordnung der
Fig. 11;
Fig. 13 eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren
variablen Interferometeranordnung nach der
Erfindung;
Fig. 14 eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren
variablen Interferometeranordnung nach der
Erfindung;
Fig. 15 eine schematische Darstellung eines optischen
Sensors nach der Erfindung;
Fig. 16 eine schematische Darstellung eines ersten
Fabry-Perot′schen Interferometers des optischen
Sensors der Fig. 15;
Fig. 17(a) und 17(b) charakteristische Kurven der Ausgangsleistung
des optischen Sensors der Fig. 15;
Fig. 18 eine schematische Darstellung eines weiteren
optischen Sensors nach der Erfindung;
Fig. 19 eine schematische Darstellung eines zweiten
Fabry-Perot′schen Interferometers des optischen
Sensors der Fig. 18; und
Fig. 20 eine Seitenansicht einer herkömmlichen Fabry-
Perot′schen Interferometeranordnung, die mit
einem piezoelektrischen Element ausgestattet
ist.
Fig. 1 zeigt ein Fabry-Perot′sches Interferometer, das
die Hauptkomponente der variablen Interferometeranordnung
nach der Erfindung ist. Dort liegen sich zwei transparente
Substrate 1 und 2 einander gegenüber, wobei zwischen ihnen
ein durch Abstandhalter 3 gebildeter Zwischenraum vorhan
den ist. Auf den Oberflächen der Substrate 1 und 2 ist je
ein reflektierender Film 4 aufgebracht. Der Zwischenraum
zwischen den reflektierenden Filmen 4 bildet ein Fabry-
Perot′sches Interferometer. Der Zwischenraum zwischen
den reflektierenden Filmen 4 ist mit einem Medium, wie
z.B. Gas, einer Flüssigkeit oder einem Festkörper gefüllt,
wobei sich dieses Medium frei verformen läßt. In dem vor
liegenden Beispiel sowie den weiteren Beispielen wird
Luft als Medium verwendet. Die Merkmale dieses Aufbaus
des Fabry-Perot′schen Interferometers sind wie folgt:
Erstens ist eine hohle Struktur vorgesehen, die große
Änderungen des Zwischenraumes zwischen den reflektieren
den Filmen zuläßt, was bedeutet, daß die Erfassung physi
kalischer Größen in einem vergrößerten Dynamikbereich
möglich ist. Zweitens hängt der Zwischenraum zwischen
den reflektierenden Filmen 4 von der Dicke der Abstand
halter 3 ab. Dies bedeutet, daß das Interferometer mit
sehr hoher Präzision eingestellt werden kann, wenn die
Dicke der Abstandhalter 3 auch präzise eingestellt ist.
Drittens ist das Fabry-Perot′sche Interferometer als
monolitische Konstruktion aufgebaut, was eine Verbesse
rung der Stabilität und Zuverlässigkeit des Interfero
meters ermöglicht, selbst unter ungünstigen Bedingungen
wie Vibration, Impulse etc., was auch dessen einfache
Handhabung ermöglicht und auch viele Anwendungsbereiche
erschließt. Viertens kann das Fabry-Perot′sche Inter
ferometer ohne einen Halter aufgebaut sein, was seine
Miniaturisierung ermöglicht.
Der Abstandhalter 3 besteht beispielsweise aus einer
faserigen Substanz, wie z.B. Glasfiber, einer räum
lichen Substanz wie z.B. Glaskugeln oder einer film
artigen Substanz. Insbesondere wird ein dünner Film be
vorzugt, der in einer Dünnfilmtechnik hergestellt ist,
wie z.B. einer Dampfabscheidetechnik, einer Aufsprüh
methode, einer chemischen Dampfabscheidung etc. Auch ist
eine Dickfilmtechnik möglich, wie z.B. eine Schleuder
beschichtungstechnik oder eine Siebdrucktechnik. All
diese Verfahren werden bevorzugt angewendet, da sie
hinsichtlich Produktionseffizienz und einstellbarer Dicke
sonstigen Verfahren deutlich überlegen sind. Das licht
durchlässige Substrat, das eine Platte mit überragend
glatter Oberfläche sein muß, besteht aus Glas, trans
parenter Keramik, Harz etc. Insbesondere wird ein Glas
substrat bevorzugt, da es in hervorragender Weise trans
parent ist und eine glatte Oberfläche hat. Das Fabry-
Perot′sche Interferometer, das mit einer derartigen
Struktur aufgebaut ist, hat den Vorteil, daß es besonders
günstig hergestellt werden kann und auch stark miniatu
risiert werden kann.
Das grundlegende Arbeitsprinzip der variablen Interfero
meteranordnung ist wie folgt: es sei angenommen, daß
Licht vertikal auf die Oberfläche des Substrates gerich
tet wird und daß keine optischen Phasensprünge an den
reflektierenden Filmen auftreten. Wenn der Abstand
zwischen den reflektierenden Filmen gleich t ist und
der Brechungsindex des Mediums zwischen den reflek
tierenden Filmen gleich n ist, so wird die Fabry-Perot′
sche Transmittanz T(λ) dann ein Maximum, wenn der Wert
der Wellenlänge λm den durch die nachfolgende Formel
(1) bestimmten Wert hat:
λ m = 2nt/m (m = 1, 2, 3, ...) (1)
Wenn die Innenseite des Interferometers nach der Erfin
dung hohl ist (das Medium in dem Zwischenraum zwischen
den reflektierenden Filmen ist Luft), ist der Brechungs
index ungefähr 1, so daß die Wellenlänge des durch das
Interferometer laufenden Lichtes von dem Abstand t
zwischen den reflektierenden Filmen abhängt. Dies be
deutet, daß die interferometrischen Eigenschaften dieses
Interferometers verändert werden können, wenn Einrich
tungen vorgesehen sind, die zumindest eines der licht
durchlässigen Substrate des Fabry-Perot′schen Interfero
meters der Fig. 1 verformen, an dem Interferometer ange
bracht sind, was zu einer einstellbaren bzw. variablen
Interferometeranordnung führt. Durch Steuerung bzw. Ein
stellung des Abstandes t zwischen den reflektierenden
Filmen kann diese variable Interferometeranordnung als
Spektrometer verwendet werden mit dem eine ausgewählte
Länge des übertragenen Lichtes beobachtet werden kann.
Darüber hinaus kann diese variable Interferometeranord
nung als optischer Sensor verwendet werden, bei dem der
Abstand t zwischen den reflektierenden Filmen durch
externe physikalische Größen verändert wird, womit die
physikalischen Größen bestimmt werden können.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 werden Herstell
schritte des Fabry-Perot′schen Interferometers des Bei
spieles 1 erläutert. Ein reflektierender Film 4 aus
einem Metallfilm oder einem dielektrischen Film mit einer
oder mehreren Schichten wird auf der Oberfläche eines
Glassubstrates 2 ausgebildet, wobei letzteres in exzel
lenter Weise eben ist und eine exzellente Oberflächen
glätte besitzt. Auf dem reflektierenden Film 4 wird ein
Al-Film durch Dampfabscheiden ausgebildet. Anstatt des
Dampfabscheidens kann man auch ein Aufsprühen oder ein
chemisches Dampfabscheiden verwenden. Der Al-Film wird
dann mittels eines Photolitographie-Verfahrens einer
Musterbehandlung unterworfen und einer Ätzbehandlung
mittels einer Ätztechnik, was zu im Muster angeordneten
Abstandhaltern 3 führt. Sodann wird auf jedem Abstand
halter 3 ein Glasfilm 5 mit einem niedrigen Schmelzpunkt
(dessen Erweichungstemperatur zwischen 350°C und 480°C
liegt) durch eine Aufsprühmethode gebildet. Statt dessen
kann auch ein Dampfabscheiden oder ein chemisches Dampf
abscheiden verwendet werden. Der Glasfilm enthält SiO2
und PbO. Es ist nicht wünschenwert, daß der Glasfilm 5
auf Teilen des reflektierenden Filmes, durch welchen das
Licht übertragen wird und in welchem optische Interferen
zen auftreten, ausgebildet wird, da dies die optischen
Eigenschaften des fertigen Interferometers ungünstig
beeinflußen würde. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden,
wird eine Metallmaske verwendet und der Glasfilm wird
während des Aufsprühprozesses davor geschützt, daß an
anderen Stellen als den Abstandhaltern 3 Glas abgeschieden
wird. Die Dicke des Glasfilmes 5 liegt vorzugsweise bei
0,1 µm oder mehr.
Darauf wird auf dem anderen Glassubstrat 1 in der gleichen
Weise wie oben beschrieben ein reflektierender Film 4 auf
gebracht. Die Glassubstrate 1 und 2 werden bei den nach
folgend beschriebenen Arbeitsschritten so gehalten, daß
die reflektierenden Filme 4, die auf den Glassubstraten
1 und 2 ausgebildet werden, einander gegenüberliegen;
sodann werden sie erwärmt und bei ca. 500°C für acht
Minuten gepreßt. Der Glasfilm 5 mit dem niedrigen Schmelz
punkt wird dann geschmolzen und dient als Kleber für das
Verbinden des einen Glassubstrates mit dem anderen. Die
Glassubstrate 1 und 2 werden durch folgende Mittel in
einer vorgegebenen Position gehalten: bevorzugt wird, daß
die Glassubstrate 1 und 2, die miteinander verbunden
werden sollen, einen Bereich haben, der groß genug ist,
eine Vielzahl von Einheiten gemäß Fig. 3 aufzunehmen, so
daß ein gleichförmiger Druck in einfacher Weise auf die
Glassubstrate aufgebracht werden kann und daß mehrere
Einheiten gleichzeitig hergestellt werden können, was
die Produzierbarkeit des Interferometers verbessert.
Fig. 4 zeigt eine Halterung für das Halten der Glas
substrate 1 und 2 in einer vorgegebenen Lage, wobei die
Glassubstrate 1 und 2 sandwichartig zwischen Aluminium
blöcken 6 liegen, welche an den Stellen, die den Abstand
haltern 3 entsprechen, Vorsprünge aufweisen, so daß nur
die Abschnitte der Glassubstrate, die den Abstandhaltern
3 entsprechen, einem Druck ausgesetzt werden. Die Alumi
niumblöcke 6 sind mittels einer Edelstahlschraube 8 an
einem Edelstahlhaltekörper 7 befestigt. Der thermische
Ausdehnungskoeffizient des Edelstahlhaltekörpers 7 und
der Edelstahlschraube 8 liegt bei ca. 18×10-6/°C; der
thermische Ausdehnungskoeffizient der Aluminiumblöcke
6 liegt bei ca. 28×10-6/°C. Wenn die Glassubstrate 1
und 2 auf ca. 500°C erhitzt werden, wenn sie von den
Aluminiumblöcken 6 gehalten werden, so wird aufgrund
der Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten
ein zweckmäßiger Druck auf die Glassubstrate 1 und 2
ausgeübt. Wenn die reflektierenden Filme 4 aus einem
Metallfilm bestehen, so wird das Erwärmen in einer
Schutzgasatmosphäre durchgeführt, beispielsweise mit
N2-Gas etc., falls es erforderlich ist, um so eine
Oxidation der reflektierenden Filme 4 zu verhindern.
Obwohl in diesem Ausführungsbeispiel die Abstandhalter
3 aus Al sind, können natürlich auch dünne Filme aus
anderen Metallen, aus Halbleitersubstanzen oder dielek
trischen Substanzen verwendet werden. Weiterhin sind
in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Abstand
halter 3 nur auf einem der Substrate ausgebildet; es
ist jedoch auch möglich, die Abstandhalter auf beiden
Substraten aufzubringen und die Abstandhalter, die
hier jeweils einander gegenüberliegen, miteinander zu
verbinden, um so die beiden Substrate miteinander zu
kombinieren.
Nach dem oben beschriebenen Herstellprozeß erhält man
ein Fabry-Perot′sches Interferometer in einer monoli
tischen Konstruktion in einer Dünnfilmtechnik, womit
man eine leichte Steuerbarkeit des Abstandes zwischen
reflektierenden Filmen erhält und womit eine Chargen
fertigung möglich ist, mit dem man eine Massenproduktion
von Einheiten realisieren kann.
Ein anderes Herstellverfahren des Fabry-Perot′schen
Interferometers, das für die variable Interferometer
anordnung nach der Erfindung verwendet wird, wird nach
folgend im Zusammenhang mit den Fig. 5(a) und 5(b) be
schrieben.
Wie in Fig. 5(a) gezeigt, wird ein reflektierender Film
4 auf einer Oberfläche eines lichtdurchlässigen Sub
strates 1, wie z.B. einem Glassubstrat aufgebracht, wo
bei Metallfilme 9, die als Elektroden wirken, auf der
anderen Oberfläche des Glassubstrates 1 aufgebracht wer
den. Auf dem lichtdurchlässigen Substrat 2 werden Ab
standhalter 3 aus einer leitfähigen oder halbleitfähigen
Substanz wie z.B. Si, Al, Fe, etc., die leicht oxidier
bar ist, aufgebracht sowie ein reflektierender Film 4
und zwar durch eine Dünnfilmtechnik wie z.B. Dampfab
scheiden, Aufsprühen, chemisches Dampfabscheiden etc.
Wie in Fig. 5(b) dargestellt, wird das Substrat 1 auf
die Abstandhalter 3, die auf dem Substrat 2 ausgebildet
sind, plaziert. Die Abstandhalter 3 und die Elektroden 9
werden mittels Metalldrähten 90 derart mit einer Gleich
spannungsquelle verbunden, daß die Abstandhalter 3 mit
der Anode und die Elektroden 9 mit der Kathode verbunden
werden. Sodann werden beide auf eine Temperatur aufge
heizt, die das Glas erweicht (üblicherweise 800°C oder
weniger), während eine Gleichspannung (üblicherweise im
Bereich zwischen 200 und 2000 V/1 mm der Dicke des Glases)
angelegt wird. Hierdurch erhält man eine Verbindung der
Abstandhalter 3 aus dem Leiter- oder Halbleitermaterial
mit dem Glassubstrat 1. In diesem Ausführungsbeispiel
dienen die Abstandhalter 3 nicht nur als Kleber für die
Verbindung der Substrate 1 und 2 sondern auch als Abstand
halter für die Einstellung des Abstandes zwischen den
Substraten 1 und 2. Die Leiter- oder Halbleitersubstanz
wird dazu benötigt, das Substrat 1 mit dem Substrat 2
zu verbinden, wobei diese Substanz unabhängig von einer
Abstandhaltersubstanz sein kann. Beispielsweise wird
eine Abstandhaltersubstanz (d.h. ein dünner Film) auf
dem Substrat 2 ausgebildet, worauf dann ein Leiter- oder
Halbleiterfilm auf den Abstandhalterfilm aufgebracht wird
und anschließend eine Spannung an den Leiter- oder Halb
leiterfilm und die auf dem Substrat 1 ausgebildete Elek
trode in gleicher Weise angelegt wird, wie oben beschrie
ben, womit man eine Verbindung des Substrates 1 mit dem
Substrat 2 mittels des Leiter- oder Halbleiterfilmes er
hält. Der Abstand zwischen den reflektierenden Filmen 4
hängt von der Gesamtdicke des Abstandhalterfilmes und des
Leiter- oder Halbleiterfilmes ab. Der Abstandhalterfilm
ist selbstverständlich in geeignetem Maße dicker als der
Leiter- oder Halbleiterfilm. Natürlich können auch eine
Klebersubstanz und eine Abstandhaltersubstanz voneinander
unabhängig verwendet werden anstelle der oben beschriebe
nen Abstandhalter 3.
Fig. 6 zeigt ein anderes Fabry-Perot′sches Interferometer,
das wie folgt hergestellt wird: auf einem Teil der Ober
fläche eines Si-Substrates 10 wird ein transparenter SiO2-
Film 11 ausgebildet und zwar durch eine Hitze-Oxidations-
Technik, ein Vakuumdampfabscheiden, ein Aufsprühen oder
ein chemisches Dampfabscheiden. Auf der anderen Oberfläche
des Si-Substrates 10 wird eine Photomaske plaziert, die
so gemustert ist, daß sie verhindert, daß das Si-Substrat
10 bei dem nachfolgenden Ätzprozeß übermäßig geätzt wird.
Darauf wird das Si-Substrat 10 einer Ätzbehandlung mittels
einer chemischen Ätztechnik unterworfen (z.B. eine Kristall
isotrophie oder Anisotrophieätztechnik), so daß ein Teil
des SiO2-Filmes 11 bloßgelegt ist, womit man eine dünne
Diaphragmastruktur erhält. Darauf wird die Photomaske von
dem Si-Substrat 10 entfernt und auf dem bloßliegenden
SiO2-Film 11 wird ein reflektierender Film 4 ausgebildet.
Andererseits werden auf den beiden Oberflächen des licht
durchlässigen Substrates 1 ein reflektierender Film 4
bzw. ein Metallfilm 9, der als Elektrode dient, aufge
bracht. Danach werden das Si-Substrat 10 und das licht
durchlässige Substrat 1 in gleicher Weise miteinander
verbunden, wie im Beispiel 3 beschrieben. Sodann wird das
Si-Substrat 10 mit der Anode und der Metallfilm 9 auf dem
lichtdurchlässigen Substrat 1 mit der Kathode einer Gleich
spannungsquelle verbunden, worauf eine Gleichspannung an
die Substrate 10 und den Metallfilm 9 bei einer vorgege
benen Temperatur angelegt wird. Zur Halterung der Substrate
wird vorzugsweise ein Halter gemäß Fig. 4 verwendet. Das
Interferometer nach diesem Beispiel wird also unter An
wendung einer Dünnfilmtechnik hergestellt, so daß der Ab
stand zwischen den reflektierenden Filmen 4 in Abhängig
keit von der Dicke des Dünnfilmes, der als Abstandhalter
verwendet wird, eingestellt werden kann. Da der Abstand
halter bei dem Verbindungsschritt der Substrate 10 und 1
nicht deformiert wird, kann der Abstand zwischen den
reflektierenden Filmen mit hoher Präzision sehr leicht
überwacht bzw. eingehalten werden. Auch dieses Interfero
meter kann chargenweise hergestellt werden.
Im folgenden wird eine variable Interferometeranord
nung, bei der die interferometrischen Eigenschaften des
Fabry-Perot′schen Interferometers durch Änderung des Ab
standes zwischen den reflektierenden Filmen des Fabry-
Perot′schen Interferometers gesteuert wird, beschrieben:
Es sei angenommen, daß Licht senkrecht auf die Oberfläche
des Substrates gerichtet wird und daß in den reflektie
renden Filmen kein optischer Phasensprung stattfindet.
Damit Licht mit einer ausgewählten einzigen Wellenlänge
im abzutastenden Wellenlängenbereich zwischen λ₁ und
λ₂ übertragen wird, muß der Abstand t zwischen den re
flektierenden Filmen innerhalb des folgenden Bereiches
liegen: λ₁/2n t λ₂/2n, wie in obiger Gleichung (1)
angegeben. Die Wellenlänge des übertragenen Lichtes ist
2nt, wenn der Abstand zwischen den reflektierenden Filmen
gleich t ist, wobei n der Brechungsindex des Mediums
innerhalb des Interferometers ist. Wenn das Medium Luft
ist, liegt n bei ca. 1. Wenn der abzutastende Wellen
längenbereich in der Größenordnung von beispielsweise
400 bis 750 nm liegt, so ist der Abstand t zwischen den
reflektierenden Filmen zwischen 200 nm und 375 nm einzu
stellen.
Fig. 7(a) zeigt eine variable Interferometeranordnung
nach der Erfindung, die wie folgt aufgebaut ist: reflek
tierende Metallfilme 4 aus Ag, Al, Au oder ähnlichem
werden durch ein Dampfabscheiden auf den Substraten 1
und 2 aufgebracht. Die Substrate 1 und 2 werden so ver
bunden, daß sie mit einem Zwischenraum zwischen sich,
der durch Abstandhalter 3 bestimmt ist, einander gegen
überliegend, und zwar so, daß auch die reflektierenden
Filme 4 einander gegenüberliegen, womit man eine hohle
Interferometeranordnung des Fabry-Perot′schen Typs er
hält. Die reflektierenden Metallfilme 4 dienen auch als
Elektroden, die mit einer Energiequelle 50 verbunden
werden. Wie oben erwähnt, ist die Interferometeranord
nung so aufgebaut, daß die Elektroden, die auf den ein
ander gegenüberliegenden Oberflächen des Substrates auf
gebracht sind, einen Zwischenraum (d.h. einen Hohlraum)
zwischen sich einschließen, wobei der Zwischenraum durch
elektrostatische Kräfte zwischen den Elektroden verändert
bzw. defomiert wird. Obwohl die reflektierenden Filme 4
in diesem Beispiel auch als Elektroden dienen, sind die
reflektierenden Filme gleichwohl prinzipiell unabhängig
von den Elektroden.
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Abtastung der Wellen
länge von Licht beschrieben: wie in Fig. 7(b) gezeigt,
ist das Glassubstrat 2 an seinen beiden Enden durch die
Abstandhalter 3 abgestützt, während die Mitte des Sub
strates nicht von den Abstandhaltern gestützt ist, so daß
das Substrat 2 durch Aufbringung einer Kraft auf die Mitte
des Substrates 2 gebogen werden kann, womit der Abstand t
zwischen den reflektierenden Filmen verändert werden kann.
Es sei nun angenommen, daß dieser Abstand t 0 ist, wenn
keine Kraft auf das Substrat 2 ausgeübt wird. t kann
dann durch die Formel t = t o-α F ersetzt werden, wobei
α der geänderte Wert von t pro Krafteinheit ist. In
diesem Ausführungsbeispiel ist α gleich 1,6 µm/Kp.
Der Abtastbereich der Lichtwellenlänge, den man diesem
variablen Interferometer nach der Erfindung überstreichen
kann, läßt sich - wie nachfolgend beschrieben - berech
nen, wenn die oben erwähnte Kraft, die an das Substrat 2
angelegt wird, eine elektrostatische Kraft ist: angenom
men, die Elektroden 4 existieren lediglich in dem engen
Bereich des Substrates 1 und 2, der zwischen den Abstand
haltern 3 liegt, so kann der Abstand t zwischen den
Elektroden über den gesamten Bereich dieser Elektroden 4
als gleich angesehen werden, was die nachfolgende Be
rechnung einfach macht. Die Anziehungskraft F wird durch
die Gleichung (2) dargestellt, wenn der Elektrodenbereich
gleich S und die angelegte Spannung gleich V ist:
F = ½ QE , (2)
wobei
Q
= CV (Q ist die Menge der elektrischen Ladung),
C
= ε S/d (C ist die elektrostatische Kapazität) und
E
= V/t (E ist die elektrische Feldstärke).
Da der Zwischenraum zwischen den Elektroden mit Luft ge
füllt ist, kann die Dielektrizitätskonstante des Vakuums
e₀ als Dielektrizitätskonstante ε in der Formel (2) ange
setzt werden und die Formel (2) kann dann durch die
Formel (3) ersetzt werden:
F = ½ ε₀S (V/t)². (3)
Wenn S = 4 mm2, α = 1,6 µm/Kp, und t im Bereich zwischen
0,2475 m und 0,188 m liegt, so führt die Berechnung zu
dem Diagramm der Fig. 8, die zeigt, daß ein Abtasten
eines Wellenlängenbereiches zwischen 660 und 440 nm durch
geführt werden kann. Da in diesem Beispiel als reflek
tierende Filme 4 Metallfilme verwendet werden und da
darüber hinaus optische Phasensprünge bei der Licht
reflektion an den reflektierenden Filmen 4 berücksich
tigt wurden, genügt die spektrale Transmittanz der Inter
ferometeranordnung nicht der Formel (1). Allerdings be
steht zwischen dem Abstand t zwischen den Elektroden 4
und der Wellenlänge λ des übertragenen Lichtes eine
lineare Beziehung. Fig. 8 zeigt auch, daß bei 27,9 V
eine diskontinuierliche Änderung des Abstandes t auf
tritt. Dies liegt in dem Phänomen begründet, daß, wenn
die Spannung größer als 27,9 V ist, der Abstand t kleiner
wird, womit die elektrostatische Kraft F größer wird, was
den Abstand t progressiv kleiner macht. Folglich soll die
Betriebsspannung nicht über 27,9 V liegen, wobei t dann
von t 0 bis 2t 0/3 verändert wird.
Nachfolgend werden Materialien beschrieben, die für die
reflektierenden Filme nützlich sind:
Die Wellenlängenauflösung des reflektierenden Filmes
hängt vom Reflektionsfaktor des reflektierenden Filmes ab.
Die Auflösung liegt bei ca. 20 nm, wenn der Reflektions
faktor des reflektierenden Filmes 90% ist, wobei dann
die Wellenlänge des vom reflektierenden Film zu über
tragenen Lichtes bei 550 nm liegt. Das Auflösungsvermögen
kann also durch Vergrößerung des Reflektionsfaktors ver
bessert werden. Der Reflektionsfaktor kann in einem be
grenzten Wellenlängenbereich auf 99% oder mehr einge
stellt werden, wenn man einen mehrschichtigen dielek
trischen Film nimmt. Um den Reflektionsfaktor in einem
größeren Wellenlängenbereich auf einem festen Wert zu
halten, empfiehlt es sich, einen reflektierenden Metall
film zu nehmen und nicht einen mehrschichtigen dielek
trischen reflektierenden Film.
Generell treten in reflektierenden Metallfilmen optische
Verluste auf. Die optischen Verluste werden um so kleiner
je größer der Reflektionsfaktor des reflektierenden Metall
filmes wird. Metalle mit hohem Reflektionsfaktor im sicht
baren Bereich (d.h. 400 bis 700 nm) sind Ag (Reflektions
faktor 98%), Al (Reflektionsfaktor 92%), etc. Weiterhin
sind Metalle, die einen hohen Reflektionsfaktor im nahen
Infrarotbereich (d.h. 700 bis 1600 nm) oder im Infrarot
bereich (d.h. unter 10 m) haben: Ag (Reflektionsfaktor
99%), Au (Reflektionsfaktor 98%) etc. Diese Metalle
haben eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit, so
daß auch sie als Elektroden eingesetzt werden können, an
die die elektrische Spannung angelegt wird, um die elektro
statischen Anziehungskräfte zwischen ihnen zu erzeugen.
Wenn die variable Interferometeranordnung für einen engen
Wellenlängenbereich angepaßt ist, beispielsweise 540 bis
560 nm, so kann ein mehrschichtiger dielektrischer Film
aus TiO₂, SiO₂, ZnS, MgF₂, etc. als reflektierender Film
verwendet werden. Da der maximale Reflektionsfaktor dieses
reflektierenden Filmes auf 99% oder mehr festgesetzt
werden kann, kann man ein Spektrometer mit sehr hoher
Auflösung der Wellenlänge erhalten. Der dielektrische
reflektierende Film ist nicht leitfähig, so daß unabhängig
hiervon Elektroden aufgebracht werden müssen.
Die variable Interferometeranordnung nach der Erfindung
kann wahlweise verändert werden. Fig. 9(a) zeigt eine
perspektivische Ansicht einer variablen Interferometer
anordnung nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7(b),
die den Vorteil hat, daß sie vom Aufbau her sehr einfach
ist und daher auch leicht hergestellt werden kann.
Fig. 9(b) zeigt eine Modifikation, bei der ein anderer
Abstandhalter verwendet wird. Dieser Abstandhalter ist
dabei etwa ringförmig bzw. krapfenförmig. Fig. 9(c) zeigt
eine weitere Modifikation, bei der lediglich ein Abstand
halter 3 an einem Ende des Substrates verwendet wird.
Dieser Aufbau mit einem einzigen Abstandhalter ist für
Niederspannungsanwendungen geeignet, da der Abstand t
zwischen den reflektierenden Filmen in einem weiten
Bereich veränderbar ist, wenn eine Spannung an die re
flektierenden Filme angelegt wird.
Fig. 10 zeigt eine weitere variable Interferometeranord
nung nach der Erfindung, bei der ein Photodetektor wie
z.B. eine Si-Photodiode 10 in die variable Interfero
meteranordnung so eingebaut ist, daß sie zusammen einen
einzigen Körper bilden. Die Si-Photodiode 100 wird wie
folgt hergestellt: Auf einem n-Substrat 102 wird eine
p-Diffusionsschicht 101 ausgebildet, wobei man eine
SiO2-Schicht 104 als Maske verwendet; auf der Rückseite
des Substrates 102 wird eine Bodenelektrode 103 aufge
bracht. Mit der Bodenelektrode 103 bzw. der Diffusions
schicht 104 werden eine kathodische Elektrode 105 und
eine anodische Elektrode 106 verbunden, womit man die
Si-Photodiode 100 erhält.
Auf der Si-Photodiode 100 wird mittels Dampfabscheiden
ein Ag-Film 11 aufgebracht, der sowohl als reflektierender
Film als auch als Elektrode dient. Sodann werden ein
Glassubstrat 20 mit einem dünnen Ag-Film 21 und die Si-
Photodiode 100 mit einem Abstand zwischen sich mittels
Abstandhalter 30 so verbunden, daß der Ag-Film 21 dem
Ag-Film 11 gegenüberliegt. Auf diese Weise werden ein
Photodetektor und eine variable Interferometeranordnung
zu einem einzigen Körper vereint, so daß sie als ein
einziger Photodetektor bequem gehandhabt werden können,
der eine Wellenlängenselektion ausführen kann. Als Photo
detektor können ein Si-Phototransistor, eine a-Si-Solar
zelle, eine Verbund-Halbleiter-Photodiode aus GaAs etc.
verwendet werden. Wie oben beschrieben, enthält die
variable Interferometeranordnung nach der Erfindung
einen eingebauten Antriebsmechanismus, mit dem die Sub
strate innerhalb des Fabry-Perot′schen Interferometers
verformt werden können, womit man einen einfachen Auf
bau erhält.
Fig. 11 zeigt eine weitere variable Interferometeran
ordnung nach der Erfindung, bei der das Interferometer
durch lichtdurchlässige Substrate 1 und 2 hergestellt
sind, die zwischen einer magnetischen Substanz 77, die
mit einem Loch ausgestattet ist, durch das Licht hin
durch gelangt, und einem Elektromagnet, der aus einem
Magnetkern 55 und einer Spule 66 besteht, sandwichartig
gehalten sind. Die magnetische Substanz 77, die vorzugs
weise aus einer dünnen Schicht besteht, ist aus getemper
tem bzw. schmiedbarem Eisen, aus Permalloy etc., wobei
Materiale mit hoher Permeabilität verwendet werden. Das
Interferometer und der Elektromagnet sind an einem
(nicht dargestellten) Halter befestigt. Wenn ein elek
trischer Strom durch die Spule 66 fließt, so wird eine
Kraft F, die durch die Formel (4) ausgedrückt ist,
zwischen dem Magnetkern 55 und der magnetischen Substanz
77 entstehen:
F = N²I²/µ₀SQ², (4)
wobei µ₀ die magnetische Permeabilität im Vakuum, N die
Windungszahl der Spule, I der Strom, S die Fläche der
Magnetpole und Q der magnetische Widerstand sind. Die
Kraft F, die dem Quadrat des Stromes I proportional ist,
zieht die magnetische Substanz 77 zu dem Magnetkern 55,
wodurch das Interferometer gegen den Magnetkern 55 ge
drückt wird, so daß die lichtdurchlässigen Substrate 1
und 2 verbogen werden, womit man eine Veränderung des
Abstandes t zwischen dem reflektierenden Film erhält.
Fig. 12 zeigt, daß sich der Abstand t zwischen den reflek
tierenden Filmen in Abhängigkeit vom Strom durch die
Spule 66 verändert, so daß der Spitzenwert der Wellen
länge des übertragenen Lichtes in dem Interferometer
abgetastet werden kann.
Fig. 13 zeigt eine weitere variable Interferometeranord
nung nach der Erfindung, bei der eine magnetische Sub
stanz 77, die mit einem Loch ausgestattet ist, durch
das Licht hindurchtritt, an dem lichtdurchlässigen Sub
strat 1 befestigt ist. Ein Magnetkern 55 ist mit einem
geringeren Abstand (0,1 mm oder weniger) gegenüber der
magnetischen Substanz an der Interferometeranordnung be
festigt. Die Spule 66 ist unter einem Winkel angeordnet,
so daß es möglich ist, Licht auf das lichtdurchlässige
Substrat 1 zu richten. Wenn ein Strom durch die Spule
66 fließt, so wird eine elektromagnetische Kraft in dem
Magnetkern 55 entstehen und die magnetische Substanz 77
zu dem Magnetkern 55 hinziehen, so daß das lichtdurch
lässige Substrat 1 verbogen wird. Auf diese Weise wird
der Abstand t zwischen den reflektierenden Filmen ver
größert, wenn der Strom ansteigt.
Fig. 14 zeigt eine weitere variable Interferometeranord
nung nach der Erfindung, bei der ein Ende einer magne
tischen Substanz 88, die drehbar um ihr anderes Ende 80
angeordnet ist, in Berührung mit dem lichtdurchlässigen
Substrat 1 steht. Eine Spule 66 ist so angeordnet, daß
die magnetische Substanz 88 angezogen werden kann. Die
magnetische Substanz 88 ist frei von der Spule 66, wenn
kein Strom durch diese fließt. Wenn dagegen Strom durch
die Spule 66 fließt, so wird die magnetische Substanz 88
zur Spule 66 hingezogen und drückt dabei auf das licht
durchlässige Substrat 1. Es ist nicht unbedingt erforder
lich, daß die magnetische Substanz 88 um ihr Ende 80
drehbar gelagert ist; allerdings ist es besser, daß die
magnetische Substanz 88 so nahe wie möglich bei der Spule
66 liegt, so daß sich eine Anziehungskraft zwischen der
Spule 66 und der magnetischen Substanz 88 ausbilden kann.
Es ist auch möglich, daß die magnetische Substanz fest
angeordnet ist. Wenn ein Permanentmagnet mit einem Elek
tromagnet in den obigen Beispielen gekoppelt ist, so
erhält man ein wirksames Antriebssystem. Darüber hinaus
kann - wie in Fig. 10 gezeigt - ein Photodetektor wie
z.B. eine Si-Photodiode etc. in die variable Interfero
meteranordnung eingebaut sein, so daß ein einziger Körper
entsteht.
Die magnetische Substanz 88 ist selbstverständlich so
angeordnet, daß sie die Einstrahlung von Licht auf das
lichtdurchlässige Substrat nicht verhindert. Alternativ
hierzu kann die magnetische Substanz 88 auch mit einem
Loch versehen sein, durch welches das Licht hindurchge
langt.
Die Interferometeranordnung nach der Erfindung ist so
aufgebaut, daß die optische Weglänge des Fabry-Perot′schen
Interferometers, das als ein Körper aufgebaut ist,
mittels eines Antriebssystemes eingestellt werden kann,
so daß eine Steuerung bzw. Einstellung mit hoher Präzision
und Stabilität ausgeführt werden kann. Weiterhin werden
keine komplizierten Bauteile bzw. Komponenten verwendet
und die Einrichtungen, die mit dem Interferometer in
Verbindung stehen, haben ein geringes Gewicht, so daß das
Interferometer auch unter ungünstigen Umweltbedingungen
wie z.B. Vibration und/oder Stößen und Impulsen ohne
Beschädigungen stabil arbeitet. Folglich schafft die
Erfindung eine miniaturisierte variable Interferometer
anordnung mit einer spektroskopischen Funktion.
Fig. 15 zeigt einen optischen Sensor, der mit der Fabry-
Perot′schen Interferometeranordnung ausgestattet ist. Es
enthält eine lichtemittierende Diode 41, eine erste Fabry-
Perot′sche Interferometeranordnung 42, deren Charakteris
tiken sich mit einer physikalischen Größe eines zu mes
senden Objektes verändern, ein Beugungsgitter 44, das das
Licht aus der lichtemittierenden Diode 41 in mehrere
Strahlen aufspaltet, wobei Licht der nullten Ordnung
senkrecht auf eine zweite Fabry-Perot′sche Interfero
meteranordnung 43 gerichtet wird, während Licht der
ersten Ordnung schräg auf die zweite Fabry-Perot′sche
Interferometeranordnung 43 gerichtet wird. Weiterhin
enthält sie eine Photodiode 45, die das von der zweiten
Fabry-Perot′schen Interferometeranordnung 43 übertragene
Licht der nullten Ordnung empfängt sowie eine Photodiode
46, die das von der zweiten Fabry-Perot′schen Interfero
meteranordnung 43 übertragene Licht der ersten Ordnung
empfängt. Schließlich ist ein (nicht dargestellter)
Verarbeitungsschaltkreis vorgesehen, der das Ausgangs
signal der Photodiode 45 mit dem der Photodiode 46
vergleicht.
Anstelle der lichtemittierenden Diode 41 können natür
lich auch andere Lichtquellen verwendet werden, wie z.B.
Quellen für weißes Licht, eine Halogenlampe, die Licht
in einem breiten Spektralband erzeugt. Das Beugungs
gitter 44 sorgt gleichzeitig für einen geneigt und einen
senkrecht einfallenden Lichtstrahl und kann anstelle
anderer Mittel wie z.B. einer Kombination eines Halb
spiegels und eines Prismas dazu verwendet werden, Licht
strahlen mit verschiedenen Winkeln zwischen sich zu er
zeugen. Das Licht von der Lichtquelle wird vorzugsweise
mittels optischer Fasern zu den Photodetektoren gelei
tet. Das Licht von beiden Fabry-Perot′schen Interfero
meteranordnungen 42 und 43 ist nicht nur notwendiger
weise ein abgestrahltes Licht, es kann selbstverständ
lich auch ein reflektiertes Licht sein.
In diesem Ausführungsbeispiel werden zwei Arten von Licht
strahlen mit unterschiedlichen Einfallwinkeln zu der
zweiten Fabry-Perot′schen Interferometeranordnung 43
geleitet. Damit hat die zweite Fabry-Perot′sche Inter
ferometeranordnung 43 zwei verschiedene optische Weg
längen. Allgemein ist die wirksame optische Weglänge
für die Interferenz in einer Fabry-Perot′schen Inter
ferometeranordnung gleich nt · cosR, wobei n der Bre
chungsindex des Mediums zwischen den einander gegenüber
liegenden reflektierenden Filmen, t der Abstand zwischen
den reflektierenden Filmen und R der Einfallwinkel des
Lichtes auf die reflektierenden Filme ist. In diesem
Ausführungsbeispiel liegt der Brechungsindex n des
Mediums nahe bei 1 und der Einfallswinkel des Lichtes
R ex auf die Fabry-Perot′sche Interferometeranordnung
ist gleich dem Einfallwinkel des Lichtes R auf die re
flektierenden Filme.
Der Einfallswinkel des Lichtes R ex auf die Fabry-Perot′
sche Interferometeranordnung wurde so festgelegt, daß
die Differenz zwischen den wirksamen optischen Weg
längen bei dem senkrechten Lichteinfall nt und der
optischen Weglänge bei dem schrägen Lichteinfall nt · cosR
die nachfolgende Formel (5) erfüllt:
nt (1-cosR) = λ₀/8, (5)
wobei λ₀ die Mittenwellenlänge der lichtemittierenden
Diode 41 ist. Wie oben erwähnt sind n = 1 und R ex = R.
Wenn t bzw. λ₀ auf 12 µm bzw. 850 nm festgesetzt wurden,
so errechnete sich R ex zu 7,6°. Das Beugungsgitter 44
wurde so hergestellt, daß der erste gebeugte Lichtstrahl
unter einem Winkel von 7,6° auf die Fabry-Perot′sche
Interferometeranordnung 43 gerichtet wurde.
Der optische Sensor mit dem oben beschriebenen Aufbau de
tektiert die physikalischen Größen, mit denen die optische
Weglänge der ersten Fabry-Perot′schen Interferometer
anordnung 42 verändert wird. Die erste Fabry-Perot′sche
Interferometeranordnung 42 ist so aufgebaut - wie in
Fig. 16 gezeigt -, daß ein Paar von Glassubstraten 1 und
2 mit einem durch Abstandhalter 3 gebildeten Zwischen
raum zwischen ihm verbunden ist und zwar so, daß die
reflektierenden Filme 4, die auf den Glassubstraten 1
und 2 aufgebracht sind, einander gegenüberliegen. Diese
reflektierenden Filme 4 wurden als Metallfilme herge
stellt, jedoch können sie auch aus einem ein- oder mehr
schichtigen dielektrischen Film sein. Wird eine externe
Kraft F (eine Druckkraft oder eine Belastung) auf eines
der Glassubstrate 1 und 2 ausgeübt, so wird das Glas
substrat 1 verbogen, wodurch sich die innere optische
Weglänge verändert, wodurch wiederum Änderungen der
interferometrischen Charakteristiken der ersten Fabry-
Perot′schen Interferometeranordnung 42 auftreten. Die
erste Fabry-Perot′sche Interferometeranordnung 42 ist
nicht vom Durchgangstyp sondern vom Reflektionstyp. Dies
bedeutet, daß Licht zur ersten Fabry-Perot′schen Inter
ferometeranordnung 42 geführt wird und von dieser weg
und zwar mittels einer optischen Fase 16 und einer
Mikrolinse 15.
Die zweite Fabry-Perot′sche Interferometeranordnung 43
ist ähnlich aufgebaut wie die erste Fabry-Perot′sche
Interferometeranordnung 42 mit Ausnahme, daß sie vom
Durchgangstyp ist.
Fig. 17(a) zeigt die Ausgangsleistung des optischen
Sensors dieses Beispieles, bei dem der optische Sensor
als Sensor für mechanische Spannung verwendet wird, wobei
I 0 und I 1 die Ausgangsleistung der Photodioden 45 und 46
der Fig. 15 darstellen. I 1 ist gegenüber I 0 lediglich um
¼ Periode verschoben. Trägt man dementsprechend die
Ausgangsleistung I 0 und I 1 auf der Abszisse bzw. der
Ordinate eines Achsenkreuzes auf, so erhält man die in
Fig. 17(b) dargestellte Kurve. Fig. 17(b) zeigt die Ände
rungen der Ausgangsleistung I 0 in einem Zyklus entspre
chend den Pfeilen A-E der Fig. 17(a). Wenn die angelegte
Kraft sich im Bereich von C bis A ändert, so ändert die
Ausgangsleistung I 0 sich von ihrem Maximalwert zu ihrem
Minimalwert. Wenn sich die angelegte Kraft von C bis E
ändert, so ändert sich die Ausgangsleistung I 0 in der
selben Weise. Wenn man also allein den Wert von I 0 er
faßt, so ist es unmöglich zu bestimmen, ob sich die an
gelegte Kraft vergrößert oder verkleinert. Wenn man dann
aber die Ausgangsleistung I₁, die auf dem schräg auf die
zweite Fabry-Perot′sche Interferometeranordnung gerich
teten Licht basiert, berücksichtigt, so kann man aus dem
Diagramm der Fig. 17(b) bestimmen, ob sich die angelegte
Kraft vergrößert oder verkleinert. Ändert sich nämlich
die angelegte Kraft im Bereich von C über B zu A (d.h.
C → B → A) im Uhrzeigersinn, so kann man sehen, daß sich
die Kraft verkleinert, während bei einer Änderung von
C über D nach E (d.h. C → D → E) im Gegenuhrzeigersinn
zu erkennen ist, daß sich die Kraft vergrößert. Zeichnet
man auf diese Weise die Änderungen der Größen des Lichtes
I 0 und I 1 kontinuierlich auf, so kann der Wert der ange
legten Kraft oder der physikalischen Größe kontinuier
lich aufgezeichnet werden.
In der obigen Formel (5) wurde die Differenz der wirk
samen optischen Weglänge der Fabry-Perot′schen Inter
ferometeranordnung zwischen den beiden Lichtstrahlen zu
λ₀/8 festgesetzt. Der Grund hierfür liegt darin, daß I 0
und I 1 so festgesetzt wurden, daß sie um eine Viertel
periode gegeneinander verschoben sind. Wenn I 1 gegenüber
I 0 um eine Viertelperiode verschoben ist, so wird die in
Fig. 17(b) gezeigte Kurve ein vollständiger (runder)
Kreis, so daß eine Bewegung der Punkte, die die Werte von
I 0 und I 1 in Fig. 17(b) anzeigen, leicht aufgezeichnet
werden kann.
Fig. 18 zeigt einen weiteren optischen Sensor nach der
Erfindung. Dieser enthält eine lichtemittierende Diode
41, eine erste Fabry-Perot′sche Interferometeranordnung
42, deren Charakteristiken sich mit einer physikalischen
Größe eines zu messenden Objektes ändert, Lichtteiler
einrichtungen (einschließlich eines Strahlteilers 47 und
eines Prismas 48), zur Aufteilung des Lichtes der licht
emittierenden Diode 41 in zwei parallele Lichtstrahlen,
von denen der eine (a) auf einem Bereich 49 A einer zweiten
Fabry-Perot′schen Interferometeranordnung 49 gerichtet
ist, während der andere (b) auf einen Bereich 49 B der
zweiten Fabry-Perot′schen Interferometeranordnung 49
gerichtet ist. Weiterhin sind eine Photodiode 45, die das
von dem Bereich 49 A der Interferometeranordnung 49 abge
strahlte Licht empfängt sowie eine Photodiode 46, die das
von dem Bereich 49 B der Interferometeranordnung 49 abge
strahlte Licht empfängt, vorgesehen. Schließlich ist ein
(nicht dargestellter) Signalverarbeitungsschaltkreis
vorgesehen, der die Ausgangssignale der Photodiode 45 mit
denen der Photodiode 46 vergleicht. Alle Elemente dieses
Systemes können in gleicher Weise wie beim Beispiel 10
durch andere Elemente ersetzt werden.
Die in diesem Ausführungsbeispiel verwendete erste Fabry-
Perot′sche Interferometeranordnung 42 ist vom Reflektions
typ und entspricht damit der des Beispieles 10 der Fig. 15
Die zweite Fabry-Perot′sche Interferometeranordnung
49 ist - wie in Fig. 19 dargestellt - so aufgebaut, daß
eine Glasplatte 1 mit einem reflektierenden Film 4 mit
einer Glasplatte 2, die einen SiO2-Film 18 (mit einer
Dicke von λ₀/8) auf einem Teil ihrer Oberfläche sowie
dort einen reflektierenden Film 4 aufweist, verbunden
ist und zwar in einem durch Abstandhalter 3 geschaffenen
Abstand zwischen diesen Teilen. Der Lichtstrahl a läuft
durch den Bereich 49 A, in welchem kein SiO2-Film 18 auf
der Glasplatte 2 ausgebildet ist, während der Lichtstrahl
(b) durch den Bereich 49 B läuft, in dem der SiO2-Film
18 auf der Glasplatte 2 ausgebildet ist. Wenn die optische
Weglänge der Fabry-Perot′schen Interferometeranordnung 49
hinsichtlich des Lichtstrahles (a) gleich t ist, so ist die
optische Weglänge hinsichtlich des Lichtstrahles b gleich
(t- λ₀/8). Wie in dem Beispiel 10 erwähnt, sei angenommen,
daß die optischen Ausgangsleistungen der beiden Licht
strahlen, die durch die Bereiche 49 A und 49 B der zweiten
Fabry-Perot′schen Interferometeranordnung 49, zwischen
denen eine Differenz der optischen Weglänge von λ₀/8
vorhanden ist, gleich I 0 und I 1 ist, so werden Änderungen
dieser beiden Ausgangsleistungen erfaßt, wobei Änderungen
der optischen Weglänge der ersten Fabry-Perot′schen
Interferometeranordnung 42 bestimmt werden können. Die
Ausgangscharakteristiken des optischen Sensors dieses
Ausführungsbeispieles sind dieselben wie im Beispiel 10
der Fig. 17(a) und 17 (b).
Elemente, die dem Bereich 49 A bzw. 49 B der zweiten Fabry-
Perot′schen Interferometeranordnung 49 entsprechen, können
in dem oben beschriebenen System auch separat angeordnet
sein. In diesem Fall vergrößert sich die Dispositions
freiheit für diese Elemente, so daß man beispielsweise
ein Element wie das Prisma 48, das den optischen Weg ver
ändert, fortlassen kann.
In den Beispielen 10 und 11 können Änderungen der Licht
menge von einer Lichtquelle und/oder Änderungen in der
Dämpfung bzw. den Verlusten der Lichtmenge dadurch limi
tiert werden, daß ein Teil des Lichtes von der ersten
Fabry-Perot′schen Interferometeranordnung auf die Photo
detektoren 45 und 46 gerichtet wird und die von den
Photodetektoren 45 und 46 erzeugten Ausgangsleistungen
als Bezugs- bzw. Referenzstandard verwendet werden, womit
man eine stabile Ausgangsleistung erhält. Obwohl die
beiden Fabry-Perot′schen Interferometeranordnungen von
Art hohler Anordnungen der Beispiele 10 und 11 sind,
können sie auch unterschiedlich sein. Beispielsweise
kann die ersten Fabry-Perot′sche Interferometeranordnung
so aufgebaut sein, daß die optische Weglänge nt des
Mediums innerhalb des Interferometers durch die physi
kalische Größe des zu messenden Objektes verändert wird,
während der zweite Fabry-Perot′sche Interferometer den
hohlen Aufbau haben kann. Weiterhin kann die Fabry-
Perot′sche Interferometeranordnung eine Glasfaser-Inter
ferometeranordnung sein, die so hergestellt wird, daß
man eine optische Faser mit einer einzigen Mode zu
einer vorgegebenen Länge schneidet und beide Enden mit
reflektierenden Spiegeln ausstattet, die durch bekannte
Herstellverfahren zur Aufbringung reflektierender Flächen
hergestellt werden.
Der optische Sensor mit dem oben beschriebenen Aufbau
nach der Erfindung ist selbstverständlich als dynamischer
Sensor (z.B. als Drucksensor, als Schallsensor, als Vibra
tionssensor, als Lastsensor etc.) einsetzbar, der unter
Anwendung der Fabry-Perot′schen Interferometeranordnung,
deren Innenseite hohl ist, dynamische Größen erfaßt.
Wenn die Fabry-Perot′sche Interferometeranordnung so auf
gebaut ist, daß der Abstand zwischen den reflektierenden
Filmen in Abhängigkeit von der Änderung anderer physika
lischen Größen wie z.B. elektrischen Größen, Magnetismus
etc. veränderbar ist, so können die verschiedensten Arten
physikalischer Größen gemessen werden.
Wie oben erwähnt sind Merkmale des optischen Sensors nach
der Erfindung, daß zwei unabhängige Signale lediglich
von einer Lichtart erzeugt werden, die durch eine erste
Fabry-Perot′sche Interferometeranordnung laufen und zwar
unter Anwendung eines extrem einfachen Aufbaus, wobei
damit eine physikalische Größe eins zu messenden Objektes
in einem großen Dynamikbereich gemessen werden kann, der
einer Änderung der Lichtgröße entspricht, die sich über
mehrere Zyklen erstreckt. Auf diese Weise kann man sehr
einfach einen optischen Sensor hoher Präzision und von
außerordentlich großem Nutzen schaffen, der einen großen
Dynamikbereich hat.
Wie oben erwähnt, besteht das Fabry-Perot′sche Interfero
meter nach der Erfindung, das mechanisch hoch präzise auf
gebaut ist und dessen Hauptkomponente eine variable Inter
ferometeranordnung ist, im wesentlichen aus einem Paar
von Substraten, die einander gegenüberliegen und zwar
im Abstand zueinander, der durch Abstandhalter gebildet
wird, wobei diese Teile in einer Dünnfilmtechnik herge
stellt sind, so daß die Produzierbarkeit der variablen
Interferometeranordnung verbessert wird und die inter
ferometrischen Eigenschaften bzw. Charakteristiken der
variablen Interferometeranordnung in sehr einfacher Weise
eingestellt werden können. Grundsätzlich wird die Ein
stellung bzw. Veränderung der interferometrischen Eigen
schaften dadurch bewirkt, daß die bei dem Interfero
meter verwendeten Substrate verformt werden und zwar
unter Anwendug eines externen elektrischen Signales,
womit man eine ausgezeichnete Einstell- bzw. Steuerge
nauigkeit, Stabilität und Reproduzierbarkeit erhält. Man
kann bei Anwendung dieser variablen Interferometeranord
nung ein miniaturisiertes Spektrometer erhalten, das
keine mechanischen Antriebsteile enthält. Weiterhin kann
man mit der Erfindung optische Sensoren schaffen, bei
denen die interferometrischen Eigenschaften eines Fabry-
Perot′schen Interferometers aufgrund einer externen
physikalischen Größe so geändert werden, daß sie ein
optisches Signal modulieren, wobei das modulierte Signal
licht in zwei Lichtstrahlen aufgeteilt wird, die dann
zu zwei verschiedenen Interferometern geleitet werden,
womit man die physikalische Größe in einem großen Dyna
mikbereich des zu messenden Objektes erfassen kann.
Es sei darauf hingewiesen, daß verschiedene Modifika
tionen von einem Fachmann durchgeführt werden können,
ohne daß der Schutzumfang und das Wesen der Erfindnung
verlassen werden. Entsprechend sei darauf hingewiesen,
daß der Schutzumfang der Patentansprüche nicht durch
die obige Beschreibung eingeschränkt wird und daß die
Patentansprüche alle patentfähigen Merkmale der vor
liegenden Erfindung enthalten, einschließlich all
diejenigen Merkmale, die vom Fachmann des vorliegenden
Gebietes als Äquivalente angesehen werden.
Claims (18)
1. Variable Interferometeranordnung mit einem Fabry-
Perot′schen Interferometer, dadurch gekennzeichnet,
daß sie aus einem Paar reflektierender Substanzen
(1, 4; 2, 4) besteht, die einander mit einem Zwischen
raum gegenüberliegen, der durch Abstandhalter (3)
gebildet ist.
2. Variable Interferometeranordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter (3)
aus einem Film bestehen, der mittels Dampfabscheiden,
Aufsprühen, chemischem Dampfabscheiden, Schleuder
beschichten (spin coating) oder Siebdrucken herge
stellt ist.
3. Variable Interferometeranordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich Einrich
tungen (4, 9, 10; 66, 88; 66, 77) enthält, mit denen
zumindest eine der reflektierenden Substanzen (1, 4
bzw. 2, 4), die das Fabry-Perot′sche Interferometer
bilden, verformen, womit die interferometrischen
Charakteristiken des Fabry-Perot′schen Interfero
meters verändert werden.
4. Variable Interferometeranordnung nach Anspruch 1
oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der reflek
tierenden Substanzen durch ein Substrat ersetzt ist,
auf dem ein Photodetektor (100) ausgebildet ist,
was zu einer monolitischen Struktur eines Fabry-
Perot′schen Interferometers und eines Photodetektors
in einem einzigen Körper führt.
5. Variable Interferometeranordnung nach Anspruch 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden re
flektierenden Substanzen (4) dadurch miteinander
verbunden sind, daß die Abstandhalter (3) und kle
bende Schichten (5) aus Glas mit niedrigem Schmelz
punkt sandwichartig zwischen den reflektierenden
Substanzen angeordnet werden, zur Bildung eines
Fabry-Perot′schen Interferometers.
6. Variable Interferometeranordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum
Verformen mindestens einer der reflektierenden Sub
stanzen eine elektrostatische Kraft zwischen den
reflektierenden Substanzen (4) erzeugt und dadurch
mindestens eine davon verformt.
7. Variable Interferometeranordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Sub
stanz aus einem Substrat (1, 10) und einer dünnen
Elektrode (9) auf diesem Substrat besteht, wobei
mindestens eine der reflektierenden Substanzen durch
elektrostatische Kräfte verformt wird, die durch
Anlegen einer Spannung an die dünnen Metallfilme (9)
erzeugt wird, was eine Volumenveränderung des
Zwischenraumes bewirkt, womit eine Einstellung der
interferometischen Charakteristiken des Fabry-
Perot′schen Interferometers erhalten wird.
8. Variable Interferometeranordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (55,
66, 77, 88) ein Magnetfeld in der Nähe der beiden
reflektierenden Substanzen erzeugen und dabei min
destens eine der reflektierenden Substanzen ver
formen.
9. Variable Interferometeranordnung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur
Erzeugung des Magnetfeldes aus einer Magnetspule
(66) bestehen, die eine elektromagnetische Kraft
erzeugt und einem Steuerschaltkreis zur Steuerung
des elektrischen Stromes, der durch diese Spule
fließt oder der elektrischen Spannung, die an diese
Spule angelegt wird, wodurch mindestens eine der
reflektierenden Substanzen durch eine elektromagne
tische Kraft verformt wird, die durch Anlegen eines
Stromes oder einer Spannung an diese Spule erzeugt
wird, was eine Volumenänderung des Zwischenraumes
bewirkt, wodurch die interferometrischen Charakteris
tiken des Fabry-Perot′schen Interferometers gesteu
ert werden.
10. Variable Interferometeranordnung mit einem Fabry-
Perot′schen Interferometer, dadurch gekennzeichnet,
daß das Interferometer durch Verbinden einer ersten
reflektierenden Substanz (10), die in ihrer einen
Oberfläche einen Hohlraum aufweist und einer zweiten
reflektierenden Substanz (1) geschaffen wird, wo
durch zwischen den beiden reflektierenden Substanzen
ein Zwischenraum entsteht.
11. Verfahren zur Herstellung einer Interferometeranord
nung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Ausbilden von Abstandhaltern und Glasfilmen mit niedrigem Schmelzpunkt auf mindestens einer von zwei reflektierenden Substanzen, die ein Fabry- Perot′sches Interferometer bilden,
Erwärmen und Zusammendrücken der beiden reflektie renden Substanzen, womit diese mit einem Zwischen raum zwischen ihnen, der durch die Abstandhalter ge bildet wird, verbunden werden und
Anordnen eines optischen Systems, das Licht auf die reflektierenden Substanzen richtet und das reflek tierte oder transmittierte Licht von den reflek tierenden Substanzen erfaßt sowie von Einrichtungen, die die interferometischen Charakteristiken des Interferometers verändern.
Ausbilden von Abstandhaltern und Glasfilmen mit niedrigem Schmelzpunkt auf mindestens einer von zwei reflektierenden Substanzen, die ein Fabry- Perot′sches Interferometer bilden,
Erwärmen und Zusammendrücken der beiden reflektie renden Substanzen, womit diese mit einem Zwischen raum zwischen ihnen, der durch die Abstandhalter ge bildet wird, verbunden werden und
Anordnen eines optischen Systems, das Licht auf die reflektierenden Substanzen richtet und das reflek tierte oder transmittierte Licht von den reflek tierenden Substanzen erfaßt sowie von Einrichtungen, die die interferometischen Charakteristiken des Interferometers verändern.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß der Glasfilm mit niedrigem Schmelzpunkt zumin
dest SiO2 und PbO enthält und einen Erweichungspunkt
in der Größenordnung von 350°C bis 480°C aufweist,
wobei der Glasfilm durch eine Aufsprühmethode oder
durch ein Elektrodenstrahldampfabscheiden aufgebracht
wird.
13. Verfahren zur Herstellung einer Interferometeranord
nung, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- - Ausbilden eines Elektrodenfilmes auf der Ober fläche einer ersten reflektierenden Substanz und eines leitenden oder halbleitenden Filmes auf der Oberfläche einer zweiten reflektieren den Substanz,
- - Erwärmen der beiden reflektierenden Substanzen auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der reflektierenden Substanzen derart, daß die Leiter- oder Halbleiter-Filme auf der zweiten reflektierenden Substanz in Berührung mit der ersten reflektierenden Substanz stehen,
- - Anlegen einer Gleichspannung an den Elektroden film der ersten reflektierenden Substanz und an die Leiter- oder Halbleiter-Filme der zweiten reflektierenden Substanz, wodurch die beiden reflektierenden Substanzen miteinander verbun den werden und zwar mit einem Zwischenraum zwischen sich, womit ein Fabry-Perot′scher Interferometer entsteht und
- - Anordnen eines optischen Systemes, das Licht auf die reflektierenden Substanzen richtet und reflektiertes oder transmittiertes Licht von den reflektierenden Substanzen erfaßt und Ein richtungen, die die interferometrischen Charak teristiken des Interferometers ändern.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leiter- oder Halbleiter-Filme nicht nur als
Elektrode dienen sondern auch als Abstandhalter,
durch den die beiden reflektierenden Schichten mit
einem Zwischenraum zwischen sich verbunden werden.
15. Optischer Sensor mit einer Lichtquelle, gekennzeich
net durch eine erste Fabry-Perot′sche Interfero
meteranordnung (42), deren interferometrische Eigen
schaften bzw. Charakteristiken sich mit einer
physikalischen Größe eines zu messenden Objektes
verändern, durch lichtteilende Einrichtungen (44),
die das Licht von der Lichtquelle (41) in einen
ersten und einen zweiten Lichtstrahl aufteilen,
durch eine zweite Fabry-Perot′sche Interferometer
anordnung (46), die als Referenzstandard dient, wo
bei deren Betriebsbedingungen auf feste Werte fest
gesetzt werden, mit einem ersten Photodetektor (45),
der den ersten Lichtstrahl von den lichtteilenden
Einrichtungen (44) empfängt, der durch die zweite
Fabry-Perot′sche Interferometeranordnung (46) gelau
fen ist, mit einem zweiten Photodetektor (46), der
den zweiten Lichtstrahl von der lichtteilenden Ein
richtung (44) empfängt, der durch die zweite Fabry-
Perot′sche Interferometeranordnung (46) gelaufen
ist und mit einem Signalverarbeitungsschaltkreis,
der das Ausgangssignal des ersten Photodetektors
(45) mit dem Ausgangssignal des zweiten Photodetek
tors (46) vergleicht zur Bestimmung der physika
lischen Größe des zu messenden Objektes.
16. Optischer Sensor nach Anspruch 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Einfallswinkel, unter dem der erste
Lichtstrahl (a) auf die zweite Fabry-Perot′sche
Interferometeranordnung (46) auftrifft, sich von
dem Einfallswinkel, unter dem der zweite Lichtstrahl
(b) auf die zweite Fabry-Perot′sche Interferometer
anordnung (46) auftrifft, unterscheidet.
17. Optischer Sensor nach Anspruch 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß die interferometrischen Charakteris
tiken in einem Bereich (49 A) der zweiten Fabry-
Perot′schen Interferometeranordnung, durch den der
erste Lichtstrahl läuft, sich von denen eines Be
reiches (49 B) der zweiten Fabry-Perot′schen Inter
ferometeranordnung, durch den der zweite Lichtstrahl
läuft, unterscheiden.
18. Optischer Sensor mit einer Lichtquelle, gekenn
zeichnet durch eine erste Fabry-Perot′sche Inter
ferometeranordnung (42), deren interferometrischen
Charakteristiken sich mit einer physikalischen Größe
eines zu messenden Objektes verändern mit licht
teilenden Einrichtungen (47), die das Licht von der
Lichtquelle (41) in einen ersten Lichtstrahl und
einen zweiten Lichtstrahl aufteilen, mit einer
zweiten (49 A) und einer dritten (49 B) Fabry-Perot′
schen Interferometeranordnung, die als Referenz
standard dienen, wobei die Betriebsbedingungen der
selben auf feste Werte festgesetzt werden, mit einem
ersten Photodetektor (45), der den ersten Licht
strahl von den lichtteilenden Einrichtungen (47)
durch die zweite Fabry-Perot′sche Interferometer
anordnung (49 A) empfängt, mit einem zweiten Photo
detektor (46), der den zweiten Lichtstrahl von den
lichtteilenden Einrichtungen (47; 48) empfängt, der
durch die dritte Fabry-Perot′sche Interferometer
anordnung (49 B) hindurchläuft und mit einem Signal
verarbeitungsschaltkreis, der das Ausgangssignal
des ersten Photodetektors (45) mit dem Ausgangs
signal des zweiten Photodetektors (46) vergleicht
zur Bestimmung der physikalischen Größe des zu
messenden Objektes.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3645238A DE3645238C2 (de) | 1985-11-26 | 1986-11-26 | Optischer Sensor |
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP26668085A JPS62126303A (ja) | 1985-11-26 | 1985-11-26 | 光応用センサ |
JP28595985A JPS62144033A (ja) | 1985-12-18 | 1985-12-18 | 光学式センサ |
JP10298986A JPS62257032A (ja) | 1986-04-30 | 1986-04-30 | 可変干渉装置 |
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