DE3816950A1 - Vorrichtung zur optischen messung einer weglaenge oder einer weglaengenaenderung - Google Patents
Vorrichtung zur optischen messung einer weglaenge oder einer weglaengenaenderungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Vorrichtung zur
Messung einer Weglänge oder einer Weglängenänderung gemäß dem
Oberbegriff des Hauptanspruches.
Die Messung physikalischer Größen, wie z. B. Druck, Temperatur,
Position ist in der industriellen Regelungs- und Automatisierungstechnik
ein zentrales Problem. Die zu messende Größe wird
hierzu mit einem geeigneten Meßwertaufnehmer aufgenommen und in
ein Signal umgewandelt, das zur elektronischen Weiterverarbeitung
oft über größere Entfernungen zu einer Auswerteeinrichtung
weitergeleitet werden muß. Sogenannte faseroptische Sensoren,
die den zu messenden Parameter in ein optisches Signal
umwandeln, sind für derartige Aufgaben aus mehreren Gründen besonders
geeignet. Die Vorteile faseroptischer Sensoren bestehen
im wesentlichen darin, daß zur Signalübertragung zwischen
Auswerteeinheit und Meßwertaufnehmer keine elektrischen
Leitungen erforderlich sind. Meßwertaufnehmer und Auswerteeinheit
sind somit galvanisch getrennt und können ohne besondere
Schutzmaßnahmen beispielsweise in der Hochspannungstechnik
oder in der Medizin eingesetzt werden. Da nur kleine optische
Leistungen zum Betrieb der faseroptischen Sensoren erforderlich
sind, ist auch ihre Verwendung in explosionsgefährdeten
Umgebungen möglich. Außerdem sind faseroptische Sensoren auch
bei größeren Übertragungsstrecken unempfindlich gegen elektromagnetische
Störfelder.
Viele physikalische Meßgrößen, wie z. B. Druck und Temperatur,
lassen sich durch geeignete Meßwertaufnehmer in eine Positionsänderung
umwandeln. Diese Positionsänderung kann beispielsweise
durch die Auslenkung einer druckempfindlichen Membran oder durch
die thermische Dehnung des Bimetallkörpers hervorgerufen werden.
Mittels einer im Meßwertaufnehmer untergebrachten optischen Vorrichtung
wird dann bei faseroptischen Wegaufnehmern die Information
über die Position dem sich vom Aufnehmer zur Auswerteeinheit
ausbreitenden Lichtstrom aufgeprägt. Diese Information
kann beispielsweise in einer Änderung der Intensität oder der
spektralen Zusammensetzung des in den Meßwertaufnehmer über einen
Lichtleiter eingekoppelten Lichtes bestehen.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 36 27 188 ist beispielsweise
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Messung
einer Weglänge bekannt, bei dem das aus einer Lichtleitfaser austretende
Licht wenigstens zwei spektral unterschiedliche Komponenten
enthält, die nach Durchlaufen der zu messenden Weglänge an
unterschiedlichen spiegelnden Flächen reflektiert werden. Die zu
messende Weglänge x ist jeweils in der Intensität der in die
Lichtleitfaser reflektierten unterschiedlichen spektralen Komponenten
des Lichtes enthalten. Da die unterschiedlichen spektralen
Komponenten an unterschiedlichen spiegelnden Flächen reflektiert
werden, ist die sich zwischen Weglänge x und Intensität I des in
die Lichtleitfaser reflektierten Lichtes ergebende Beziehung für
die unterschiedlichen spektralen Komponenten verschieden. Wird
das Verhältnis aus den zu diesen Komponenten gehörenden Empfangssignalen
gebildet, so kann die Weglänge x bei weitgehender Elimination
der Übertragungsverluste in der Lichtleitfaser ermittelt
werden.
Im praktischen Betrieb einer derartigen Vorrichtung gelingt jedoch
eine Elimination der Übertragungsverluste nicht vollständig,
da die Temperaturabhängigkeit der Faserdämpfung für unterschiedliche
Wellenlängen verschieden ist. Neben der Temperaturabhängigkeit
der spektralen Dämpfung der Lichtleitfaser ist auch
eine von der Temperatur abhängige Drift der Wellenlängen der als
Lichtquellen verwendeten LED's zu berücksichtigen. Diese Drift
führt ebenfalls dazu, daß sich die Dämpfung der Lichtleitfaser
für beide spektralen Komponenten nicht gleichmäßig ändert.
Diese Randbedingungen haben zur Folge, daß die beiden spektralen
Komponenten schmalbandig sein und nahe beieinanderliegen müssen.
Außerdem muß dafür Sorge getragen werden, daß die emittierten
Spektren nahezu unabhängig von der Umgebungstemperatur sind. Bei
der Verwendung zweier LED's ist es somit erforderlich, daß diese
thermostatiert werden. Durch die nahe beieinanderliegenden Wellenlängen
der verwendeten Lichtquellen macht sich dann außerdem die
Temperaturdrift des verwendeten Kantenfilters bemerkbar. Bei der
bekannten Vorrichtung ist somit zur Erhöhung der Meßgenauigkeit
und zur Reduktion der Auswertefehler ein hoher zusätzlicher
Aufwand zur Elimination des Einflusses der Umgebungstemperatur
auf das Meßergebnis erforderlich.
Zur Verringerung des Einflusses der temperaturabhängigen Übertragungsfunktion
der Lichtleitfasern ist deshalb ein Wellenlängen-Multiplexverfahren
vorgeschlagen worden, bei dem ineinander
verschachtelte Bandspektren verwendet werden. Aus
"Ph. Dabkiewicz, R. Ulrich, "Fiber-Optic Angular Sensor with
Interleaved Channel Spectra", Opt. Lett., Vol. 11, No. 8, Aug.
1986" ist ein Winkel-Sensor bekannt, bei dem das von einer breitbandigen
Lichtquelle emittierte Licht in zwei Komponenten zerlegt
wird, deren Spektren ineinander verschachtelt sind. Dazu
wird ein Fabry-Perot-Filter verwendet, dessen Interferenzordnung
im Wellenlängen-Bereich der Lichtquelle sehr groß ist, so
daß eine Vielzahl von Spektralbändern transmittiert wird. Das
verwendete Fabry-Perot-Filter ist außerdem doppelbrechend und so
ausgewählt, daß sich die Interferenzordnungen für die beiden
Hauptachsen des Fabry-Perot-Filters um ein ungerades Vielfaches
von 1/2 unterscheiden. Die zu den beiden Polarisationsrichtungen
gehörenden Spektren des transmittierten Lichtes sind dann ineinander
verschachtelt, d. h. wenn für eine Wellenlänge in einer
Polarisationsrichtung die Transmission maximal ist, dann ist die
Transmission für dazu senkrechte Polarisationsrichtung bei der
gleichen Wellenlänge minimal. Nach dem Durchtritt durch das
doppelbrechende Fabry-Perot-Filter trifft das Licht auf einen
drehbaren Polarisator, dessen Winkelstellung dem zu messenden
Winkel entspricht. In einer Analysatoreinrichtung ist ein weiteres
Fabry-Perot-Filter angeordnet, das baugleich mit dem ersten
Fabry-Perot-Filter ist. Mittels eines Wollaston-Prismas werden
die zu den beiden Transmissionsbändern der Fabry-Perot-Filter gehörenden
Polarisationszustände des Lichtes räumlich getrennt und
die korrespondierenden Intensitäten unabhängig voneinander gemessen.
Aus dem Verhältnis dieser Intensitäten kann dann die Winkelstellung
des Polarisators ermittelt werden. Durch die enge
Verschachtelung der zu beiden Intensitäten gehörenden Spektren
sind umgebungsabhängige Einflüsse auf die Dämpfungseigenschaften
der für die Übertragung verwendeten Lichtleitfaser weitgehend
eliminiert.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zur optischen Messung einer Weglänge oder einer Weglängenänderung
anzugeben, bei der die temperatur- und wellenlängenabhängigen
Dämpfungseigenschaften der Lichtleitfaser durch die Verwendung
eines Wellenlängen-Multiplexverfahrens mit ineinander verschachtelten
Bandspektren weitgehend unterdrückt wird.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruches. Der Erfindung liegt
dabei der Gedanke zugrunde, daß das Bandspektrum des durch ein
Fabry-Perot-Filter transmittierten Lichtes und das Bandspektrum
des vom selben Fabry-Perot-Filter reflektierten Lichtes
ebenfalls ineinander verschachtelt sind, da die Wellenlängen
maximaler Transmission mit den Wellenlängen minimaler
Reflexion zusammenfallen. Zur Erzeugung ineinander verschachtelter
Bandspektren ist somit ein doppelbrechendes Fabry-
Perot-Filter nicht erforderlich. Die Reflexion der durch das
Fabry-Perot-Filter transmittierten spektralen Komponente erfolgt
an einer dahinter angeordneten Spiegelfläche. Dadurch ergeben
sich für die beiden spektralen Komponenten unterschiedliche
geometrische Abbildungsverhältnisse. Dies hat zur Folge, daß
sich für diese beiden Komponenten verschiedene Beziehungen
zwischen Weglänge und Intensität des in die Lichtleitfaser reflektierten
Lichtes ergeben. In der Analysatoreinrichtung werden
die zu den beiden unterschiedlichen Spektralbändern gehörenden
Komponenten voneinander getrennt und die zugehörigen Intensitäten
ermittelt. Als Maß für die Weglänge x wird dann das Verhältnis
aus diesen beiden Intensitäten herangezogen. Durch die innige
Verschachtelung der beiden Spektren ist der Einfluß der Temperatur-
und Wellenlängenabhängigkeit der optischen Übertragungseigenschaften
der Lichtleitfaser weitestgehend eliminiert.
Die Trennung der spektral unterschiedlichen Komponenten erfolgt
mit Hilfe von Fabry-Perot-Filtern, deren Transmissions- oder Reflexionsbänder
auf die betreffenden Kanäle eingestellt sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
gemäß der Unteransprüche 2 bis 4.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung
verwiesen, in deren
Fig. 1 eine Vorrichtung zur optischen Messung einer Weglänge
gemäß der Erfindung schematisch dargestellt ist und in
deren
Fig. 2 und 3 weitere besonders einfache Ausgestaltungen von
Analysatoreinrichtungen veranschaulicht sind.
Gemäß Fig. 1 enthält ein Meßwertaufnehmer 2 zwei tubusförmig angeordnete
zylindrische Teile 21 und 22, die ineinander in Richtung
des Doppelpfeiles verschoben werden können. Der mit einer
Lichtleitfaser 4 verbundene zylindrische Teil 21 ist beispielsweise
ortsfest. Gegenüber der Stirnfläche 41 der Lichtleitfaser 4
ist an der offenen Stirnseite des zylindrischen Teils 21 eine
optische Abbildungsvorrichtung, beispielsweise ein Mikroskopobjektiv
oder eine Sammellinse 12, angeordnet. In einer bevorzugten
Ausführungsform befindet sich die Stirnfläche 41 der
Lichtleitfaser 4 außerhalb des Brennpunktes der Sammellinse 12.
Dadurch wird der Einfluß einer Lageänderung der Stirnfläche 41
relativ zur Sammellinse 12, wie sie beispielsweise durch Vibrationen
ausgelöst werden kann, auf die Abbildungsverhältnisse
verringert. Im parallel zur optischen Achse 9 verschiebbar angeordneten
zylindrischen Teil 22 ist in Ausbreitungsrichtung des
Lichtes ein Fabry-Perot-Filter 6 angeordnet, dessen Normale
parallel zur optischen Achse 9 des Meßwertaufnehmers 2 verläuft.
Dahinter befindet sich eine beispielsweise konkav gekrümmte
Spiegelfläche 10, an der das durch das Fabry-Perot-Filter
6 hindurchtretende Licht reflektiert wird. Die Spiegelfläche 10
wird in vorteilhafter Weise durch die verspiegelte gekrümmte
Fläche einer plankonvexen Linse 8 gebildet, deren Mittelachse
ebenfalls parallel zur optischen Achse 9 verläuft.
Das aus der Stirnfläche 41 der Lichtleitfaser 4 austretende Licht
14 ist spektral breitbandig und trifft nach Durchlaufen der Weglänge
x auf das Fabry-Perot-Filter 6. Dieses Licht 14 wird durch
das Fabry-Perot-Filter 6 in einen reflektierten Lichtanteil 16
mit dem Leistungsdichtespektrum P R und einen transmittierten
Lichtanteil 17 mit dem Leistungsdichtespektrum P T′ aufgespalten,
die sich in ihrer spektralen Zusammensetzung entsprechend der
wellenlängenabhängigen Reflexions- und Transmissionseigenschaften
des Fabry-Perot-Filters 6 unterscheiden. Der transmittierte
Lichtanteil 17 wird an der Spiegelfläche 10 reflektiert, tritt
erneut durch das Fabry-Perot-Filter 6 und gelangt als zweifach
transmittierter Anteil 18 mit dem Leistungsdichtespektrum P T zur
Stirnfläche 41 der Lichtleitfaser 4 zurück. Die geometrischen
Abbildungsverhältnisse für den am Fabry-Perot-Filter 6 reflektierten
Lichtanteil 16 und den an der Spiegelfläche 10 reflektierten
Anteil 18 sind verschieden und hängen in unterscheidlicher Weise
vom Abstand des Fabry-Perot-Filters 6 von der Sammellinse 12 bzw.
von der zu messenden Weglänge x ab. Für die beiden Lichtanteile
16 und 18 ergibt sich somit ein unterschiedlicher Zusammenhang
zwischen der in die Lichtleitfaser jeweils zurückgekoppelten
Intensität und der Weglänge x.
Der Meßwertaufnehmer 2 ist über die Lichtleitfaser 4 mit einer
Sende- und Empfangseinrichtung 30 verbunden, die neben einer
spektral breitbandigen Lichtquelle 32, beispielsweise einer LED,
auch eine Analysatoreinrichtung 50 enthält, die eine spektrale
Dekodierung der in die Stirnfläche 41 der Lichtleitfaser 4 eingekoppelten
Lichtanteile 16 und 18 ermöglicht.
Die Lichtleitfaser 4 ist in der Sende- und Empfangsvorrichtung 30
mit ihrer Stirnfläche 42 an eine Selfoc-Linse 34 gekoppelt, die
mit einem Strahlteiler 36 verbunden ist. Der Strahlteiler 36 ist
über eine weitere Selfoc-Linse 34 mit der Lichtquelle 32 verbunden.
Anstelle des in der Figur dargestellten würfelförmigen
Strahlteilers 36 und der Selfoc-Linsen 34 sind in einer bevorzugten
Ausführungsform Faserkoppler vorgesehen. Mittels des
Strahlteilers 36 wird das aus der Stirnfläche 42 der Lichtleitfaser
4 austretende Licht der Analysatoreinrichtung 50 zugeführt,
die ein Fabry-Perot-Filter 52 enthält, das um eine senkrecht auf
der Ausbreitungsrichtung des Lichtes stehende Achse 54 mittels
eines Antriebes 56, beispielsweise ein Schrittmotor oder ein
Piezoantrieb, gedreht werden kann. Zur Messung der Intensität
des durch das Fabry-Perot-Filter 52 hindurchtretenden Lichtes ist
ein Lichtempfänger 58, beispielsweise eine Fotodiode vorgesehen.
Die Steuerung des Antriebes 56 und die Auswertung der in Abhängigkeit
vom Drehwinkel α des Fabry-Perot-Filters 52 am
Lichtempfänger 58 gemessenen Lichtintensität erfolgt in einer
Steuer- und Auswertevorrichtung 60, die auch die elektrische
Versorgung für die Lichtquelle 32 bereitstellt. In der Steuer-
und Auswertevorrichtung 60 erfolgt dann die Ermittlung der
Weglänge x.
Auf das Fabry-Perot-Filter 6 im Meßwertaufnehmer 2 trifft Licht
mit einem Leistungsdichtespektrum P auf. Dieses wird durch das
Fabry-Perot-Filter in einen reflektierten Lichtanteil 16 und
einen transmittierten Lichtanteil 17 aufgespaltet, für deren
Leistungsdichtespektren die Beziehungen
P R (λ) = P (λ) T 6,R (λ,R) (1)
P T′(λ) = P (λ) T 6,T (λ,R) (2)
gelten, wobei T 6,R und T 6,T die vom Einfallswinkel R des
Lichtes abhängigen Übertragungsfunktionen des Fabry-Perot-Filters
6 in Reflexion und Transmission sind. Für ein verlustfreies
Fabry-Perot-Filter lassen sich diese Übertragungsfunktionen durch
die Gleichungen
T 6,R = 4R₆ sin² (2π nl cos R)/((1-R₆)² + 4R₆ sin² (2π nl cos R)) (3)
T 6,T = (1-R₆)²/((1-R₆)² + 4R₆ sin² (2π nl cos R)) (4)
darstellen. Dabei bedeutet R₆ die Spiegelreflektivität des Fabry-
Perot-Filters 6, l seine Resonatorlänge und n die Brechzahl des
Resonatormediums. Für kleine Öffnungswinkel und bei nahezu
senkrechtem Einfall der auf das Fabry-Perot-Filter 6 auftreffenden
Lichtanteile kann der Einfallswinkel R näherungsweise gleich
Null gesetzt werden.
Der transmittierte Anteil 17 wird an der Spiegelfläche 10
reflektiert und durchläuft erneut das Fabry-Perot-Filter 6. Das
Leistungsdichtespektrum des Anteils 18 läßt sich somit näherungsweise
durch die Beziehung
P T (λ) = P T′(λ) T 6,T (λ,R) ≈ P (λ) T 6²,T (λ,R = 0) (5)
darstellen.
Die in die Lichtleitfaser 4 zurückgekoppelten spektralen Leistungsdichten
P R und P T werden mit Funktionen f R(x) und f T(x)
gewichtet, die die unterschiedlichen geometrischen Abbildungsverhältnisse
für die beiden Lichtanteile 16 und 18 repräsentieren
und von der zu messenden Weglänge x abhängen. Die Information
über die Weglänge x ist nun jeweils in der Intensität der beiden
zurückgekoppelten Lichtanteile 16 und 18 enthalten. Die spektrale
Bandbreite der Lichtquelle 32 und die Interferenzordnung des
Fabry-Perot-Filters (6) sind dabei so ausgewählt, daß im Spektralbereich
der Lichtquelle 32 eine Vielzahl von Transmissions-
bzw. Reflexionsmaxima, beispielsweise mehr als 5, vorzugsweise
mehr als 10 auftreten. Dabei soll sich die Lage zweier benachbarter
Reflexions- und Transmissionsmaxima um weniger als
10 nm, vorzugsweise um weniger als 5 nm unterscheiden.
Mittels des in der Sende- und Empfangsvorrichtung 30 angeordneten
Fabry-Perot-Filters 52 kann nun die in beiden Lichtanteilen 16
und 18 enthaltene Information getrennt werden. Der Lichtempfänger
58 empfängt ein vom Drehwinkel α des Fabry-Perot-Filters 52 abhängiges
Leistungsdichtespektrum
P M (λ,α) = (P R (λ) f R(x) + P T (λ) f T(x)) T 52,T (λ,α) T₄(λ) -(6)
T 52,T (λ,α) ist dabei die Übertragungsfunktion des Fabry-Perot-
Filters 52 in Transmission und T₄(λ) ist die Übertragungsfunktion
der zwischen Stirnfläche 41 und Fabry-Perot-Filter 52
liegenden optischen Komponenten. Das zur Analyse verwendete drehbare
Fabry-Perot-Filter 52 hat vorzugsweise die gleiche Resonatorlänge
und das gleiche Resonatormedium wie das im Meßwertaufnehmer
2 angeordnete Fabry-Perot-Filter 6, so daß die beiden Filter
für α = 0 ihre Transmissionsmaxima bei denselben Wellenlängen
haben. In einem Ausführungsbeispiel betrug die Resonatorlänge
l der Fabry-Perot-Filter 6 und 52 etwa 50 µm. Der damit
verbundene Abstand der benachbarten Transmissions- und Reflexionsmaxima
von etwa 4 nm hat sich bei Verwendung von Licht im
Wellenlängenbereich um 850 µm als ausreichend klein erwiesen. In
einer bevorzugten Ausführungsform hat das im Meßwertaufnehmer 2
angeordnete Fabry-Perot-Filter 6 eine möglichst niedrige Finesse
F₆ = (4R₆/(1-R₆)²)1/2 (7)
um die gesamte Intensität des aus der Stirnfläche 41 der Lichtleitfaser
4 austretenden Lichtes 14 möglichst gleichmäßig auf
beide Kanäle zu verteilen. Der mit abnehmender Finesse verbundene
Anstieg des Übersprechens zwischen den Kanälen kann jedoch durch
eine hohe Finesse des in der Sende- und Empfangsvorrichtung 30
angeordneten Fabry-Perot-Filters 52 weitestgehend unterdrückt
werden. In einem Ausführungsbeispiel hat sich die Kombination
R₆ = 0,5 und R₅₂ = 0,9, entsprechend einer Finesse F₆ = 4,4 und
F₅₂ = 29,8 als vorteilhaft erwiesen. Bei dem Drehwinkel α = 0
wird somit der vom Fabry-Perot-Filter 6 reflektierte Anteil 16
mit dem Leistungsdichtespektrum P R durch die hohe Finesse F₅₂ des
Fabry-Perot-Filters 52 weitgehend gesperrt und der Lichtempfänger
58 erhält somit bis auf einen vernachlässigbaren Restanteil nur
noch das vom Anteil 18 mit dem Leistungsdichtespektrum P T geprägte
Spektrum
P M (λ,α) = 0) ≈ P T (λ) f T(x)T52,T (λ, 0)T₄(λ) (8)
Dreht man nun das Fabry-Perot-Filter 52, so werden die Wellenlängen
maximaler Transmission mit zunehmendem Drehwinkel α verschoben
und es gilt
λ max (α) = λ max (α = 0) (1-(sin² α)/n²)1/2 (9)
Für einen bestimmten Winkel α′ überlappen sich die Transmissionsbänder
des Fabry-Perot-Filters 52 und die Reflexionsbänder des
Fabry-Perot-Filters 6 maximal und der von der Spiegelfläche 10
kommende Anteil 18 wird weitestgehend gesperrt und am Lichtempfänger
58 wird somit bis auf vernachlässigbare Restanteile das
Leistungsdichtespektrum
P M (λ,α = α′) ≈ P R (λ) f R(x)T52,T (λ,α′) T₄(λ) (10)
registriert. Der Lichtempfänger 32 integriert die in einem
Spektrum enthaltene Intensität, gewichtet mit seiner Empfindlichkeitsfunktion
E (λ) auf und gibt sie als Fotostrom an die Auswerteeinheit
60. Durch Einstellen des Fabry-Perot-Filters 52
auf die Winkel α = 0 bzw. α = α′ kann wechselweise der vom
Fabry-Perot-Filter 6 reflektierte und mit der Kennlinie f R(x)
gewichtete Lichtanteil 16 und der von der Spiegelfläche 10
zurückkommende und mit der Kennlinie f T(x) gewichtete Lichtanteil
18 gemessen werden. Wird das Verhältnis des zu den beiden
Kanälen gehörenden am Lichtempfänger 32 gemessenen Fotostroms
gebildet, so ergibt sich mit den Gleichungen (1), (5), (8) und
(10) die Beziehung
Das Verhältnis der beiden Fotoströme ist somit proportional dem
Verhältnis der durch die geometrischen Abbildungsverhältnisse im
Meßwertaufnehmer 2 bestimmten und für die beiden Lichtanteile 18
und 16 unterschiedlich von der Weglänge x abhängigen Funktionen
f T(x) und f R(x). Der durch den Quotienten aus den Integralen gebildete
Proportionalitätsfaktor K ist durch die enge Verzahnung
der Kanäle praktisch unabhängig von der Umgebungstemperatur. Die
Informationsübertragung ist somit weitgehend unempfindlich gegen
die Temperaturabhängigkeit der spektralen Sende-, Empfangs- und
Übertragungseigenschaften der verwendeten optischen Bauelemente.
Da in der besonders vorteilhaften Ausführungsform gemäß Fig. 1
das Fabry-Perot-Filter 52 drehbar gelagert ist, kann außerdem
eine temperaturabhängige Drift beider Fabry-Perot-Filter durch
Nachfahren des Drehwinkels α leicht kompensiert werden.
Im Meßwertaufnehmer 2 sind die geometrischen Abbildungsverhältnisse
für die beiden Lichtanteile 16 und 18 so gewählt, daß
die korrespondierenden Kennlinien f R(x) und f T(x) bei Bildung des
Quotienten f T(x)/f R(x) eine im Meßbereich von der Weglänge x ein
eindeutig abhängige Funktion bilden. Insbesondere sind dabei
Kennlinien f R und f T geeignet, die zu einander gegenläufig von
der Weglänge x abhängen. In einem Ausführungsbeispiel gemäß der
Figur hat sich für den Meßbereich 10 mm-100 mm bei Verwendung
einer Gradientenindexfaser mit einem Durchmesser von 100 µm
eine achromatische Sammellinse 12 mit einer Brennweite von 4 mm
und ein Hohlspiegel als Spiegelfläche 10, dessen Brennweite etwa
200 mm beträgt, als vorteilhaft erwiesen.
In einer vereinfachten Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist in der
Analysatoreinrichtung 50 ein feststehendes Fabry-Perot-Filter 53
vorgesehen, dessen Resonatorlänge und Resonatormaterial mit der
Resonatorlänge und dem Resonatormaterial des im Meßwertaufnehmer
angeordneten Fabry-Perot-Filters im wesentlichen übereinstimmen.
Das am Fabry-Perot-Filter 53 reflektierte Licht wird mittels
eines Strahlteilers 51 zu einem Lichtempfänger 57 weitergeleitet.
Zur Messung des durch das Fabry-Perot-Filter 53 transmittierten
Lichtes ist ein weiterer Lichtempfänger 59 vorgesehen.
Bei dieser Anordnung ist ein mechanischer Antrieb zur Drehung des
zur Analyse verwendeten Fabry-Perot-Filters nicht erforderlich.
Dieser Vorteil ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, daß zwei
Lichtempfänger 57 und 59 verwendet werden müssen, deren spektrale
Empfindlichkeiten unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten aufweisen
und die außerdem hinsichtlich ihrer Langzeitstabilität ein
unterschiedliches Alterungsverhalten zeigen können. Außerdem kann
eine unterschiedliche Temperaturdrift der Transmissions- und
Reflexionsbänder der im Meßwertaufnehmer und in der Analysatoreinrichtung
angeordneten Fabry-Perot-Filter nicht ausgeglichen
werden.
Unter Umständen kann es bei Verwendung von feststehenden Fabry-
Perot-Filtern in der Analysatoreinrichtung von Vorteil sein, gemäß
Fig. 3 in einer Analysatoreinrichtung 50 zwei unterschiedliche
Fabry-Perot-Filter 53 und 55 vorzusehen, denen mittels
eines Strahlteilers 51 das vom Meßwertaufnehmer zugeführte Licht,
dessen Einfallsrichtung in der Figur mit dem Pfeil dargestellt
ist, direkt zugeführt wird. Eines der beiden Fabry-Perot-Filter,
beispielsweise das Fabry-Perot-Filter 53 ist dabei so gewählt,
daß es hinsichtlich seiner Transmissionsbänder mit dem Fabry-
Perot-Filter des Meßwertaufnehmers übereinstimmt. Das andere
Fabry-Perot-Filter 55 ist so gewählt, daß die Lage der Maxima
seines Transmissionsbandes mit der Lage der Maxima des Reflexionsbandes
des Fabry-Perot-Filters 53 übereinstimmt. In
dieser Ausführungsform kann durch eine hohe Finesse der zur
Analyse verwendeten Fabry-Perot-Filter 53 und 55 die Trennung der
Kanäle gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 2 erhöht werden.
Claims (6)
1. Vorrichtung zur Messung einer Weglänge (x) oder
einer Weglängenänderung mit folgenden Merkmalen
- a) ein Meßwertaufnehmer (2) ist mit einer Sende- und Empfangsvorrichtung (30) optisch verbunden,
- b) der Meßwertaufnehmer (2) enthält eine Spiegelanordnung, die parallel verschiebbar zur optischen Achse (9) des Meßwertaufnehmers (2) angeordnet ist,
- c) die Spiegelanordnung enthält
- c₁) ein optisches Filter, dessen Übertragungsfunktion von der Wellenlänge abhängig ist und
- c₂) eine in Ausbreitungsrichtung des in den Meßwertaufnehmer (2) eingekoppelten Lichtes (14) dahinter angeordnete Spiegelfläche (10),
- d) die Sende- und Empfangsvorrichtung (30) enthält eine Lichtquelle (32) sowie eine Analysatoreinrichtung (50) zur getrennten Messung der Intensitäten der vom optischen Filter und von der Spiegelfläche (10) jeweils reflektierten Lichtanteile (16 bzw. 18),
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- e) als Lichtquelle (32) ist eine spektral breitbandige Lichtquelle vorgesehen,
- f) als optisches Filter ist ein Fabry-Perot-Filter (6) vorgesehen,
- g) die Analysatoreinrichtung (50) enthält zur Trennung der Lichtanteile (16 und 18) wenigstens ein Fabry-Perot-Filter (52).
2. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Analysatoreinrichtung (50) ein
einziges Fabry-Perot-Filter (52) enthält, dessen Resonatorlänge
und Resonatormaterial mit der Resonatorlänge und dem Resonatormaterial
des im Meßwertaufnehmer (2) angeordneten Fabry-
Perot-Filters (6) wenigstens annähernd übereinstimmt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Analysatoreinrichtung (50) ein
Fabry-Perot-Filter (52) vorgesehen ist, das gegenüber der Einfallsrichtung
des Lichtstrahls um einen Drehwinkel (α) gedreht
werden kann.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Finesse des Fabry-Perot-Filters
(52) der Analysatoreinrichtung (50) größer ist als die Finesse
des Fabry-Perot-Filters 6 des Meßwertaufnehmers (2).
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Analysatoreinrichtung (50) zwei
Fabry-Perot-Filter (53 und 55) vorgesehen sind, deren Transmissionsbänder
auf das Reflexionsband bzw. auf das Transmissionsband
des Fabry-Perot-Filters (6) des Meßwertaufnehmers
(2) eingestellt sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19883816950 DE3816950A1 (de) | 1988-05-18 | 1988-05-18 | Vorrichtung zur optischen messung einer weglaenge oder einer weglaengenaenderung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19883816950 DE3816950A1 (de) | 1988-05-18 | 1988-05-18 | Vorrichtung zur optischen messung einer weglaenge oder einer weglaengenaenderung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3816950A1 true DE3816950A1 (de) | 1989-11-30 |
Family
ID=6354636
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19883816950 Withdrawn DE3816950A1 (de) | 1988-05-18 | 1988-05-18 | Vorrichtung zur optischen messung einer weglaenge oder einer weglaengenaenderung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3816950A1 (de) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1988
- 1988-05-18 DE DE19883816950 patent/DE3816950A1/de not_active Withdrawn
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