DE3729382A1 - Optische sensoranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Sensor­ anordnung mit einer Lichtsendeeinrichtung, die ein im wesentlichen paralleles Lichtbündel über ein optisches Sensorelement zu einer Lichtempfangseinrichtung leitet.

Eine solche optische Sensoranordnung ist aus der DE-OS 34 21 004 bekannt. Hierbei erzeugt eine Lichtsende­ einrichtung, die aus einem das Licht zuführenden Licht­ wellenleiter und einer Sendelinse besteht, ein nahezu paralleles Lichtbündel. Dieses Lichtbündel wird über mindestens einen Polarisator und ein optisches Sensor­ element zu einer Lichtempfangseinrichtung geführt, die eine Empfangslinse und einen das Licht abführenden Licht­ wellenleiter enthält. Die Linsen erzeugen ein nicht ganz paralleles Lichtbündel, d.h. das Lichtbündel ist leicht divergent. Der optimale Abstand, bei dem die geringsten Koppelverluste zwischen der Sende- und Empfangseinrichtung gegeben sind, liegt bei der Summe der Brennweiten der beiden Linsen. Die Brennweite wird dabei durch die optischen Elemente und das Sensorelement etwas verändert.

Die Empfindlichkeit der Sensoranordnung wird durch die Weglänge des Lichtbündels durch das Sensorelement bestimmt. Soll die Empfindlichkeit eines solchen Sensors verbessert werden, d.h. ein größeres Sensorelement wird verwendet, vergrößert sich auch die Weglänge des Licht­ bündels durch das Sensorelement. Dadurch wird eine Linse mit einer größeren Brennweite erforderlich, um eine optimale Kopplung zu erreichen. Daraus folgt eine Vergrößerung des Querschnittes des Lichtbündels, welches durch das Sensorelement geleitet wird. Da bei spannungs­ optischen Sensorelementen die Verläufe der mechanischen Spannungen im allgemeinen nicht homogen verteilt sind, bedeutet eine Vergrößerung des Lichtbündelquerschnittes eine Verzerrung der Sensorkennlinie.

Aus der DE-OS 34 21 004 ist noch eine weitere optische Sensoranordnung bekannt, bei der die Lichtsendeeinrichtung auch die Lichtempfangseinrichtung darstellt. Das von der Lichtsendeeinrichtung erzeugte parallele Lichtbündel wird über einen Polarisator und das optische Sensorelement auf eine Spiegelschicht geleitet, die das Lichtbündel zur Lichtsende- bzw. Lichtempfangseinrichtung reflektiert. Bei dieser Anordnung kann ebenfalls eine Verzerrung des Meßsignals auftreten, wenn der Lichtbündelquerschnitt vergrößert wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine optische Sensoranordnung zu schaffen, bei der auch bei großen Weglängen des Lichtbündels durch das optische Sensorelement die Koppelverluste gering sind und der Querschnitt des Lichtbündels so klein gehalten wird, daß keine Verzerrungen auftreten.

Eine erste Lösung, die diese Aufgabe bei einer optischen Sensoranordnung der eingangs genannten Art löst, ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lichtsendeeinrichtung und Sensorelement eine erste Linse zur Erzeugung eines konvergenten Lichtbündels und zwischen Sensorelement und Lichtempfangseinrichtung eine zweite Linse, die aus dem konvergenten Lichtbündel ein im wesentlichen paralleles Lichtbündel erzeugt, angeordnet sind, deren Brennpunkte im Sensorelement zusammenfallen.

Die optische Sensoranordnung enthält bei dieser Lösung erfindungsgemäß eine erste Linse, die aus dem parallelen Lichtbündel ein konvergentes Lichtbündel, und eine zweite Linse, die aus dem konvergenten Lichtbündel ein paralleles Lichtbündel erzeugt. Die Größe des maximalen Querschnitts des von der ersten Linse erzeugten konvergenten Licht­ bündels ist nur von dem Querschnitt des parallelen Licht­ bündels abhängig, der von der Lichtsendeeinrichtung geliefert wird. Die Lichtsendeeinrichtung kann z.B. aus einem Lichtleiter mit Kugellinse oder SELFOC-Linse bestehen oder aus einem Lichtleiter, dessen Endfläche so ausgebildet ist, daß ein weitgehend paralleles Lichtbündel erzeugt wird. Die Größe des Lichtbündelquerschnitts wird dabei durch die Brennweite des das parallele Lichtbündel erzeugenden Systems bestimmt. Der optimale Abstand zwischen der ersten und zweiten Linse liegt vor, wenn deren Brennpunkte zusammenfallen. Die Brennweite wird durch die Brechung des Lichtbündels im optischen Sensor­ element etwas verändert. Da der Lichtbündelquerschnitt sehr klein gehalten werden kann, ist das Auftreten von Kennlinienverzerrungen aufgrund nicht homogener Spannungs­ verläufe im optischen Sensorelement weitgehend ausge­ schlossen.

Eine zweite Lösung, die diese Aufgabe bei einer optischen Sensoranordnung der eingangs genannten Art löst, wobei hinter dem Sensorelement eine reflektierende Schicht ange­ ordnet ist, die das von der Lichtsendeeinrichtung erhaltene Lichtbündel zur Lichtempfangseinrichtung reflek­ tiert, ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der aus Lichtsende- und Lichtempfangseinrichtung bestehenden Vorrichtung und dem Sensorelement eine Linse zur Erzeugung eines konvergenten Lichtbündels angeordnet ist, deren Brennpunkt auf der reflektierenden Schicht liegt.

Bei der zweiten Lösung wird nur eine einzige Linse benötigt, durch die das gesendete und reflektierte Licht­ bündel hindurchgeht. Der optimale Abstand der Linse von der reflektierenden Fläche ist dann gegeben, wenn der Brennpunkt der Linse auf der reflektierenden Fläche liegt. Die Lage des Brennpunktes wird durch die Brechung des Lichtes im optischen Sensorelement leicht verändert.

Bei einem optischen Gassensor, der die Konzentration des Gases bestimmen soll, wird die Gasabsorption des Licht­ bündels bestimmt. Einem solchen Gassensor kann unpolarisiertes Licht zugeführt werden. Bei einem Sensor­ element, dessen Funktionsweise auf natürlicher oder induzierter Doppelbrechung (Photoelastizität, magneto­ optische und elektrooptische Effekte) beruht, verändert die Meßgröße die Lichtintensität, die die Sensoranordnung passiert. Eine Lichtintensitätsveränderung kann hier nur bei polarisiertem Licht ermittelt werden. Daher ist bei der ersten Lösung vorgesehen, daß zwischen der Lichtsende­ einrichtung und der ersten Linse ein Polarisator und zwischen der zweiten Linse und der Lichtempfangs­ einrichtung ein Analysator angeordnet ist.

Der Polarisator erzeugt aus dem unpolarisierten Licht der Lichtsendeeinrichtung linear polarisiertes Licht, das von dem Sensorelement durch die Meßgröße entweder in elliptisch polarisiertes Licht verändert wird oder dessen Polarisationsvektor gedreht wird. Der Analysator erzeugt hieraus wieder linear polarisiertes Licht, d.h. eine Komponente des elliptisch polarisierten Lichtes oder des gedrehten Polarisationsvektors wird über die Licht­ empfangseinrichtung zu einer Auswerteeinheit gegeben.

Bei der zweiten Lösung ist vorgesehen, daß zwischen der Lichtsendeeinrichtung, die auch Lichtempfangseinrichtung ist, und der Linse ein Polarisator angeordnet ist.

Wird bei der zweiten Lösung eine getrennte Lichtsende- und Lichtempfangseinrichtung verwendet, ist ein als Polarisa­ tionsteiler ausgebildeter Polarisator vorgesehen, der zwischen Lichtsendeeinrichtung und Linse angeordnet ist, und der einen Teil des von der reflektierenden Schicht reflektierten Lichts auf die Lichtempfangseinrichtung lenkt.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist bei beiden Lösungen vorgesehen, daß die Lichtsendeeinrichtung bzw. Lichtempfangseinrichtung einen das Licht zu- bzw. abführenden Lichtleiter mit einer das parallele Licht erzeugenden bzw. empfangenen Koppellinse enthält, deren Brennweite kleiner ist als die Brennweite der anderen Linsen. Der optimale Abstand zwischen Koppellinse und der nächstliegenden Linse ist durch den Gesamtabstand der Brennweiten gegeben. Die Brennweite der Koppellinse sollte so gering gewählt werden, daß der maximale Querschnitt des Lichtbündels im Sensorelement so klein ist, daß keine Verzerrungen der Sensorkennlinie auftreten.

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

Fig. 1 eine optische Sensoranordnung mit einer entgegenge­ setzt angeordneten Lichtsende- und Lichtempfangs­ einrichtung,

Fig. 2 eine optische Sensoranordnung mit einer gemeinsamen Lichtsende- und Lichtempfangseinrichtung, bei der das Lichtbündel von einer reflektierenden Schicht reflektiert wird, und

Fig. 3 eine optische Sensoranordnung mit einer getrennten Lichtsende- und Lichtempfangseinrichtung, bei der das Lichtbündel von einer reflektierenden Schicht reflektiert wird.

Die in Fig. 1 dargestellte Lichtsendeeinrichtung 1 enthält einen Lichtleiter 2 und eine Koppellinse 3 mit einer Brennweite f 1, die das vom Lichtleiter 2 abgestrahlte divergente Lichtbündel in ein weitgehend paralleles Licht­ bündel umformt. Das von der Koppellinse 3 abgestrahlte unpolarisierte Licht wird über einen Polarisator 4 gegeben, der linear polarisiertes Licht erzeugt. Eine nachgeordnete Viertelwellenlänge-Verzögerungsplatte 5 bildet aus dem linear polarisierten Licht zirkular polarisiertes Licht. Das von der Verzögerungsplatte 5 abgestrahlte parallele Lichtbündel wird in einer ersten Linse 6, deren Brennweite f 2 sehr viel größer ist als die Brennweite f 1 der Koppellinse 3, in ein konvergentes Lichtbündel umgesetzt. Damit geringe Koppelverluste auf­ treten, sollte der Abstand zwischen Linse 3 und Linse 6 gleich der Summe der beiden Brennweiten f 1 und f 2 der Linsen 3 und 6 sein.

Hinter der ersten Linse 6 ist ein optisches Drucksensor­ element 7 angeordnet, das bei einer Druckbelastung das zirkular polarisierte Licht in ein elliptisch polarisiertes Licht umwandelt. Das aus dem Drucksensor­ element 7 austretende Lichtbündel wird in einer zweiten Linse 8, deren Brennweite f 3 gleich der Brennweite f 2 der ersten Linse 6 ist, zu einem im wesentlichen parallelen Lichtbündel umgeformt. In einem der zweiten Linse 8 nachgeschalteten Analysator 12 wird aus dem elliptisch bzw. zirkular polarisierten Licht linear polarisiertes Licht herausgefiltert, das auf eine Lichtempfangs­ einrichtung 9 gegeben wird. Die Lichtempfangseinrichtung 9 enthält eine weitere Koppellinse 10 mit einer Brenn­ weite f 4, die das parallele Lichtbündel auf einen Licht­ leiter 11 fokussiert. Der optimale Abstand zwischen der zweiten Linse 8 und der Koppellinse 10 ist ebenfalls duch die Summe der beiden Brennweiten f 3 und f 4 der Linsen 8 und 10 gegeben. Der Lichtleiter 11 wird zu einer hier nicht näher dargestellten Auswerteeinheit geführt, in der die Größe des auf das optische Sensorelement 7 einwirkenden Druckes bestimmt wird.

Der Abstand zwischen der ersten und zweiten Linse 6 und 8 ist bezüglich einer optimalen Kopplung zwischen Sende- und Empfangslichtleiter 1 und 9 ebenfalls durch die Summe der Brennweiten f 2 und f 3 der beiden Linsen 6 und 8 gegeben. Die Brennweiten der einzelnen Linsen werden durch die Brechung des Lichtbündels im optischen Sensorelement bzw. in den optischen Komponenten leicht verändert. Besteht das optische Sensorelement 7 z.B. aus Quarzglas, wird der Abstand zwischen den Linsen 6 und 8 um ein Drittel der Länge des optischen Sensorelementes verlängert gegenüber einer Lichtkopplung der beiden Linsen 6 und 8 ohne eine optische Komponente. Der Polarisator 4, die Verzögerungsplatte 5 und der Analysator 12 können auch zwischen den Linsen 6 und 8 angeordnet werden.

Die Brennweiten f 1 und f 4 der Koppellinsen 3 und 10 sollten so klein gewählt werden, daß der Querschnitt des von ihr erzeugten parallelen Lichtbündels sehr klein gehalten werden kann. Zwischen die Linsen 6 bzw. 8, die aus diesem Lichtbündel ein konvergentes Lichtbündel erzeugen, können auch optische Sensorelemente mit sehr großen Lichtweglängen eingesetzt werden. Eine Verzerrung der Sensorkennlinie aufgrund nicht homogener Spannungs­ verläufe im optischen Sensorelement 7 wird durch den geringen Lichtbündelquerschnitt, der sich im Sensor­ element 7 noch zum Brennpunkt hin verringert, weitgehend ausgeschlossen.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Lichtsendeeinrichtung 15 dient hier ebenfalls als Lichtempfangseinrichtung und besteht aus einem Lichtleiter 16 und einer kurzbrennweitigen Linse 17 mit der Brennweite f 5. Das von der Koppellinse 17 erzeugte parallele Lichtbündel wird über einen Polarisa­ tor 18 und eine Achtelwellenlängen-Verzögerungsplatte 19, die elliptisch polarisiertes Licht erzeugt, auf eine Linse 20 gegeben, deren Brennweite f 6 sehr viel größer ist als die Brennweite f 5 der Koppellinse 17. Das von der Linse 20 gebildete konvergente Lichtbündel wird auf eine reflektierende Schicht 21, z.B. eine Spiegelschicht, fokussiert. Zwischen der Linse 20 und der Spiegel­ schicht 21 ist ein optisches Drucksensorelement 22 ange­ ordnet. Das von der Spiegelschicht 21 reflektierte Licht­ bündel wird über das optische Drucksensorelement 22, die Linse 20, die Verzögerungsplatte 19 und den Polarisator 18 auf die Lichtsende- bzw. Lichtempfangseinrichtung 15 zurückgeleitet. Der optimale Abstand zwischen der Linse 20 und der Spiegelschicht 21 ist durch deren Brennweite gegeben. Die Brennweite der Linse 20 wird auf der Seite des Sensorelementes durch das optische Sensorelement 22 ebenfalls leicht verändert.

Wird der Polarisator als Polarisationsteiler, z.B. als Polarisationsteilerwürfel, ausgebildet, so kann, wie das in Fig. 3 dargestellt ist, eine getrennte Lichtsende­ einrichtung und Lichtempfangseinrichtung verwendet werden. Das von der Lichtsendeeinrichtung 15, die aus dem Lichtleiter 16 und der Koppellinse 17 besteht, abge­ strahlte Licht wird über den als Polarisationsteilerwürfel ausgebildeten Polarisationsteiler 23, die Verzögerungs­ platte 19, die Linse 20 und das optische Drucksensor­ element 22 auf die Spiegelfläche 21 gegeben. Das reflektierte Lichtbündel wird von dem Polarisationsteiler­ würfel 23 in eine um 90° gegenüber der Lichtsende­ einrichtung versetzen Lichtempfangseinrichtung 26 eingestrahlt. Die Lichtempfangseinrichtung 26 enthält ebenfalls eine Koppellinse 24 und einen Lichtleiter 25. Die optimale Kopplung zwischen den Linse 17, 20 und 24, der Spiegelschicht 21 und den Lichtleitern 16 und 25 ist ebenfalls dadurch gegeben, daß die Brennpunkte der benachbarten Linsen bzw. der Brennpunkt einer Linse auf der Spiegelschicht 21 bzw. auf der Endfläche eines Licht­ leiters liegt.

Die optische Sensoranordnung kann auch ein Sensorelement mit natürlicher Doppelbrechung zur Temperaturmessung oder ein Sensorelement mit einer durch magnetische oder elektrische Felder induzierten Doppelbrechung enthalten. Bei solchen Sensorelementen ist es dann häufig erforder­ lich, Verzögerungsplatten mit z.B. einer Verzögerung von einer halben Wellenlänge einzusetzen.

Claims (6)

1. Optische Sensoranordnung mit einer Lichtsende­ einrichtung (1), die ein im wesentlichen paralleles Licht­ bündel über ein optisches Sensorelement (7) zu einer Lichtempfangseinrichtung (9) leitet, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lichtsende­ einrichtung (1) und Sensorelement (7) eine erste Linse (6) zur Erzeugung eines konvergenten Lichtbündels und zwischen Sensorelement (7) und Lichtempfangseinrichtung (9) eine zweite Linse (8), die aus dem konvergenten Lichtbündel ein im wesentlichen paralleles Lichtbündel erzeugt, angeordnet sind, deren Brennpunkte im Sensorelement (7) zusammen­ fallen.

2. Optische Sensoranordnung mit einer Lichtsende­ einrichtung (15), die ein im wesentlichen paralleles Lichtbündel über ein optisches Sensorelement (22) zu einer Lichtempfangseinrichtung (15, 26) leitet, wobei hinter dem Sensorelement (22) eine reflektierende Schicht (21) angeordnet ist, die das von der Lichtsendeeinrichtung (15) erhaltene Lichtbündel zur Lichtempfangseinrichtung (15, 26) reflektiert, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der aus Lichtsende- und Lichtempfangseinrichtung bestehenden Vorrichtung (15, 26) und dem Sensorelement (22) eine Linse (20) zur Erzeugung eines konvergenten Lichtbündels angeordnet ist, deren Brennpunkt auf der reflektierenden Schicht (21) liegt.

3. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtsende­ einrichtung (1) und der ersten Linse (6) ein Polarisator (4) und zwischen der zweiten Linse (8) und der Lichtempfangseinrichtung (9) ein Analysator (12) ange­ ordnet ist.

4. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtsende­ einrichtung (15), die auch Lichtempfangseinrichtung ist, und der Linse (20) ein Polarisator (18) angeordnet ist.

5. Optische Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lichtsende­ einrichtung (15) und Linse (20) ein als Polarisations­ teiler (23) ausgebildeter Polarisator angeordnet ist, der einen Teil des von der reflektierenden Schicht (21) reflektierten Lichts auf die Lichtempfangseinrichtung (26) lenkt.

6. Optische Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtsende­ einrichtung (1; 15) bzw. Lichtempfangseinrichtung (9; 15, 26) einen das Licht zu- bzw. abführenden Lichtleiter (2, 11; 16, 25) mit einer das parallele Licht erzeugenden bzw. empfangenen Koppellinse (3, 10; 17, 24) enthält, deren Brennweite kleiner ist als die Brennweite der anderen Linsen (6, 8; 20).