DE69000970T2

DE69000970T2 - Optoelektronische einrichtung zur messung einer physikalischen groesse ueber eine entfernung.

Info

Publication number: DE69000970T2
Application number: DE9090909748T
Authority: DE
Inventors: Hugues Giovannini; Catherine Le Mail De La Lecot; Michel Lequime
Original assignee: Bertin et Cie SA
Current assignee: Bertin Technologies SAS
Priority date: 1989-06-14
Filing date: 1990-06-13
Publication date: 1993-08-26
Anticipated expiration: 2010-06-14
Also published as: FR2648600A1; ATE86031T1; EP0428702B1; US5179424A; ES2040125T3; DE69000970D1; DK0428702T3; EP0428702A1; KR920700394A; JPH04500409A; FR2648600B1; WO1990015969A1

Description

Die Erfindung betrifft ein opto-elektronisches Gerät zum Messen einer physikalischen Größe aus der Entfernung, das eine Lichtquelle, einen der zu messenden physikalischen Größe ausgesetzten Sensor, der eine periodische spektrale Modulation des von der Quelle empfangenen Lichtflusses mit einer Frequenz bewirkt, die von der zu messenden physikalischen Größe abhängig ist, und Mittel zur spektralen Analyse des von dem Sensor übermittelten Lichtflusses aufweist, welche ermöglichen, den Wert der zu messenden physikalischen Größe aus der spektralen Modulation des von dem Sensor übermittelten Lichtflusses zu bestimmen.
Verfahren und Vorrichtungen dieser Art sind beispielsweise bereits aus der WO-A-87/05691 bekannt, bei welchen Sensoren mit doppelbrechenden Elementen verwendet werden, die auf die zu messende physikalische Größe ansprechen. Die Analysemittel weisen im allgemeinen ein Demodulationsinterferometer auf, das auf den Sensor abgestimmt ist und beispielsweise ermöglicht, eine charakteristische Modulation einer Interferenzfrequenz zwischen der spektralen Modulation durch den Sensor und jener durch das Demodulationsinterferometer zu analysieren.
Die Erfindung hat zum Ziel, unter Verwendung der vorgenannten Mittel ein Gerät zum Messen einer physikalischen Größe aus der Entfernung zu schaffen, das heißt, einen auf die zu messende physikalische Größe ansprechenden Sensor, welcher eine spektrale Modulation des Lichtflusses bewirkt, der mit einer Frequenz ausgesandt wird, die eine Funktion der zu messenden physikalischen Größe ist, und statische Analysemittel, die kompakt und besonders genau sind.
Die Erfindung hat gleichermaßen ein Gerät dieser Art zum Ziel, bei welchem die Analysemittel das Bestimmen der absoluten Phase des durch den Sensor übermittelten Lichtsignals ermöglichen.
Weiters hat die Erfindung das Ziel, ein Gerät der vorhin genannten Art zu schaffen, welches das Multiplexen von Sensoren derselben Art oder von unterschiedlicher Art ermöglicht, die sich in demselben Bereich oder in unterschiedlichen Bereichen befinden.
Zu diesem Zweck wird ein opto-elektronisches Gerät zum Messen einer physikalischen Größe aus der Entfernung vorgeschlagen, das aufweist: eine Lichtquelle, einen der zu messenden physikalischen Größe ausgesetzten Sensor, der eine periodische spektrale Modulation des von der Quelle empfangenen Lichtflusses mit einer Frequenz bewirkt, die von der physikalischen Größe abhängig ist, und Mittel zur spektralen Analyse des von dem Sensor übermittelten Lichtflusses, wobei die Analysemittel ein doppelbrechendes Element aufweisen, das auf den Sensor abgestimmt ist und einen optischen Gangunterschied erzeugt, der jenem nahekommt, der von dem Sensor erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysemittel statisch sind und polarisierende Strahlteilerwürfel, die den Photodetektoren zugeordnet sind, und Mittel zur Informationsverarbeitung aufweisen, die mit Photodetektoren zur Berechnung und Bestimmung des Phasenmodulus 2π des Lichtsignals verbunden sind, das von dem doppelbrechenden Element der Analysemittel ausgesandt wird, und daß das Gerät weiters aufweist: zwei Lichtquellen, welche Lichtflüsse aussenden, die an zwei unterschiedlichen Wellenlängen liegen, und Mittel zur Steuerung eines alternierenden Betriebes dieser Lichtquellen, wobei die Differenz der mittleren Wellenlängen der beiden Lichtflüsse so ist, daß der Absolutwert der Phasendifferenz der von dem doppelbrechenden Element übermittelten Signale für einen vorbestimmten Bereich von Werten der zu messenden physikalischen Größe unterhalb von π liegt.
Die polarisierenden Strahlteilerwürfel, welche von dem Lichtfluß durchlaufen werden, der von dem Sensor ausgesandt wird, ergeben (mittels Näherungskoeffizienten) Signale des Typs:
1 ± cos und/oder 1 ± sin , welche den Ausgangspunkt für die Bestimmung der Phase des Signalmodulus 2π sind; diese Unbestimmtheit von 2kπ kann aufgrund der abwechselnden Benützung zweier Lichtquellen, deren mittlere Wellenlänge relativ nahe beieinander liegen, aufrecht bleiben. Auf diese Weise bleibt die Phasendifferenz der Signale, die diesen beiden Lichtquellen zugeordnet sind, für denselben Wert für die zu messende physikalische Größe unterhalb von 2π und die Messung dieser Phasendifferenz ermöglicht das Aufheben der Unbestimmtheit von 2kπ bei der Bestimmung der absoluten Phase des von dem Sensor ausgesandten Signals. Die Kenntnis des Wertes der absoluten Phase ermöglicht eine Bestimmung der Frequenz der spektralen Modulation, die von dem Sensor herbeigeführt wird, und folglich mittels einer Eichung eine Bestimmung der zu messenden physikalischen Größe.
Die Analysemittel sind folglich zur Gänze statisch, weisen keine beweglichen Elemente auf und können überdies in einer besonders kompakten Form hergestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Analysemittel bezüglich der Ausbreitungsrichtung des von dem Sensor übermittelten Lichtflusses aufeinanderfolgend auf: einen ersten polarisierenden Strahlteilerwürfel, der in zwei Analysepfaden von zwei normal zueinander polarisierten Signalen durchstrahlt wird, das vorgenannte doppelbrechende Element, das in den beiden Analysepfaden angeordnet ist, ein Lambda/Viertel-Plättchen, das in einem der Analysepfade angeordnet ist, zwei polarisierende Strahlteilerwürfel, von denen jeder in einem Analysepfad angeordnet ist, und vier Photodetektoren, von denen jeder an einem der Ausgänge dieser zwei Strahlteilerwürfel angeordnet ist.
Diese Anordnung ermöglicht, an den vier Photodetektoren Signale zu erhalten, die mittels Näherungskoeffizienten vom Typ 1 + cos , 1 - cos ), 1 + sin ), 1 - sin sind, aus welchen der Phasenmodulus 2π des Signals, das durch den Sensor und durch das doppelbrechende Element der Analysemittel übermittelt wird, leicht bestimmt werden kann. Zusätzlich steht das doppelbrechende Element mit den zwei Analysepfaden und den Analysemitteln, welche an dem gesamten, von dem Sensor ausgesandten Lichtfluß wirken, in Verbindung, da die zwei Polarisationszustände dieses Lichtflusses ausgenützt werden.
Vorzugsweise ist jedem Strahlteilerwürfel ein zweiter Strahlteilerwürfel zugeordnet, welcher mit einem seiner Ausgänge so angeordnet ist, daß die Lichtflüsse, von denen einer direkt aus dem ersten Strahlteilerwürfel und der andere aus dem zweiten Strahlteilerwürfel austritt, parallel sind und dieselbe Orientierung besitzen.
Daraus ergibt sich, daß die vier Photodetektoren in einer Linie angeordnet werden können, wodurch ihre Montage an einer gedruckten Schaltung oder einer gemeinsamen, thermisch regulierten Basis möglich ist.
Gemäß eines anderen bevorzugten Merkmals der Erfindung ist das vorhin genannte Lambda/Viertel-Plättchen achromatisch.
So kann der Sinus und der Cosinus der Phase des Lichtsignals an demselben Punkt der Hülle dieses Signals bestimmt werden und nicht an unterschiedlichen Punkten. Die Präzision und die Linearität der Messung werden dadurch stark verbessert.
Gemäß eines weiteren bevorzugten Merkmals der Erfindung ist das doppelbrechende Element, das einen Teil der Analysemittel darstellt, auf Temperaturänderungen unempfindlich und besitzt eine sehr geringe Dispersion.
Vorzugsweise besteht das doppelbrechende Element aus zwei zusammengefügten Schichten, deren ordentliche Achsen und außerordentliche Achsen gekreuzt sind.
Vorteilhafterweise bestehen die zusammengefügten Schichten aus KDP beziehungsweise aus Kalkspat.
Die in dem erfindungsgemäßen Gerat verwendeten Lichtquellen können elektroluminiszierende oder super-luminiszierende Dioden (auch Superstrahler genannt) sein, die thermischen Regelkreisen zugeordnet sind, oder sie können eine gemeinsame breitbandige Lichtquelle, wie beispielsweise eine Faden- oder Bogenlampe, und Interferenzfilter zur Transmission zweier unterschiedlicher, vorbestimmter Wellenlängen, sowie spezifische Mittel zur thermischen Regelung der Temperatur dieser Filter aufweisen.
Das erfindungsgemäße Gerät besitzt vorzugsweise auch eine Kalibrierschaltung, die einen direkten Verbindungspfad zwischen den Lichtquellen und den Analysemitteln, einen Verbindungspfad zwischen einem Eichsensor und den Analysemitteln und Blenden aufweist, die in diesen zwei Pfaden und in dem Meßpfad angebracht sind, welcher von dem Meßsensor zu den Analysemitteln führt.
Die Erfindung ist ebenso für das Multiplexen mehrerer Sensoren eingerichtet. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Gerät mehrere Sensoren aufweisen, die parallel angeordnet sind und unterschiedliche spektrale Modulationsfrequenzen für die von ihnen ausgesandten Lichtflüsse besitzen, und genausoviele parallel angeordnete Analysemittel enthalten, die parallel angeordnet sind und von denen jedes ein doppelbrechendes Element aufweist, das auf den entsprechenden Sensor abgestimmt ist, wobei die Sensoren mittels einer gemeinsamen optischen Faser und den optischen Kopplern mit den Analysemitteln verbunden sind.
Bei einer Variante können mehrere Sensoren, die unterschiedliche spektrale Modulationsfrequenzen besitzen, parallel angeordnet und mittels optischer Koppler und einer gemeinsamen optischen Faser mit den gemeinsamen Analysemitteln verbunden sein, wobei diese Analysemittel eine Anordnung von doppelbrechenden Elementen enthalten, die sukzessiv auf jeden Sensor abgestimmt werden können.
Bei einer weiteren Variante können die Analysemittel mittels einer gemeinsamen optischen Faser mit den Sensoren verbunden sein, die voneinander in solchen Abständen angeordnet sind, daß die Signale, die von den Sensoren herrühren und über Meßintervalle andauern, die durch die Dauer der von den Lichtquellen ausgesandten Lichtimpulse festgelegt sind, zeitlich getrennt werden können.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung besser verständlich und weitere Merkmale Details und Vorteile werden aus dieser Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren deutlich, die zeigen:
Figur 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Gerät,
Figur 2 schematisch die Kalibrierschaltung dieses Gerätes,
Figuren 3 und 4 zwei Modi zum Multiplexen der Sensoren eines erfindungsgemäßen Gerätes,
Figuren 5, 6 und 7 Anordnungen doppelbrechender Plättchen,
Figur 8 einen weiteren Modus zum Multiplexen der Sensoren.
Vorerst wird auf die Figur 1 bezug genommen, in welcher die Struktur eines erfindungsgemäßen opto-elektronischen Gerätes zur Messung einer physikalischen Größe aus der Entfernung dargestellt ist.
Dieses Gerät besitzt zwei Lichtquellen 10 und 12, die zwei Lichtflüsse aussenden, deren mittlere Wellenlänge relativ nahe beieinander liegen (beispielsweise
und deren spektrale Breiten der folgenden Beziehung genügt:
Δ&sub0; > k λ²/Δλ, bzw. Δλ > k λ²/Δ&sub0;,
wobei Δ&sub0; der durch das doppelbrechende Element der Analysemittel erzeugte Gangunterschied und k eine Zahl zwischen 2 und 5 ist.
Die Lichtquellen 10 und 12 sind mittels optischer Fasern 14 und einem Y-Koppler 16 mit einer gemeinsamen optischen Faser 18 verbunden, die sehr lang sein kann und in einen interferometrischen Sensor 20 mündet, welcher ein der zu messenden physikalischen Größe ausgesetztes empfindliches Element aufweist.
Der Sensor ist mittels einer optischen Faser 22 mit den Analysemitteln 24 verbunden.
Diese Analysemittel weisen eine Optik 26 auf, in deren Brennpunkt das Ende der optischen Faser 22 angeordnet ist und die einen Lichtstrahl mit geringer Divergenz an einen ersten polarisierenden Strahlteilerwürfel 28 mit zwei Ausgängen führt, von denen einer 30 ein in der Zeichenebene polarisiertes Lichtsignal und der andere 32 ein normal auf diese Ebene polarisiertes Lichtsignal überträgt. Dieser Ausgang 32 führt zu einem weiteren polarisierenden Strahlteilerwürfel 34, der identisch zu dem Würfel 28 und in derselben Weise ausgerichtet ist und der das aus dem Ausgang 32 ausgesandte Lichtsignal empfängt und es in eine Richtung normal dazu, das heißt parallel zu dem Ausgang 30 und in derselben Richtung wie dieser, reflektiert.
An dem Ausgang der Strahlteilerwürfel 28 und 34 ist ein doppelbrechendes Element 36 angeordnet, dessen Achsen unter 45º zu den Polarisationsebenen des Lichtsignals ausgerichtet sind. Dieses doppelbrechende Element 36 wird von den Lichtsignalen durchstrahlt, die aus den Würfeln 28 und 34 austreten, und bewirkt bei diesen Signalen einen optischen Gangunterschied, der von der Dicke und Doppelbrechung abhängig ist. Wie später noch zu sehen sein wird, ist das doppelbrechende Element 36 auf den Sensor 20 abgestimmt, sodaß der erzeugte optische Gangunterschied nahe an jenem liegt, der von dem Sensor 20 erzeugt wird, welcher der zu messenden physikalischen Größe X ausgesetzt ist.
Der dem zweiten Strahlteilerwürfel 34 zugeordnete Analysepfad weist nach dem doppelbrechenden Element 36 ein λ/4-Plättchen 38 auf, dessen Achsen mit jenen des doppelbrechenden Elementes 36 übereinstimmen.
Jeder Pfad am Ausgang des doppelbrechenden Elementes 36 (und des λ/4-Plättchens 38) weist einen polarisierenden Strahlteilerwürfel 40, 42 auf, der je einem weiteren identischen Würfel 44 bzw. 46 zugeordnet ist, sodaß die Ausgänge der vier Strahlteilerwürfel parallel und in derselben Richtung ausgerichtet sind. Nach jedem Ausgang befindet sich eine Optik 48, die einem Photodetektor 50 mit einer relativ großen empfindlichen Oberfläche zugeordnet ist, die beispielsweise 5 bis 10 mal größer als jene des Querschnittes der optischen Faser 22 ist, um gegebenenfalls alle Probleme zu vermeiden, die durch Blendenwirkung aufgrund mangelnder Justierung entstehen, und um die Steuerung folglich einfacher zu gestalten. Die Photodetektoren 50 können daher in einer Linie, beispielsweise auf einer gemeinsamen gedruckten Schaltungskarte, angeordnet werden und sind mit Abtastschaltungen 52 verbunden, die selbst mittels eines Analog/Digitalwandlers 54 mit Informationsverarbeitungsmitteln 56 verbunden sind, in welchen Rechnermittel enthalten sind.
Im Folgenden wird die Funktionsweise dieses Gerätes beschrieben.
Wenn eine der Lichtquellen 10, 12 in Betrieb ist, wird der ausgesandte Lichtfluß durch die optische Faser 14, den Koppler 16, und die optische Faser 18 zu den Sensor 20 übertragen, welcher der zu messenden physikalischen Größe unterliegt. Das empfindliche Element des Sensors 20, welches beispielsweise ein doppelbrechendes Element oder ein Michelson Interferometer sein kann, für welches der Wegunterschied groß gegenüber der Kohärenzlänge der Quelle ist, erzeugt eine periodische spektrale Modulation des von der Quelle empfangenen Lichtflusses, wobei diese Modulation eine Frequenz besitzt, die eine einfache Funktion der zu messenden physikalischen Größe X ist.
Der durch den Sensor 20 so modulierte Lichtfluß wird mittels einer optischen Faser 22, die zu dem Eingang des ersten polarisierenden Strahlteilerwürfels 28 führt, zu den Analysemitteln 24 übertragen und folglich in zwei normal zueinander polarisierte Signale aufgeteilt, welche das doppelbrechende Element 36 durchstrahlen. Dieses doppelbrechende Element 36 erzeugt einen optischen Gangunterschied, der so gewählt ist, daß er etwa jenem entspricht, der durch den Sensor 20 erzeugt wird, sodaß das doppelbrechende Element 36 eine periodische spektrale Modulation des durchstrahlenden Lichtsignals mit einer Frequenz erzeugt, die in der Nähe der Frequenz der von dem Sensor 20 erzeugten spektralen Modulation liegt. Eines der Lichtsignale, welches das doppelbrechende Element 36 durchstrahlt, gelangt direkt in den polarisierenden Strahlteilerwürfel 40 und wird durch den Würfel in zwei normal zueinander polarisierte Lichtsignale aufgeteilt, von denen einer durch den Würfel 44 zu einem ersten Photodetektor 50 übertragen wird und der andere durch den Würfel 40 zu einem zweiten Photodetektor 50 übertragen wird.
Das andere Lichtsignal, welches das doppelbrechende Element 36, gefolgt von dem λ/4- Plättchen durchstrahlt, wird danach durch den Würfel 42 in zwei normal zueinander polarisierte Signale aufgeteilt, von denen eines dieser Signale direkt zu einem dritten Photodetektor 50 übertragen wird, wogegen das andere Signal von dem vierten Strahlteilerwürfel 46 zu dem vierten Photodetektor 50 reflektiert wird.
Die von dem Photodetektoren aufgenommenen Signale sind jeweils von der Art:
I&sub0;[1 + m(φ)cosφ] I&sub0;[1 + m'(φ)sinφ]
I&sub0;[1 - m(φ)cosφ] I&sub0;[1 - m'(φ)sinφ]
wobei m(φ) und m'(φ) die Sichtbarkeitsparameter sind, die sich aus der geringen Kohärenz der verwendetem Quellen und der Güte der Sensor- und Detektormittel ergibt, φ ist die absolute Phase des Signals und I&sub0; dessen Intensität.
Durch die Wahl eines achromatischen λ/4-Plättchens in dem Sinuspfad ist die Gleichheit der Sichtbarkeitsparameter m(φ)=m'(φ) gewährleistet.
Durch differentielle Verstärkung der Signale am Ausgang der Photodetektoren erhält man:
2I&sub0;m(φ)cosφ und 2I&sub0;m'(φ)sinφ
dann durch Division:
wodurch mittels der Gleichheit der Sichtbarkeitsparameter, die durch Anwendung des achromatischen λ/4-Plättchens gewährleistet ist, der Zugang zu tanφ möglich wird.
Mit einer Unbestimmtheit eines Vielfachen von 2π vor dem Argument der Tangensfünktion und des Vorzeichens der Sinus- und Cosinusfünktion kann so auch die Phase des Signals bestimmt werden.
Es besteht daher die folgende Beziehung zwischen der absoluten Phase des Signals und dessen Wert des Modulus 2π:
φ = + 2Kπ, K ist ganzzahlig
Die absolute Phase steht überdies mit dem Wert der zu messenden physikalischen Größe X in folgendem Zusammenhang:
mit
Δ(X) = Gangunterschied in dem Sensor 20,
Δ&sub0; = Gangunterschied in dem Element 36,
λ = mittlere Wellenlänge des von der Lichtquelle emittierten Lichtflusses
Es ist ersichtlich, daß die Kenntnis der absoluten Phase des Signals eine Bestimmung des optischen Gangunterschiedes in dem Sensor 20, welcher der zu messenden physikalischen Größe unterliegt, und folglich des Wertes dieser Größe mittels einer einfachen Eichung des Sensors 20 ermöglicht.
Zum Aufheben der Unbestimmtheit von 2π und zum Erhalten der absoluten Phase des Signals wird folgendermaßen vorgegangen:
es werden zwei Lichtquellen 10, 12 gewählt, die Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; aussenden, welche zueinander nur geringfügig unterschiedlich sind, sodaß die absoluten Phasen der zugeordneten Signale (für den selben Wert der zu messenden physikalischen Größe) für den gesamten Wertebereich zu messender Größen X1 der folgenden Bedingung genügt:
Δφ = φ&sub1; - φ&sub2; < π
Ausgehend von den vorigen Gleichungen erhält man folglich:
φ&sub1; = &sub1; + 2k&sub1;π
φ&sub2; = &sub2; + 2k&sub2;π
Δφ = Δ ± 2π mit k&sub2; - k&sub1; ≤ 1
Nun können mehrere Fälle betrachtet werden:
a) Δ(X) besitzt keine spektrale Abhängigkeit und die spektrale Abhängigkeit von Δ&sub0; wird als vernachlässigbar angesehen: analog dazu
b) Δ(X) und Δ&sub0; besitzen spektrale Abhängigkeiten, die nicht vernachlässigbar sind:
Durch Kalibrierung oder Berechnung wird die folgende Kurve aufgetragen:
Δ = F(x), nach Inversion x = F&supmin;¹(Δ )
und jedem Wert von Δ wird ein Näherungswert für den Parameter X zugeordnet. Dieser Näherungswert wird dazu verwendet, k&sub1; und k&sub2; zu bestimmen.
Eine Wahrscheinlichkeitsberechung ermöglicht festzustellen, ob die unterschiedlichen Werte für &sub1;, &sub2;, k&sub1; und k&sub2; zusammenpassen.
Die Veränderungen des Δ, die eine Folge von Meßungenauigkeiten sind, haben zu Folge, daß die Werte für k&sub1; und k&sub2; nicht immer exakt ganzzahlig sind. Also wird der ganzzahlige Wert genommen, der dem berechneten Wert am nächsten liegt. Wenn die Berechnung beispielsweise für k&sub1; den Wert 5,05 ergibt, wird k&sub1; der ganzzahlige Wert 5 zugeordnet.
So kann folglich der Absolutwert der Phase des Signals einer in Betrieb befindlichen Lichtquelle 10 oder 12 dadurch bestimmt werden, daß der Wert des in dem Sensor erzeugten optischen Gangunterschiedes und in der Folge der Wert der physikalischen Größe X bestimmt wird.
In der Praxis weist das erfindungsgemäße Gerät ebenso eine Steuer- und Kalibrierschaltung auf, die in Figur 2 schematisch dargestellt ist. Zu dieser Figur ist zu bemerken, daß der Sensor 20 im Reflexionsbetrieb arbeitet, wogegen er bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform in Transmission betrieben wird. Es handelt sich um ein einfaches technisches Äquivalent, das weder die Funktion noch die Resultate der Erfindung verändert.
Die in Figur 2 dargestellte Steuer- und Kalibrierschaltung enthält einen optischen Koppler 58 des Typs 50/50, dessen Eingänge mittels optischer Fasern 14 mit den Lichtquellen 10, 12 verbunden sind und dessen zwei Ausgänge mit einem weiteren optischen Koppler 60 des Typs 50/50 beziehungsweise unter Zwischenschaltung einer Blende 64 mit einem optischen Koppler 62 des Typs 10/90 verbunden sind. Ein Ausgang des optischen Kopplers 60 ist über eine Blende 66 mit dem Sensor 20 verbunden und sein zweiter Ausgang ist über eine Blende 70 mit einem Eichsensor 68 verbunden. Der Ausgang 10 des optischen Kopplers 62 führt zu den Analysemitteln 24, die mit Informationsverarbeitungsmitteln 56 verbunden sind. Diese Mittel 56 enthalten Mittel zur Steuerung der Lichtquellen 10 und 12 und der Blenden 64, 66, 70.
In allgemeiner Weise sind die von den Detektoren 50 empfangenen Signale von der folgenden Art:
S&sub0; = I&sub0;[1 + m&sub0; M(φ)cosφ]
S&sub1; = I&sub1;[1 - m&sub1; M(φ)cosφ]
S&sub2; = I&sub2;[1 + m&sub2; M(φ + &epsi;)sin(φ + &epsi;)]
S&sub3; = I&sub3;[1 - m&sub3; M(φ + &epsi;)sin(φ + &epsi;)]
wobei mit M(φ) die Sichtbarkeit der Modulation bezeichnet ist, die mit der geringen Kohärenz der Quelle und der Güte des verwendeten Sensors in Zusammenhang steht, und &epsi; der residuelle Quadraturfehler aufgrund des fehlerhaften λ/4-Plättchens ist.
Wenn die Blende 64 geöffnet und die Blenden 66 und 70 geschlossen sind, ist sichergestellt, daß in den vier Analysepfaden die Signale I&sub0;, I&sub1;, I&sub2;, beziehungsweise I&sub3; nicht frequenzmoduliert sind.
Daher werden die Korrekturkoeffizienten wie folgt berechnet:
α&sub1; = I&sub0;/I&sub1;; α&sub2; = I&sub0;/I&sub2;; α&sub3; = I&sub0;/I&sub3;
die das Ausgleichen des von jedem Detektor empfangenen Signalpegels ermöglichen; danach werden die folgenden korrigierten Differenzen berechnet:
S&sub0; - α&sub1; S&sub1; = I&sub0;(m&sub0; + α&sub1;m&sub1;)M(φ)cosφ
α&sub1;S&sub2; - α&sub3; S&sub3; = I&sub0;(α&sub2;m&sub2; + α&sub3;m&sub3;)M(φ + &epsi;)sin(φ + &epsi;)
dann das Verhältnis dieser korrigierten Differenzen:
Durch Schließen der Blenden 64 und 66 und Öffnen der Blende 70 kann ein von dem Eichsensor 68 moduliertes Signal zu den Analysemitteln 24 gesandt werden, für welches die resultierende Phase φ bekannt ist.
Wenn die Güte des λ/4-Plättchens (Achromatismus und Phasentoleranz) ausreichend ist, gilt mit hinreichender Genauigkeit M(φ + &epsi;) = M(φ).
Die erhaltenen Signale sind also wie folgt:
Zunächst wird angenommen, daß &epsi; = 0 ist. Unter dieser Bedingung kann unter Verwendung des Eichsensors das folgende Verhältnis bestimmt werden:
und der Faktor K für die Korrektur des Abgleichs ermittelt werden. Von nun an werden Signale der folgenden Art verwendet:
KR = sin(φ + &epsi;)/cosφ
(&epsi; ist bekannt, seine Bestimmung wird für den gesamten Versuch ein einziges mal durchgeführt)
Die Kalibrierschaltung ermöglicht folglich das Wegbringen der Abhängigkeiten von dem Detektionssystem und in regelmäßigen Abständen das Neuberechnen
- der Korrekturkoeffizienten des kontinuierlichen Untergrundes α&sub1;, α&sub2;, α&sub3;
- des Korrekturkoeffizienten des Abgleichs K.
Überdies, wenn der Eichsensor aus zwei verschiedenen Elementen besteht, die sequentiell schaltbar sind und zwei Phasen φ und φ' liefert, sodaß
φ' = φ + π/2
so führt die Messung der Korrekturkoeffizienten zu den folgenden Signalen:
und folglich
welche es ermöglichten, &epsi; unabhängig von der Kenntnis des Korrekturfaktors für den Abgleich zu berechnen, wenn φ bekannt ist.
Dieser Quadraturfehler kann ebenso mit Hilfe eines MICHELSON-Etalons bestimmt werden, bei welchem einer der Spiegel mittels einer piezoelektrischen Bewegungssteuerung präzise geradlinig verschoben wird. Die Registrierung der nach Korrektur und differentieller Verstärkung erhaltenen Signale nach einer geradlinigen Verschiebung um mehr als λ ermöglicht das Messen von &epsi; und K und ihre nachfolgende Verwendung als "momentane" Kalibrierwerte für das Gerät.
Dieser Eichsensor kann auch aus den folgenden Elementen aufgebaut sein:
- einem Polarisator,
- eine doppelbrechende Kompensationsplatte analog zu dem Element 36, die in dem Analysesystem (unter 45º bezüglich des Analysators ausgerichtet) Verwendung findet,
- ein achromatisches λ/4-Plättchen, dessen eine Achse mit dem Analysator übereinstimmt,
- ein drehbarer Polarisator.
Dieser Sensor ermöglicht das Erzeugen kontrollierter Phasenunterschiede, da die scheinbare Phase des Signals sich mit dem Doppelten der Winkelstellung β des sich drehenden Polarisators verändert.
Folglich kann auch ein Gangunterschied erzeugt werden, der dem doppelbrechenden Element alleine (β = 0) entspricht oder es kann π/2 (β = π) dazu addiert werden, um den Sinus- mit dem Cosinuspfad zu vertauschen und so &epsi; und K zu bestimmen.
Danach werden durch Schließen der Blenden 64 und 70 und durch Öffnen der Blende 66 Messungen mit Hilfe des Sensors 20 ermöglicht.
Gleichfalls kann es sich als notwendig erweisen, daß die effektive mittlere Wellenlänge λ&sub0; der verwendeten Lichtquelle in regelmäßigen Abstanden kalibriert wird, wobei die Veränderung dieser Wellenlänge folgende Ursachen haben kann:
- ein Altern der Quelle,
- eine thermische Drift dieser Quelle selbst,
- eine Veränderung der spektralen Transmissionseigenschaften der Anordnung Sensor/Filter der Verbindung/Analysator.
Eine Lösung um dorthin zu gelangen besteht darin, zwei unabhängige Messungen der absoluten Phase φ auszuführen,
- die Erste mit einem Demodulator, der einen Gangunterschied Δ&sub0; aufweist:
φ = 2π/λ&sub0;[Δ(X) - Δ&sub0;]
- die Zweite mit einem Demodulator mit einem Gangunterschied Δ'&sub0;, der unterschiedlich von Δ&sub0; ist:
φ' = 2π/λ&sub0;[Δ(X) - Δ'&sub0;]
Die Differenz zwischen Δ'&sub0; und Δ&sub0; ist gering, stabil und bekannt und liegt zwischen λ&sub0; und der Veränderung des Gangunterschiedes in dem Sensor, nach einer Parameterabweichung, die dem Meßbereich entspricht.
Bei einem Vergleich der beiden Werte φ und φ' wird es einfach, die Unbekannte Δ(X) wegzubekommen und dann λ&sub0; zu bestimmen, vorausgesetzt, daß der Unterschied zwischen Δ&sub0; und Δ'&sub0; bekannt ist.
Diese Messungen können für die beiden in dem System unabhängig verwendeten Wellenlängen λ&sub1; und λ&sub2; ausgeführt werden, die ebenso eine periodische Neukalibrierung von λ&sub1;, λ&sub2; und der Wellenlänge der Interferenz Λ ermöglichen.
Das Doppelbestimmung der absoluten Phase φ kann folgendermaßen ausgeführt werden:
- mittels zwei parallel betriebenen Demodulationssystemen mit einem Gangunterschied Δ&sub0; und Δ'&sub0;,
- durch Einbringen einer zwischen zwei im Winkel von 90º liegenden Positionen drehbaren doppelbrechenden Platte mit geringem optischen Gangunterschied δ vor dem Element 36, sodaß die ordentliche und außerordentliche Achse in jeder Stellung (0º, 90º) mit den neutralen Achsen des doppelbrechenden Elementes 36 zusammenfallen.
In diesem Fall kann die Bestimmung der zwei unterschiedlichen Gangunterschiede sequentiell unter Verwendung der zwei stabilen Positionen der Platte mit geringer Doppelbrechung durchgeführt werden, beispielsweise:
Position 1 (0º) Δ&sub0; = Δ + δ
Position 2 (90º) Δ'&sub0; = Δ - δ
und folglich Δ&sub0; - Δ'&sub0; = 2δ
Bei der Messung, bei welcher in dem optischen Demodulationssystem eine solche Platte anwesend ist, könnte diese praktisch in drei stabilen Positionen verwendet werden, die durch die Orientierungswinkel 0, 45 und 90º gekennzeichnet sind:
Position 1 (0º) Δ&sub0; = Δ + δ
Position 2 (90º) Δ'&sub0; = Δ - δ
Position 3 (45º) Δ'&sub0; = Δ
wobei mit Δ der charakteristische Gangunterschied des Elementes 36 bezeichnet ist. Die Ruheposition der Platte δ kann also in Abhängigkeit von dem effektiven, von dem Sensor erzeugten Gangunterschied gewählt werden, wogegen die Kalibrierposition nahe an jener Position liegen muß, die das Erhalten des größten Modulationsindex ermöglicht.
Das hat zur Folge:
- eine Vereinfachung der Herstellung des Sensors, da die Toleranzen für den Wert des zu erzeugenden Gangunterschiedes vergrößert sind,
- eine Vergrößerung des Verwendungsbereichs, da die Frage nach der Demodulationsfrequenz auf ±δ verlagert ist.
Für die Messungen sind die Lichtquellen 10 und 12 schnell nacheinander angesteuert, beispielsweise so, daß in einer Millisekunde der folgende Zyklus mit vier Messungen ausgeführt wird: Messen bei Betrieb der Quelle 10, Messen bei Extinktion der Quelle 10, Messen bei Betrieb der Quelle 12 und Messen bei Extinktion der Quelle 12. Durch Differenzbildung kann ebenso das Untergrundrauschen und der Einfluß von parasitärem Licht eliminiert werden.
Die Lichtquellen 10 und 12 sind beispielsweise Elektroluminiszenzdioden mit einem thermischen Steuerkreis, sodaß die mittlere Wellenlänge der ausgesandten Strahlung auf Temperaturveränderungen unempfindlich ist. Ebenso kann eine Quelle mit großer spektraler Breite, wie eine Fadenlampe oder eine Bogenlampe, verwendet werden, die mit Interferenzfiltern versehen sind, welche in dem von der Lampe ausgesandten Spektrum die zwei gewünschten Wellenlängen herausfiltern. Eine Thermoschaltung der Interferenzfilter ermöglicht, daß diese Wellenlängen auf Temperaturveränderungen unempfindlich sind.
Elektroluminiszenz- oder Superstrahlerdioden, die als Quelle dienen, können mittels Peltier- Elementen mit einer Genauigkeit von 0,1ºC reguliert werden, was in bezug auf die Wellenlänge einer Genauigkeit von 0,03 nm entspricht. Im Fall einer breitbandigen Quelle, welche mit Interferenzfiltern versehen ist, genügt eine thermische Regelung der Interferenzfilter mit einer Genauigkeit von 1ºC, um in bezug auf die Wellenlänge dieselbe Präzision von 0,03 nm zu erreichen.
Das doppelbrechende Element 36, das einen Teil der Analysemittel bildet, muß ebenso auf Temperaturveränderungen unempfindlich sein und muß eine geringe Dispersion besitzen. Diese Anforderungen werden erfüllt, wenn das Element 36 aus zwei Platten zusammengesetzt ist, von denen eine aus KDP (Kaliumdihydrogenphosphat) (oder eventuell KD*P, bei welchem die Wasserstoffatome durch Deuterium ersetzt sind) und die andere aus Kalkspat (CaCO&sub3;) besteht. Die ordentlichen und außerordentlichen Achsen dieser zwei Platten sind gekreuzt.
So wird eine ausreichende Doppelbrechung des Elementes 36 erzielt, welches thermisch absolut unempfindlich ist (die thermischen Empfindlichkeiten dieser beiden Schichten heben sich genau auf) und weiches eine sehr geringe Dispersion besitzt (die Dispersion der beiden Schichten heben sich zumindest in der ersten Ordnung auf).
Wenn die Dicke des Kalkspates mit e&sub1; und die jene von KDP mit e&sub2; bezeichnet ist, ergibt sich die gesamte Doppelbrechung aus:
B = e&sub1;Δn&sub1; - e&sub2;Δn&sub2;
Die athermische Bedingung ergibt sich in erster Näherung (ohne Berücksichtigung thermischer Ausdehnung) aus:
und ermöglicht das Ermitteln des Dickenverhältnisses k:
welches die Paarung KDP/Kalkspat (die resultierende Doppelbrechung ist nicht gleich null) erfüllen muß.
Überdies ist die exakte Dicke jeder Platte durch die Bedingung bestimmt, die durch die Ubereinstimmung mit dem Meßbereich für die Größe X geschaffen wird.
X&sub0; sei dieser Wert und Δc(X&sub0;,λ) der dem Sensor zugeordnete Gangunterschied; die Bedingung der Übereinstimmung kann folgendermaßen angeschrieben werden:
wobei λ&sub0; die mittlere Wellenlänge der Quelle ist.
Dies ermöglicht das Berechnen von Δ&sub0; und das exakte Bestimmen der Werte für die beiden Platten aus KDP und Kalkspat, die dem in Betracht gezogenen Sensor zugeordnet sind.
Mit dem erhaltenen Wert von K kann weiters auch gezeigt werden, daß die relative spektrale Abhängigkeit der Platte 36 sehr gering ist: 1/B ∂B/∂λ « 1 für K = 0,973.
Zudem muß das hinter dem doppelbrechenden Element 36 angeordnete λ/4-Plättchen 38 achromatisch sein, sodaß die Sinus- und Cosinusfünktionen an demselben Hüllpunkt des Lichtsignals gemessen werden können, um eine hohe Meßgenauigkeit und Linearität über den gesamten Bereich von Gangunterschieden zu gewährleisten.
Dafür muß die weiter oben angeführte Bedingung der Übereinstimmung für denselben Wert für den Gangunterschied in dem Sensor in beiden Pfaden erfüllt sein.
Für den Cosinuspfad erhält man:
Für den Sinuspfad:
wobei mit δ(λ) der dem λ/4-Plättchen zugeordnete Gangunterschied bezeichnet ist. für alle λ
wodurch der Achromatismus eines λ/4-Plättchens gut charakterisiert ist.
Wie in Figur 1 schematisch dargestellt ist, kann zwischen der Eintrittsoptik 26 der Analysemittel und dem ersten Strahlteilerwürfel 28 ein polarisierendes Element 72 eingefügt sein, wenn die optische Faser 22 eine Vielfachmodusfaser mit relativ geringer Länge ist. Wenn der Sensor 20 polarisierend wirkt und die Verbindung zu den Analysemitteln 24 einige Meter beträgt, kann in dem an die Analysemittel 24 übertragenen Signal tatsächlich eine Restpolarisation vorhanden sein, welche die von dem Würfel 28 herbeigeführte Trennung beeinflußt. Das polarisierende Element 72, das in bezug auf den ersten Würfel 28 unter 45º angeordnet ist bewirkt einen Ausgleich zwischen den beiden Analysepfaden und eine exakte Stabilisierung des Verhältnisses ihrer Intensitäten unabhängig von dem Polarisationszustand des zu analysierenden Signals.
Wenn die Verbindung zwischen dem Sensor 20 und den Analysemitteln 24 mittels einer langen Vielfachmodusfaser realisiert ist, ist das Licht, wenn es den Analysemitteln 24 und dem polarisierenden Element 72 zugeführt wird, völlig depolarisiert und daher unnütz (das entspricht einer Verstärkung von 3dB).
Das erfindungsgemäße Gerät besitzt die folgenden entscheidenden Vorteile:
- ein einzelnes doppelbrechendes Element 36 für beide Analysepfade,
- kein Intensitätsverlust (es werden beide Polarisationszustände des Lichtflusses verwendet)
- geringer Platzbedarf (die Analysemittel und die Mittel zur Aufnahme, zum Demultiplexen und zur Analog/Digitalwandlung können in einem Gehäuse mit den Abmessungen von ungefähr 2 mal 10 mal 5 cm untergebracht werden)
- hohe Genauigkeit (die Auflösung beträgt 200 000 Punkte für den Fall, daß nur ein Sensor verwendet wird, was einer Genauigkeit von etwa einem tausendstel ºC in bezug auf Temperatur und einem zwanzigtausendstel der Wellenlänge in bezug auf Phasengenauigkeit entspricht)
- Multiplexfähigkeit (mehr als 10 Sensoren).
Wie in Figur 3 zu sehen ist, sind mehrere Sensoren 20 über optischen Fasern 72 mit einem optischen Koppler 74 verbunden, der mittels einer optischen Faser 76 mit einem weiteren Koppler 78 derselben Type verbunden ist. Die Detektionsmittel 24, deren Anzahl gleich jener der Sensoren 20 ist, sind mittels optischer Fasern 80 mit dem optischen Koppler 78 verbunden. Jedes Detektionsmittel 24, dem ein Sensor 20 zugeordnet ist, weist ein doppelbrechendes Element auf, das auf den zugeordneten Sensor 20 abgestimmt ist.
Bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform sind mehrere Sensoren mittels optischer Fasern 72 mit einem optischen Koppler 74 verbunden, welcher mittels einer optischen Faser 76 mit den Detektionsmitteln 24 verbunden ist. In diesem Fall enthalten letztere eine Anordnung von doppelbrechenden Elementen von derselben Type wie die zusammengesetzte Platte 36, die sukzessiv aufjeden Sensor 20 abgestimmt werden können.
Zu dessen Realisierung sind mehrere Varianten möglich:
a) doppelbrechende Platten des Typs 36, die an jeden Sensor angepaßt sind und welche in den Strahlengang des Lichtstrahls durch geradliniges Bewegen (beispielsweise mittels Gleitführungen) oder Drehen (Drehfilter) eingebracht (oder herausgezogen) werden können;
b) bei einer Variante (Figur 5) können die jedem Sensor zugeordneten Gangunterschiede durch arithmetische Addition doppelbrechender Platten 82 mit gleicher Dicke und Eigenschaften erzeugt werden, wobei diese Platten unter geradliniger Bewegung, beispielsweise mittels Gleitführungen, in den Strahlengang des Lichtstrahls 84 eingebracht (oder herausgezogen) werden;
c) bei einer Variante (Figur 6) können die jedem Sensor zugeordneten Gangunterschiede durch algebraische Addition der Doppelbrechung von gekreuzten Platten 86, 88, 90, ... mit identischen Eigenschaften und Dicken erzeugt werden, wobei diese Platten um die Strahlachse 84 drehbar sind und zwei stabile Lagen besitzen, die zueinander einen Winkel von 90º einschließen, wobei die ordentlichen und die außerordentlichen Achsen der Platten ständig ausgerichtet sind und die Rotation einer Platte das Addieren oder Subtrahieren seiner Doppelbrechung zu jener der Anordnung der anderen Platten ermöglicht (Wechsel zwischen ordentlicher und außerordentlicher Achse);
d) bei einer Variante (Figur 7) können die jedem Sensor zugeordneten Gangunterschiede durch algebraische Addition der Doppelbrechung von gekreuzten Platten 86, 88, 90 erzeugt werden, wobei diese Addition oder Subtraktion durch elektrische Steuerung von zwischengeschalteten λ/2- Plättchen 92 induziert wird, deren Achsen bezüglich der Abstimmelemente unter 45º geneigt sind.
Diese zwischengeschaltenen Platten 92 bestehen aus elasto-optischen, elektro-optischen oder einem anderen Material, dessen Doppelbrechung je nach Einstellung der Steuerung den Wert 0 oder λ/2 annimmt.
Gleichfalls kann, wie in Figur 8 schematisch dargestellt ist, ein zeitliches Mulitplexen der Signale durchgeführt werden, die von den Sensoren 20 ausgehen, welche über eine gemeinsame optische Leitung 76 in die Analysemittel 24 münden. In diesem Fall müssen die von jeder Quelle gelieferten Impulse ausreichend kurz sein, sodaß die Abstände zwischen den Sensoren oder Gruppen von Sensoren ausreichen, um die von den unterschiedlichen Sensoren oder Gruppen von Sensoren kommenden Signale zeitlich trennen zu können. Die von jedem Sensor belieferte Informationsverarbeitung ist also identisch mit der vorhin beschriebenen, wogegen die synchron an die diversen Sensoren gelieferte Information jedoch nur für das Meßintervall andauert, das durch die Dauer des entlang der Leitung 76 geschickten Lichtimpulses definiert ist.
Die Identifizierung der Sensoren kann also rein zeitlich erfolgen.
Dieses Muliplexverfahren kann in Kombination mit jenen verwendet werden, die vorhin für den Fall einer kontinuierlichen Messung beschrieben wurden.
Die Erfindung ermöglicht präzise Messungen physikalischer Größen aus relativ großen Entfernungen, beispielsweise 3 km oder mehr, ohne Einfluß seitens der Übertragungsleitung; eine Auflösung von 200 000 Punkten für den Fall, daß nur ein Sensor verwendet wird oder 1000 Punkten für den Fall, daß in derselben Übertragungsleitung acht Sensoren verwendet werden.

Claims

1. Opto-elektronisches Gerät zum Messen einer physikalischen Göße aus der Entfernung, das eine Lichtquelle (10, 12), einen der zu messenden physikalischen Größe ausgesetzten Sensor (20), der eine periodische spektrale Modulation des von der Quelle empfangenen Lichtflusses mit einer Frequenz bewirkt, die von der physikalischen Größe (X) abhängig ist, und Mittel (24) zur spektralen Analyse des von dem Sensor (20) übermittelten Lichtflusses aufweist, wobei die Analysemittel ein doppelbrechendes Element (36) aufweisen, das auf den Sensor (20) abgestimmt ist und einen optischen Gangunterschied erzeugt, der jenem nahekommt, der von dem Sensor erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysemittel (24) statisch sind und polarisierende Strahlteilerwürfel (28, 40, 42), die den Photodetektoren (50) zugeordnet sind, und Mittel zur Informationsverarbeitung aufweisen, die mit den Photodetektoren (50) zur Berechnung und Bestimmung des Phasenmodulus 2π des Lichtsignales verbunden sind, das von dem doppelbrechenden Element (36) der Analysemittel transmittiert wird, und daß das Gerät zwei Lichtquellen (10, 12), welche Lichtflüsse aussenden, die an zwei unterschiedlichen Wellenlängen liegen, und Mittel zur Steuerung eines alternierenden Betriebes dieser Lichtquellen (10, 12) aufweist, wobei die Differenz der Wellenlängen der beiden Lichtflüsse so ist, daß der Absolutwert der Phasendifferenz der von dem doppelbrechenden Element (36) übermittelten Signale für einen vorbestimmten Wellenlängenbereich von Werten der zu messenden physikalischen Größe (X) unterhalb von π liegt.

2. Gerät riach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysemittel (24) bezüglich der Ausbreitungsrichtung des von dem Sensor (20) übermittelten Lichtflusses aufeinanderfolgend aufweisen: einen ersten polarisierenden Strahlteilerwürfel (28), der in zwei Analysepfaden von zwei normal zueinander polarisierten Signalen durchstrahlt wird, das vorgenannte doppelbrechende Element (36), das in den beiden Analysepfaden angeordnet ist, ein Lambda/Viertel-Plättchen (38), das in einem der Analysepfade angeordnet ist, zwei polarisierende Strahlteilerwürfel (40, 42), von denen jeder in einem Analysepfad angeordnet ist, und vier Photodetektoren (50) aufweist, von denen jeder an einem der Ausgänge dieser Strahlteilerwürfel (40, 42) angeordnet ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Strahlteilerwürfel (28, 40, 42) ein zweiter Strahlteilerwürfel (34, 44, 46) zugeordnet ist, welcher mit einem seiner Ausgänge so angeordnet ist, daß die Lichtflüsse, von denen einer direkt aus dem ersten Strahlteilerwürfel und der andere aus dem zweiten Strahlteilerwürfel austritt, parallel sind und dieselbe Orientierung besitzen.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Photodetektoren (50) in einer Linie angeordnet sind.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lambda/Viertel-Plättchen (38) achromatisch ist.

6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das doppelbrechende Element (36) auf Temperaturänderungen unempfindlich ist und eine sehr geringe Dispersion besitzt.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das doppelbrechende Element (36) aus zwei zusammengefügten Schichten besteht, deren ordentliche Achsen und außerordentliche Achsen gekreuzt sind.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengefügten Schichten aus KDP beziehungsweise aus Kalzit bestehen.

9. Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen (10, 12) elektro-luminiszierende oder super-luminiszierende Dioden sind, die einem thermischen Regelkreis zugeordnet sind.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen eine gemeinsame breitbandige Lichtquelle, wie beispielsweise eine Faden- oder Bogenlampe, und einem thermischen Regelkreis zugeordnete Interferenzfilter zur Transmission zweier unterschiedlicher, vorbestimmter Wellenlängen aufweisen.

11. Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltungen der Lichtquellen (10, 12) zum Ausführen von vier Messungen (mit jeder Lichtquelle eine Messung bei Beleuchtung und eine Extinktionsmessung) bei einer Frequenz zum Beispiel von ungefähr 1 kHz vorgesehen sind.

12. Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (20) an dem Ausgang, der mit einem Polarisatorelement (72) versehen ist, das unter 45º zu dem polarisierenden Strahlteilerwürfel (28) der Analysemittel (24) ausgerichtet ist, mittels einer optischen Vielfachmodus-Faser mit den Analysemitteln (24) verbunden ist.

13. Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Kalibrierschaltung enthält, die einen direkten Verbindungspfad zwischen den Lichtquellen (10, 12) und den Analysemitteln (24), einen Verbindungspfad zwischen dem Eichsensor (68) und den Analysemitteln (24) und Blenden (64, 70, 66) aufweist, die in diesen zwei Pfaden und in dem Meßpfad angebracht sind, der vom Meßsensor (20) zu den Analysemitteln (24) führt.

14. Gerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Eichsensor der Kalibrierschaltung dazu geeignet ist, sequentiell Signale mit einer Phasendifferenz von p/2 zu erzeugen und beispielsweise einen Polarisator aufweist, der in eine vorgegebene Winkelposition gedreht wird.

15. Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es Mittel zur Kalibrierung der Wellenlänge jeder Lichtquelle (10, 12) aufweist, wobei diese Mittel doppelbrechende Elemente (36), die parallel angeordnet sind und unterschiedliche benachbarte Gangunterschiede Δo und Δ'o erzeugen, oder eine doppelbrechende Schicht mit geringem Gangunterschied aufweisen, die dem Element (36) zugeordnet ist und zwischen vorbestimmten Positionen gedreht werden kann.

16. Gerät nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es mehrere Sensoren (20), die parallel angeordnet sind und unterschiedliche spektrale Modulationsfrequenzen besitzen, und genausoviele parallel angeordnete Analysemittel (24) enthält, von denen jedes ein doppelbrechendes Element (36) aufweist, das auf den entsprechenden Sensor abgestimmt ist, wobei diese Sensoren mittels derselben optischen Faser (76) und den optischen Kopplern (74, 78) mit den Analysemitteln verbunden sind.

17. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, däß es mehrere Sensoren (20) aufweist, die parallel angeordnet sind und unterschiedliche spektrale Modulationsfrequenzen besitzen, und die mittels eines optischen Kopplers (74) und einer gemeinsamen optischen Faser (76) mit den gemeinsamen Analysemitteln (24) verbunden sind, wobei diese Analysemittel eine Anordnung von doppelbrechenden Elementen enthalten, die sukzessiv auf jeden Sensor (20) abgestimmt werden können.

18. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysemittel (24) mittels einer optischen Faser (76) mit den Sensoren (20) verbunden sind, die voneinander um solche Abstände entfernt sind, daß die Signale, die von den Sensoren herrühren und über das Meßintervall andauern, zeitlich getrennt werden können, wobei das Meßintervall durch die Dauer der von den Lichtquellen (10, 12) ausgesandten Lichtimpulse festgelegt wird.