DE3645238C2

DE3645238C2 - Optischer Sensor

Info

Publication number: DE3645238C2
Application number: DE3645238A
Authority: DE
Inventors: Masayuki Katagiri; Masanori Watanabe; Kazutaka Uda; Masaya Hijikigawa; Shuhei Tsuchimoto; Yasuhiko Inami
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1985-11-26
Filing date: 1986-11-26
Publication date: 1996-11-07
Anticipated expiration: 2006-11-27

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sensor nach den Ansprüchen 1 oder 2 zur Messung von externen physikalischen Größen.

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-P´rot′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-P´rot′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-P´rot′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 zusam menzieht bzw. ausdehnt und so die Platte 501 verschiebt, wo mit 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 interferometrischen Charakteristiken der Anordnung zu verändern, 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 wer den, was die Herstellung des Fabry-P´rot′schen Interferome ters sehr schwierig macht. Darüberhinaus müssen thermische Ausdehnungen des Halters 502, die durch Temperaturschwankun gen der Atmosphäre hervorgerufen werden, berücksichtigt wer den, da sich hierdurch ebenfalls der Abstand zwischen den reflektierenden Filmen verändert. Die Steuerung bzw. Ein stellung des Abstandes zwischen den reflektierenden Filmen mittels eines piezoelektrischen Elements ist also äußerst schwierig.

Herkömmliche optische Sensoren, die kleine und kostengünsti ge Lichtquellen, wie zum Beispiel lichtemittierende Dioden (LED) etc. verwenden, sind so aufgebaut, daß das Licht von einer Lichtquelle, die Licht mit einem relativ breiten Wel lenlängenband abstrahlen kann, durch eine erste Fabry- P´rot′sche Interferometeranordnung läuft, deren Charakteri stiken sich mit einer physikalischen Größe eines zu messenden Objektes ändern, und dann durch eine zweite Fabry-P´rot′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-P´rot′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.

Die DE-OS 36 25 703 zeigt eine optische Meßvorrichtung zur Messung von physikalischen Größen, in der ein Lichtstrahl von einer Lichtquelle durch ein erstes Fabry-P´rot′sches Interferometer auf einen ersten Fotodetektor bzw. durch das erste und ein zweites Fabry-P´rot′sches Interferometer auf einen zweiten Fotodetektor geleitet wird. Eine Signalverarbeitungsschaltung wertet die von den Fotodetektoren durch das auftreffende Licht erzeugten Meßsignale aus.

Die GB 2 145 237 zeigt ein Verfahren zur Verstärkung einer spektralen Verschiebung der Übertragungsspitzen eines Fabry-P´rot′schen Interferometers, in welchem das Ausgangssignal eines Lasers über einen bestimmten Wellenlängenbereich abgetastet und durch ein erstes Fabry-P´rot′sches Interferometer und danach durch ein zweites Fabry-P´rot′sches Interferometer auf Fotodetektoren gestrahlt wird, deren Ausgangssignale durch eine signalverarbeitende Anlage verarbeitet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen hochpräzisen optischen Sensor zu schaffen, der physikalische Größen in einem weiten Dynamikbereich messen kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 2 gelöst.

Die variable Interferometeranordnung des erfindungsgemäßen optischen Sensors enthält ein Fabry-P´rotches Interferometer, das aus zwei reflektierenden Sub stanzen besteht, die einander mit einem Zwischenraum zwischen sich gegenüberliegen, wobei dieser Zwischen raum durch Abstandshalter gebildet wird. Die Abstandshalter können mittels Dampfabscheiden, Aufsprühen, chemischen Dampfabscheiden, Schleuderbeschichten oder Siebdrucken als Film herge stellt sein.

Die variable Interferometeranordnung enthält weiterhin Einrichtungen, die zumindest eine der reflektierenden Substanzen, die das Fabry-P´rot′sche Interferometer bilden, verformen, womit sich die Interferenzeigenschaften des Fabry-P´rot′schen Interferometers verändern.

Eine der reflektierenden Substanzen kann durch ein Substrat ersetzt sein, auf dem ein Photodetektor ausgebildet ist, was zu einem integrierten Aufbau in einem einzigen Körper führt, der ein Fabry-P´rot′sches Interferometer und den Photodetek tor enthält.

Die beiden reflektierenden Substanzen können so miteinander verbunden sein, daß die Abstandhalter und klebende Schichten aus Glas mit niedrigem Schmelzpunkt zwischen den reflektierenden Sub stanzen sandwichartig "eingepackt" sind, womit man ein Fabry-P´rot′sches Interferometer enthält. Die Einrich tungen zum Verformen mindestens einer der reflektierenden Substanzen können eine elektrostatische Kraft zwischen den beiden reflektierenden Substanzen bewirken, 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-P´rot′ 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 Magnetspüle 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 Interferenzeigenschaften des Fabry-P´rot′ schen Interferometers gesteuert werden.

Die variable Interferometeranordnung enthält ein Fabry-P´rot′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.

Ein nicht erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der variablen Interfero meteranordnung besteht in folgenden Schritten:
Herstellung von Abstandhaltern und Glasfilmen mit nied rigem Schmelzpunkt auf mindestens einer von zwei reflek tierenden Substanzen, die ein Fabry-P´rot′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.

Der Glasfilm mit niedrigem Schmelzpunkt kann zumindest SiO₂ und PbO enthalten 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 nicht erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der variablen Interfero meteranordnung, läuft folgendermaßen ab:
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-P´rot′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.

Die Halb leiter-Filme können nicht nur als Elektrode, sondern auch als Abstandhalter wirken mittels derer die beiden reflektierenden Substanzen mit einem Zwischenraum zwischen sich verbunden werden, der durch die Leiter- oder die Halbleiterfilme gebildet wird.

In einem erstem Ausführungsbeispiel sind der Ein fallswinkel des ersten Lichtstrahles, der auf das zweite Fabry-P´rot′sche Interferometer fällt und der des zweiten Lichtstrahles, der auf das zweite Fabry-P´rot′sche Interferometer fällt, voneinander verschieden.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel sind die inter ferometrischen Charakteristiken in einem Bereich des zweiten Fabry-P´rot′schen Interferometers, durch die der erste Lichtstrahl läuft, unterschiedlich von denen in einem anderen Bereich des zweiten Fabry-P´rot′schen Interferometers, durch den der zweite Lichtstrahl läuft.

Der optische Sensor nach der Erfindung, enthält eine Lichtquelle, eine erste Fabry-P´rot'sche Interferometeranordnung, deren Interferenzeigenschaften 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, ein zweites Fabry-P´rot′sches Interferometer wobei dessen optische Weglänge während der Messung der physikalischen Größen unveränderlich ist, einen ersten Photodetektor, der den von den lichtteilenden Einrichtungen abgestrahlten ersten Lichtstrahl, der durch das zweite Fabry-P´rot′sche Inter ferometer gelaufen ist, empfängt, einen zweiten Photodetektor, der den von den lichtteilenden Einrichtun gen abgestrahlten zweiten Lichtstrahl, der durch das zweite Fabry-P´rot′sche Interferometer 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:

- es wird eine hochpräzise Interferometeranordnung geschaffen, die leicht herstellbar ist und mit überlegener Produktionseffizienz;
- es wird ein miniaturisiertes Spektrometer geschaf fen, das keine mechanisch betätigbaren Teile ent hält; und
- es wird ein hochpräziser optischer Sensor ge schaffen, der physikalische Größen in einem weiten 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- P´rot′schen Interferometers, das die Haupt komponente der variablen Interferometer anordnung 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 verwendet wird;

Fig. 6 eine Seitenansicht eines weiteren Interfero meters, das bei der variablen Interferometer anordnung verwendet wird;

Fig. 7(a) eine Seitenansicht einer variablen Interfero meteranordnung;

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;

Fig. 10 eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren variablen Interferometeranordnung;

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer weiteren variablen Interferometeranordnung;

Fig. 12 eine charakteristische Kurve der interfero metrischen Charakteristiken der Anordnung der Fig. 11;

Fig. 13 eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren variablen Interferometeranordnung;

Fig. 14 eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren variablen Interferometeranordnung;

Fig. 15 eine schematische Darstellung eines optischen Sensors nach einem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 16 eine schematische Darstellung eines ersten Fabry-P´rot′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 einem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 19 eine schematische Darstellung eines zweiten Fabry-P´rot′schen Interferometers des optischen Sensors der Fig. 18; und

Fig. 20 eine Seitenansicht einer herkömmlichen Fabry- P´rot′schen Interferometeranordnung, die mit einem piezoelektrischen Element ausgestattet ist.

Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele

Die Beispiele 1-9 beziehen sich auf nicht erfindungsgemäße Arten und Herstellungsverfahren von Fabry-P´rot'schen Interferometern gemäß der DE-OS 36 40 340 der Anmelderin; die Beispiele 10 und 11 beschreiben erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele.

Beispiel 1

Fig. 1 zeigt ein Fabry-P´rot′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- P´rot′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-P´rot′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-P´rot′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-P´rot′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- P´rot′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-P´rot′ sche Transmittanz T(λ) dann ein Maximum, wenn der Wert der Wellenlänge λm den durch die nachfolgende Formel (1) bestimmten Wert hat:

λm = 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 Interferometers 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-P´rot′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.

Beispiel 2

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 werden Herstell schritte des Fabry-P´rot′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 wünschenswert, 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 dem 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-P´rot′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.

Beispiel 3

Ein anderes Herstellverfahren des Fabry-P´rot′schen Interferometers, das für die variable Interferometer anordnung nach der Erfindung verwendet werden kann, 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, das 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.

Beispiel 4

Fig. 6 zeigt ein anderes Fabry-P´rot′sches Interferometer, das wie folgt hergestellt wird: auf einem Teil der Ober fläche eines Si-Substrates 10 wird ein transparenter SiO- 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.

Beispiel 5

Im folgenden wird eine variable Interferometeranord nung, bei der die Interferenzeigenschaften des Fabry-P´rot′schen Interferometers durch Änderung des Ab standes zwischen den reflektierenden Filmen des Fabry- P´rot′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, 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-P´rot′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. deformiert 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 t₀ ist, wenn keine Kraft auf das Substrat 2 ausgeübt wird. t kann dann durch die Formel t = t₀ - αF ersetzt werden, wobei oder 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 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 = εS/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 ε₀ 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 reflexion 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 t₀ bis 2t₀/3 verändert wird.

Nachfolgend werden Materialien beschrieben, die für die reflektierenden Filme nützlich sind:

Die Wellenlängenauflösung des reflektierenden Filmes hängt vom Reflexionsfaktor des reflektierenden Filmes ab. Die Auflösung liegt bei ca. 20 nm, wenn der Reflexions 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 Reflexionsfaktors ver bessert werden. Der Reflexionsfaktors kann in einem be grenzten Wellenlängenbereich auf 99% oder mehr einge stellt werden, wenn man einen mehrschichtigen dielek trischen Film nimmt. Um den Reflexionsfaktor 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 umso kleiner je größer der Reflexionsfaktor des reflektierenden Metall filmes wird. Metalle mit hohem Reflexionsfaktor im sicht baren Bereich (d. h. 400 bis 700 nm) sind Ag (Reflexions faktor 98%), Al (Reflexionsfaktor 92%), etc. Weiterhin sind Metalle, die einen hohen Reflexionsfaktor im nahen Infrarotbereich (d. h. 700 bis 1600 nm) oder im Infrarot bereich (d. h. unter 10 m) haben: Ag (Reflexionsfaktor 99%), Au (Reflexionsfaktor 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 Reflexionsfaktor 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 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.

Beispiel 6

Fig. 10 zeigt eine weitere variable Interferometeranord nung, 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 einen eingebauten Antriebsmechanismus, mit dem die Sub strate innerhalb des Fabry-P´rot′schen Interferometers verformt werden können, womit man einen einfachen Auf bau erhält.

Beispiel 7

Fig. 11 zeigt eine weitere variable Interferometeran ordnung, 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, 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.

Beispiel 9

Fig. 14 zeigt eine weitere variable Interferometeranord nung, 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-P´rot′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.

Beispiel 10

Fig. 15 zeigt einen optischen Sensor, der mit der Fabry- P´rot′schen Interferometeranordnung ausgestattet ist. Es enthält eine lichtemittierende Diode 41, eine erste Fabry- P´rot′sche Interferometeranordnung 42, deren Interferenzeigenschaften 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 ein zweites Fabry-P´rot'sches Interfero meter 43 gerichtet wird, während Licht der ersten Ordnung schräg auf das zweite Fabry-P´rot′sche Interferometer 43 gerichtet wird. Weiterhin enthält sie eine Photodiode 45, die das von dem zweiten Fabry-P´rot′schen Interferometer 43 übertragene Licht der nullten Ordnung empfängt sowie eine Photodiode 46, die das von dem zweiten Fabry-P´rot′schen Interfero meter 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-P´rot′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 dem zweiten Fabry-P´rot′schen Interferometer 43 geleitet. Damit hat das zweite Fabry-P´rot′sche Inter ferometer 43 zwei verschiedene optische Weg längen. Allgemein ist die wirksame optische Weglänge für die Interferenz in einer Fabry-P´rot′schen Inter ferometeranordnung gleich nt. cosΘ, wobei n der Bre chungsindex des Mediums zwischen den einander gegenüber liegenden reflektierenden Filmen, t der Abstand zwischen den reflektierenden Filmen und Θ 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 Θex auf die Fabry-P´rot′sche Interferometeranordnung ist gleich dem Einfallwinkel des Lichtes Θ auf die re flektierenden Filme.

Der Einfallswinkel des Lichtes Θex auf die Fabry-P´rot′ 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 · cosΘ die nachfolgende Formel (5) erfüllt:

nt(1 - cosΘ) = λ₀/8 (5),

wobei λ₀ die Mittenwellenlänge der lichtemittierenden Diode 41 ist. Wie oben erwähnt sind n = 1 und Θex = Θ. Wenn t bzw. λ₀ auf 12 µm bzw. 850 nm festgesetzt wurden, so errechnete sich Θex zu 7,60. Das Beugungsgitter 44 wurde so hergestellt, daß der erste gebeugte Lichtstrahl unter einem Winkel von 7,60 auf das Fabry-P´rot′sche Interferometer 43 gerichtet wurde.

Der optische Sensor mit dem oben beschriebenen Aufbau de tektiert die physikalischen Größen, mit denen die optische Weglänge der ersten Fabry-P´rot′schen Interferometer anordnung 42 verändert wird. Die erste Fabry-P´rot′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. Die erste Fabry-P´rot′sche Interferometeranordnung 42 ist nicht vom Durchgangstyp sondern vom Reflexionstyp. Dies bedeutet, daß Licht zur ersten Fabry-P´rot′schen Inter ferometeranordnung 42 geführt wird und von dieser weg und zwar mittels einer optischen Fasee 16 und einer Mikrolinse 15.

Das zweite Fabry-P´rot′sche Interferometer 43 ist ähnlich aufgebaut wie die erste Fabry-P´rot′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 I₀ und I₁ die Ausgangsleistung der Photodioden 45 und 46 der Fig. 15 darstellen. I₁ ist gegenüber I₀ lediglich um 1/4 Periode verschoben. Trägt man dementsprechend die Ausgangsleistung I₀ und I₁ 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 I₀ 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 I₀ sich von ihrem Maximalwert zu ihrem Minimalwert. Wenn sich die angelegte Kraft von C bis E ändert, so ändert sich die Ausgangsleistung I₀ in der selben Weise. Wenn man also allein den Wert von I₀ 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-P´rot′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 ρ 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 I₀ und I₁ 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-P´rot′schen Inter ferometeranordnung zwischen den beiden Lichtstrahlen zu λ₀/8 festgesetzt. Der Grund hierfür liegt darin, daß I₀ und I₁ so festgesetzt wurden, daß sie um eine Viertel periode gegeneinander verschoben sind. Wenn I₁ gegenüber 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 I₀ und I₁ in Fig. 17(b) anzeigen, leicht aufgezeichnet werden kann.

Beispiel 11

Fig. 18 zeigt einen weiteren optischen Sensor nach der Erfindung. Dieser enthält eine lichtemittierende Diode 41, eine erste Fabry-P´rot′sche Interferometeranordnung 42, deren Interferenzeigenschaften sich mit einer physikalischen Größe eines zu messenden Objektes ändern, 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 49A eines zweiten Fabry-P´rot′schen Interferometers 49 gerichtet ist, während der andere (b) auf einen Bereich 49B des zweiten Fabry-P´rot′schen Interferometers 49 gerichtet ist. Weiterhin sind eine Photodiode 45, die das von dem Bereich 49A des Interferometers 49 abge strahlte Licht empfängt sowie eine Photodiode 46, die das von dem Bereich 49B des Interferometers 49 abge strahlte Licht empfängt, vorgesehen. Schließlich ist ein (nichts 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- P´rot′sche Interferometeranordnung 42 ist vom Reflexions typ und entspricht damit der des Beispieles 10 der Fig. 15. Das zweite Fabry-P´rot′sche Interferometer 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 49A, in welchem kein SiO₂-Film 18 auf der Glasplatte 2 ausgebildet ist, während der Lichtstrahl (b) durch den Bereich 49B läuft, in dem der SiO₂-Film 18 auf der Glasplatte 2 ausgebildet ist. Wenn die optische Weglänge des Fabry-P´rot′schen Interferometers 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 49A und 49B des zweiten Fabry-P´rot′schen Interferometers 49, zwischen denen eine Differenz der optischen Weglänge von λ₀/8 vorhanden ist, gleich I₀ und I₁ ist, so werden Änderungen dieser beiden Ausgangsleistungen erfaßt, wobei Änderungen der optischen Weglänge der ersten Fabry-P´rot′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).

Obwohl die beiden Fabry-P´rot′schen Interferometeranordnungen von Art hohler Anordnungen der Beispiele 10 und 11 sind, können sie auch unterschiedlich sein. Beispielsweise kann die ersten Fabry-P´rot′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-P´rot′sche Interferometer den hohlen Aufbau haben kann. Weiterhin kann die Fabry- P´rot′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-P´rot′schen Interferometeranordnung, deren Innenseite hohl ist, dynamische Größen erfaßt.

Wenn die Fabry-P´rot′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-P´rot′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-P´rot′sche Interfero meter, 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 Anwendung eines externen elektrischen Signales, womit man eine ausgezeichnete Eins-tell- 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 Interferenzeigenschaften eines Fabry- P´rot′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 einem weiteren Interferometer 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 Erfindung 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

Optischer Sensor, mit
einer Lichtquelle (41), die kontinuierlich breitbandiges Licht erzeugt,
einer ersten Fabry-P´rot′schen Interferometeranordnung (42), deren Interferenzeigenschaften sich mit einer zu messenden physikalischen Größe verändern;
einer lichtteilenden Einrichtung (44) zum Teilen des von der ersten Fabry-P´rot′schen Interferometeranordnung ausgesandten Lichtes in einen ersten (a) und einen zweiten (b) Lichtstrahl;
einem zweiten Fabry-P´rot′schen Interferometer, dem die beiden Lichtstrahlen (a und b) unter unterschiedlichen Einfallswinkeln zugeführt werden, wodurch die wirksame optische Weglänge der beiden Strahlen (a, b) im Inter ferometer (43) unterschiedlich ist und wobei die optischen Weglängen während der Messung der physikalischen Größen unveränderlich sind;
einem ersten (45) und einem zweiten (46) Photodetektor hinter dem zweiten Fabry-P´rot′schen Interferometer (43), die jeweils den ersten bzw. zweiten Lichtstrahl empfangen; und
einem Signalverarbeitungsschaltkreis zur Ermittlung der Amplituden der Ausgangssignale der beiden Photodetektoren (45, 46), um dadurch die zu messende physikalische Größe auf Grundlage der Amplituden zu bestimmen.
2. Optischer Sensor, mit einer Lichtquelle (41), die kontinuierlich breitbandiges Licht erzeugt,
einer ersten Fabry-P´rot′schen Interferometeranordnung (42), deren Interferenzeigenschaften sich mit einer zu messenden physikalischen Größe verändern;
einer lichtteilenden Einrichtung (47) zum Teilen des von der ersten Fabry-P´rot′schen Interferometeranordnung ausge sandten Lichtes in einen ersten (a) und einen zweiten (b) Lichtstrahl, wobei die beiden Lichtstrahlen (a und b) parallel zueinander verlaufen;
einem zweiten Fabry-P´rot′schen Interferometer, das zwei unterschiedliche optische Bereiche (49A, 49B) aufweist, wobei der erste Lichtstrahl (a) durch den ersten Bereich (49A) und der zweite Lichtstrahl (b) durch den zweiten Bereich (49B) hindurchgeht, wobei die wirksamen optischen Weglängen der beiden Strahlen (a, b) in den beiden Bereichen (49A, 49B) unterschiedlich sind und wobei die optischen Weglängen während der Messung der physikalischen Größen unveränderlich sind;
einem ersten (45) und einem zweiten (46) Photodetektor hinter dem zweiten Fabry-P´rot′schen Interferometer (49), die jeweils den ersten bzw. zweiten Lichtstrahl (a, b) empfangen; und
einem Signalverarbeitungsschaltkreis zur Ermittlung der Amplituden der Ausgangssignale der beiden Photodetektoren (45, 46), um dadurch die zu messende physikalische Größe auf Grundlage der Amplituden zu bestimmen.
3. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (41) Licht mit einem kontinuierlichen Spektrum erzeugt.