DE69530766T2

DE69530766T2 - Einrichtung zum detektieren des rotationswinkels eines beugungsgitters

Info

Publication number: DE69530766T2
Application number: DE69530766T
Authority: DE
Inventors: Tatsuki Kakimoto
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1995-02-24
Filing date: 1995-12-13
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2015-12-14
Also published as: JP3459070B2; DE69530766D1; EP0758075A4; EP0758075B1; US5828061A; WO1996026414A1; EP0758075A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Detektieren eines Drehwinkels eines drehbaren Beugungsgitters, das im allgemeinen für optische Vorrichtungen verwendet wird, und insbesondere eine Vorrichtung zum Detektieren eines Drehwinkels eines Beugungsgitters, die bei einer optischen Spektrometervorrichtung (einem optischen Spektralanalysator), einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle usw. anwendbar ist.
Stand der Technik
Das auf dem Gebiet von optischen Vorrichtungen verwendete Beugungsgitter ist drehbar, wie bekannt ist, hat eine große Anzahl von Nutzen oder Furchen, die an seiner Oberfläche in bestimmten Abständen vorgesehen sind, und besteht aus einem Element zum Erzeugen von gebeugtem Licht aufgrund einer Interferenz von Licht, das an den glatten Oberflächen zwischen Furchen in Abhängigkeit von einem Lichteinfallswinkel reflektiert wird.
Die US 4 664 522 beschreibt einen optischen Wellenleiter-Spektralanalysator und ein Verfahren zum Analysieren von Spektraldaten von einem Lichtwellenleiter. Dieser Spektralanalysator weist ein drehbares Beugungsgitter auf, wie oben erwähnt, um das Licht von dem Wellenleiter in seine Spektralkomponenten zu zerlegen und leitet diese Komponenten zu einem lichtempfindlichen Detektor.
Das Dokument "Technical Digest – Symposium on Optical Fibre Measurements", 1992: Moderate-accuracy wavelength standards for optical communications" beschreibt eine Wellenlängenreferenzvorrichtung, die auf der Absorption von Licht durch ein Gas beruht, das eine Absorptionslinie in einem bestimmten Wellenlängenbereich besitzt. Dieses Dokument beschreibt ferner, daß solche Referenzen dazu dienen könnten, optische Spektralanalysatoren zu kalibrieren, da ihre Wellenlängen keinen großen Änderungen infolge von Umgebungsveränderungen wie etwa der Temperatur oder des Drucks unterliegen.
Als eine optische Vorrichtung, die ein solches Beugungsgitter verwendet, ist ein Lichtspektralanalysator gemäß 8 bekannt (siehe Anritsu Technical Review Nr. 13, Juli 1991, Seiten 36 bis 49).
Wenn eine Wellenlängenverteilung usw. von in Betracht gezogenem Licht in dem optischen Spektralanalysator gemessen wird, so wird die Drehung eines Beugungsgitters 31 von einem Motor 33 gesteuert, während sein Drehwinkel von einem Winkeldetektor 32, wie etwa einem Codierer, Potentiometer usw. detektiert wird.
Das zu messende Licht wird von dem Beugungsgitter 31 geteilt.
Das von dem Beugungsgitter 31 geteilte, austretende Licht wird durch einen Spalt 34 in einer Spalteinrichtung 34 auf eine Fokussierungsposition gebündelt und dann von einer Lichtempfangseinheit 35 empfangen und in Form von Spektren auf einer nicht gezeigten Displayeinheit angezeigt.
Beim Messen der Wellenformverteilung (Spektren) des zu messenden Lichts in dieser Art von Lichtspektralanalysator wird zunächst der Absolutwert der Wellenform relativ zu dem zu messenden Licht aus einem in dem Beugungsgitter 31 inhärenten theoretischen Beugungswinkel ermittelt.
Der Drehwinkel des Beugungsgitters 31 wird gesteuert, indem der Absolutwert der Wellenform so vorgegeben wird, daß er der Impulszahl eines Codierers als Winkeldetektor 32 oder einer Spannung des Potentiometers entspricht. Genauer gesagt, es wird einem von dem Codierer als Winkeldetektor 32 abgegebenen Impuls oder einer Spannung des Potentiometers eine Zahl zugeordnet für jeden vorbestimmten Winkel in einem Drehwinkelwinkelbereich des Beugungsgitters 31, so daß der Absolutwert der Wellenform der entsprechenden Zahl zugeordnet wird.
9 zeigt die Beugungsordnung des gebeugten Lichts durch das Beugungsgitter 31 dieser Art und seine Beugung.
Es sei beispielsweise angenommen, daß Licht einer Wellenlänge von 1 γm unter einem Einfallswinkel von 15° in bezug auf eine Normale N einfällt. Dann wird das Licht in 10 Richtungen gebeugt, d. h. mit der Beugungsordnung m = –3, –2, –1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6.
Die in 8 gezeigte Lichtempfangseinheit 35 des Lichtspektralanalysators empfängt gebeugtes Licht der Ordnung m = 1, 2.
In diesem Fall wird der Beugungswinkel βm des einfallenden Lichts aus der folgenden Gleichung (1) ermittelt. mλ = d cos θ (sin i + sin βm) (1),wobei
d = Abstand von Furche zu Furche des Beugungsgitters;
i = Einfallswinkel;
θ = Winkel des einfallenden Lichts in bezug auf eine XY-Ebene;
λ = absolute Wellenlänge des einfallenden Lichts; und
m = Beugungsordnung (m = 0, ±1, ±2,...)
Ferner ist eine wellenlängenabstimmbare Lichtquelle als eine optische Einheit bekannt, die diese Art von Beugungsgitter verwendet (siehe Optical Fiber Telecommunications II, Seiten 533 bis 536, Academic Press, Inc. 1988).
Diese wellenlängenabstimmbare Lichtquelle ist derart, daß aus einer Laserdiode 36 austretendes Licht relativ zu einem Beugungsgitter 31 wechselweise vor und zurück bewegt wird und zur Resonanz gebrachtes Licht an dem anderen Ende der Laserdiode 36 abgegeben wird.
Eine solche abstimmbare Lichtquelle vom externen Hohlraumtyp ist derart, daß die Wellenlänge von an dem anderen Ende der Laserdiode 36 abgegebenen Licht veränderbar gesteuert wird, indem der Drehwinkel des Beugungsgitters 31 durch einen Motor 33 geändert wird.
Ebenso wie bei dem vorstehend genannten optischen Spektralanalysator wird die Drehung des Beugungsgitters 31 von dem Motor 33 gesteuert, während der Drehwinkel von einem Codierer und einem Winkeldetektor 32, wie etwa einem Potentiometer detektiert wird.
Wenn sich jedoch die Umgebungsbedingung, wie etwa Umgebungstemperatur, -feuchtigkeit und -druck ändert, dann ändert sich bei dem vorstehend genannten optischen Spektralanalysator und der wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle der Beugungswinkel des gebeugten Lichts von dem Beugungsgitter 31, da sich die Brechzahl von Luft sowie der Abstand von Furche zu Furche des Beugungsgitters 31 empfindlich ändern.
Aufgrund einer nachteiligen Wirkung, die aus der Änderung der Umgebungsbedingung resultiert, ist der Absolutwert der Wellenlänge des gebeugten Lichts von dem Beugungsgitter 31 nicht immer mit dem theoretischen Wert in Übereinstimmung und variiert, so daß dadurch die Genauigkeit der Messung der Wellenform verringert wird. Bei dem oben genannten optischen Spekralanalysator und der wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle ist es daher nicht möglich, jederzeit eine stabile Wellenlängenverteilung zu messen und Licht einer gewünschten Wellenlänge abzugeben.
Es sei beispielsweise angenommen, daß als Umgebungsbedingungen eine Temperatur von 25°C, eine Feuchtigkeit von 50% und einen Atmosphärendruck von 1 hPa als Referenz vorgesehen sind. Wenn sich dabei die Umgebungsbedingung in einem Bereich von 5 bis 45°C hinsichtlich der Temperatur, 0 bis 90% hinsichtlich der Feuchtigkeit und 0,95 bis 1,05 hPa hinsichtlich des Atmosphärendrucks ändert, ist die Genauigkeit, mit der die Wellenlänge von dem optischen Spektralanalysator gemessen wird, 0,5 nm, und die Genauigkeit der Wellenform von austretendem Licht von der wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle ist 0,1 nm.
Als ein Verfahren zum Gewährleisten dieser Genauigkeiten wird in Betracht gezogen, den optischen Spektralanalysator und die wellenlängenabstimmbare Lichtquelle in einem thermostatischen und in einem Vakuumbehälter zur Handhabung zu halten. Dies macht eine Vorrichtung insgesamt sperriger und ist nicht praktisch.
Das heißt, dieses Problem entsteht aus der Tatsache, daß es nicht möglich ist, den Drehwinkel des Beugungsgitters genau zu detektieren, da er von einer Änderung der Umgebungsbedingungen beeinflußt wird.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist unter Berücksichtigung der obengenannten Probleme entstanden und beachtet die Tatsache, daß dann, wenn als eine Wellenlängenreferenz von einer Gasabsorptionslinie Gebrauch gemacht wird, die von den Absolutwerten einer Wellenform selbst bei einer Änderung der Umgebungsbedingung nicht beeinflußt wird, es möglich ist, den Drehwinkel eines Beugungsgitters genau zu detektieren und somit jederzeit genaue Beugungswinkeldaten von dem Beugungsgitter abzunehmen.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Detektieren eines Drehwinkels eines Beugungsgitters anzugeben, die bei einem optischen Spektralanalysator anwendbar ist und die Genauigkeit der Absolutwerte einer Wellenlänge von gebeugtem Licht in dem Beugungsgitter verbessern und eine hochgenaue Messung durchführen kann, und bei einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle anwendbar ist, die Licht einer stabilen, gewünschten Wellenlänge abgeben kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung nach Anspruch 1 angegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht, die eine Anordnung einer Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Detektieren eines Drehwinkels eines Beugungsgitters zeigt;
2 ist eine schematische Ansicht, die eine Anordnung einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Detektieren eines Drehwinkels eines Beugungsgitters zeigt;
3 ist eine schematische Ansicht, die einen optischen Spektralanalysator als optische Spektrometervorrichtung zeigt, bei der die vorliegende Erfindung angewandt wird;
4 ist eine schematische Ansicht, die eine wellenlängenabstimmbare Lichtquelle zeigt, bei der die vorliegende Erfindung angewandt wird;
5 ist eine schematische Ansicht, die einen optischen Spektralanalysator zeigt, bei dem die vorliegende Erfindung angewandt wird;
6A und 6B sind Ansichten, die die Korrektur von erheblichen Abstufungen auf einem Bildschirm auf der Basis von Korrekturdaten zeigt;
7 ist ein Flußdiagramm zur Erläuterung eines Referenzpositions-Meßprinzips;
8 ist eine schematische Ansicht, die eine herkömmliche optische Spektrometervorrichtung zeigt;
9 ist eine Ansicht, die die Ordnung von Beugungslicht durch ein Beugungsgitter und seine Richtungen zeigt; und
10 ist eine Ansicht, die eine herkömmliche wellenlängenabstimmbare Lichtquelle zeigt.
Beste Art, die Erfindung auszuführen
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
1 ist eine schematische Ansicht, die eine Vorrichtung zum Detektieren eines Drehwinkels eines Beugungsgitters gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die in 1 gezeigte Drehwinkeldetektiervorrichtung weist folgendes auf: eine Wellenlängenreferenzlichtquelle 1, ein Beugungsgitter 2, eine Referenzlichtempfangseinheit 3, einen Winkeldetektor 4, eine Antriebseinheit 5 und eine Recheneinheit (Signalverarbeitungseinheit) 6.
Die Wellenlängenreferenzlichtquelle 1 weist eine Lichtquelle 7 und eine Absorptionszelle 8 auf.
Die Lichtquelle 7 weist eine Lichtquelle für weißes Licht oder eine SLD (superstrahlende LED) zur Abgabe von Licht auf, das verschiedene Wellenlängen enthält, um einen Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Wellenlänge abzugeben.
Die Absorptionszelle 8 weist ein Rohr auf, in dem ein Gas hermetisch eingeschlossen ist, das eine Absorptionslinie hat, die das Licht einer vorbestimmten Wellenlänge jederzeit absorbiert, ohne von einer Änderung der Umgebungsbedingung beeinflußt zu werden.
Als Gas mit einer Absorptionslinie in einem Bereich von 1,5 μm gibt es beispielsweise C₂H₂, CO₂, NH₃, H₂O, HCN, CH₃Cl usw.
Als Gas mit einer Absorptionslinie in einem Bereich von 1,3 μm gibt es ferner CH₄, NH₃, H₂O, HF usw.
Als Gas mit einer Absorptionslinie in einem Bereich von 0,8 μm gibt es H₂O, Rb, Cs usw.
Dokumente für diese Gasabsorptionslinien sind beispielsweise folgende: Frequency Stabilization of Laser Diode Using 1.51–55 μm Absorption Lines of ¹²C₂H₂ and ¹³C₂H₂, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 28, Nr. 1, Januar 1992, Seiten 75 bis 81, und Frequency Stabilization of AlGaAs Semiconductor Laser Based on the ⁸⁵Rb-D₂ Line, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 21, Nr. 9, September 1982, Seiten L561 bis L563, usw.
Die Absorptionszelle 8, die ein solches spezielles Gas verwendet, ermöglicht es, daß Licht von der Lichtquelle 7 zu dem Beugungsgitter 2 als durchgelassenes Licht austritt, das ein Spektrum besitzt, das nur eine gegebene Wellenformkomponente absorbiert, d. h. eine Komponente, die eine in diesem genannten Gas inhärente Absorptionslinie hat.
Wie oben ausgeführt, verwendet dabei die Wellenlängenreferenzlichtquelle 1 die Lichtquelle für weißes Licht oder die SLD, und ihr Ausgangslicht besitzt einige Absorptionslinien.
Bei der Absorptionszelle 8, die beispielsweise ein C₂H₂-Gas verwendet, existiert die Absorptionslinie für jede Wellenlänge von ungefähr 0,9 nm bis 1 nm.
Die Halbwertsbreite der Absorptionslinie ist in Abhängigkeit von dem Druck (der Dichte) des hermetisch eingeschlossenen Gases in der Absorptionszelle 8 verschieden.
Der Druck des hermetisch eingeschlossenen Gases wird in Bezug auf die Absorptionszelle 8 in Abhängigkeit von einer Meßauflösung des Beugungsgitters 2 eingestellt. Bei der Absorptionszelle 8, die ein C₂H₂-Gas verwendet, wird die Halbwertsbreite von ungefähr 1 GHz bei einem hermetischen Druck von 100 Torr erhalten.
Das Beugungsgitter 2 hat eine größere Anzahl von Furchen 2a, die in der Oberfläche in vorbestimmten Abständen vorgesehen sind, und das durchgelassene Licht, das von der Seite der Absorptionszelle 8 kommt, wird von einer glatten Oberfläche zwischen den Furchen 2a zu der Seite der Referenzlichtempfangseinheit 3 reflektiert (siehe 9).
Die Referenzlichtempfangseinheit 3 empfängt das gebeugte Licht von dem Beugungsgitter, und ein dieser empfangenen Lichtmenge entsprechendes elektrisches Signal wird an die Recheneinheit 6 abgegeben.
Der Winkeldetektor 4 detektiert den Drehwinkel des Beugungsgitters 2 und weist folgendes auf: einen Codierer, um jedesmal dann einen Impuls abzugeben, wenn das Beugungsgitter 2 mit einer Rate eines vorbestimmten Winkels gedreht wird, ein Potentiometer zum Ausbilden einer Spannung aufgrund einer Änderung eines Widerstandswerts, der aus der Drehung des Beugungsgitters 2 resultiert, usw.
Genauer gesagt, bei dem Beugungsgitter 2, dessen Drehung in einem Bereich von beispielsweise 0 bis 40° gesteuert wird, ordnet die Recheneinheit 6 einem von dem Codierer als Detektor 4 abgegebenen Impuls oder einer Spannung an dem Potentiometer für jeden vorbestimmten Winkel eines Bereichs von 0 bis 40° eine Zahl zu, was nicht gezeigt ist, und ordnet der Zahl den Absolutwert der Wellenlänge zu.
Im Bereich von beispielsweise 0,6 bis 1,75 μm bei dem noch zu beschreibenden optischen Spektralanalysator und im Bereich von beispielsweise 1,4 bis 1,7 μm wird von der Recheneinheit 6 die Korrespondenz mit der Wellenlänge des durchgelassenen Lichts von der Absorptionszelle 8 ermittelt.
Die Antriebseinheit 5 ist mit einem Motor versehen, und wenn die Wellenlänge von dem Bediener über die Recheneinheit 6 eingestellt wird, was nicht gezeigt ist, wird der Motor in Abhängigkeit von einer Tabelle an der Recheneinheit angetrieben, so daß das Beugungsgitter 2 in eine Position gedreht werden kann, der diese Wellenlänge zugeordnet ist.
Die Antriebseinheit 5 treibt das Beugungsgitter 2 in Normal-/Umkehr-Drehrichtung an, um in einem vorbestimmten Winkelbereich (beispielsweise 0 bis 40°) eine Abtastung durchzuführen, wobei ein horizontaler Zustand als Referenz dient, wie durch eine strichpunktierte Linie gezeigt ist.
Obwohl dies nicht gezeigt ist, treibt die Antriebseinheit 5 den Motor gemäß einer noch zu beschreibenden Korrektur auf der Basis der Korrekturdaten von der Recheneinheit 6 an, um zu bewirken, daß das Beugungsgitter 2 mit einer Drehbewegung angetrieben wird.
Die oben beschriebene Recheneinheit 6 weist einen Mikrocomputer auf, der beispielsweise mit einer CPU, einem ROM und einem RAM versehen ist, in dem im voraus folgendes in Form einer Tabelle gespeichert ist: die Drehwinkeldaten des Beugungsgitters 2, die der Wellenlänge des zu messenden Lichts entsprechen, und Daten, wie etwa ein Spannungswert des Potentiometers als Winkeldetektor 4, die der Breite der Wellenlänge entsprechen.
Die Recheneinheit 6 führt eine vorbestimmte Signalverarbeitung zum Berechnen des Drehwinkels (Korrekturdaten) des Beugungsgitters 2 auf der Basis der Eingangsdaten aus, wie etwa der von dem Bediener eingestellten Wellenlänge, dem elektrischen Signal von der Referenzlichtempfangseinheit 3 und dem Winkeldetektiersignal von dem Winkeldetektor 4.
Die Recheneinheit 6 berechnet als Drehwinkel des Beugungsgitters 2 (beispielsweise den Winkel mit der horizontalen Position als Referenz) einen Korrekturwert, der einer Verlagerung relativ zu einem Winkeldetektiersignal (der Impulszahl des Codierers oder der Spannung des Potentiometers) des Winkeldetektors 4 unter der Annahme einer zugehörigen Wellenlänge des zu messenden Lichts entspricht, was nicht gezeigt ist, auf der Basis des Absolutwerts der Wellenlänge einer Absorptionslinie, wenn die Referenzlichtempfangseinheit 3 das gebeugte Licht einer Wellenlängenkomponente empfängt, in der diese Absorptionslinie vorhanden ist.
Bei der so ausgebildeten Vorrichtung zum Detektieren des Drehwinkels des Beugungsgitters tritt dann, wenn das Licht von der Lichtquelle 7 auf die Absorptionszelle fällt, durchgelassenes Licht, das ein Spektrum hat, d. h. ein Spektrum, das nur eine Wellenlängenkomponente absorbiert, in der die Absorptionslinie vorhanden ist, aus der Absorptionszelle 8 aus, ohne von einer Änderung der Umgebungsbedingungen beeinflußt zu werden.
Das Beugungsgitter 2 empfängt das durchgelassene Licht, und die Referenzlichtempfangseinheit 3 empfängt es als gebeugtes Licht von dem Beugungsgitter 2.
Durch die Verwendung einer Änderung des Pegels oder des Werts des gebeugten Lichts des Beugungsgitters 2, die dadurch erzeugt wird, daß jede Absorptionslinie in der Absorptionszelle 8 (λ1, λ2 in 1) hinsichtlich des Absorptionsvermögens verschieden ist, erkennt die Recheneinheit 6 das gebeugte Licht, d. h. von der Referenzlichtempfangseinheit 3 empfangenes Licht, als Licht, das aufgrund der Absorptionslinie einer bestimmten Wellenlänge austritt, und berechnet den Drehwinkel des Beugungsgitters 2.
Genauer gesagt, die Recheneinheit 6 vergleicht die Impulszahl, d. h. eine Impulszahl des Codierers als Winkeldetektor 4, oder einen Spannungswert des Potentiometers mit den tabellarischen Daten, wenn die Referenzlichtempfangseinheit 3 das gebeugte Licht empfängt, und berechnet den Drehwinkel des Beugungsgitters 2, der der Wellenlänge des Lichts zu diesem Zeitpunkt entspricht.
Nachstehend wird das Meßprinzip zum Kalibrieren der vorher in Tabellenform gespeicherten Wellenlängendaten erläutert.
Zunächst wird die jeweilige Messung unter Anwendung der folgenden Gleichung (2) ausgeführt. mλ = Asinθ,wobei
m = Beugungsordnung des gebeugten Lichts;
λ = Wellenlänge;
A = Konstante des optischen Systems;
θ = Verlagerungswinkel in Bezug auf einen Ursprung, der der Position (dem Winkel) des Beugungsgitters entspricht, wenn Licht nullter Ordnung empfangen wird.
In Gleichung (2) sind die zu ermittelnden Konstanten die Konstante A des optischen Systems und der Verlagerungswinkel θ.
Um den Verlagerungswinkel θ zu ermitteln, ist es dabei erforderlich, einen Zählwert des Codierers als Winkeldetektor 4 zu erhalten, der dem Lichtursprung nullter Ordnung zugeordnet ist.
Wenn der Zählwert des Codierers am Ursprung des Lichts nullter Ordnung und die Konstante A des optischen Systems mit dem Referenzlicht ermittelt werden, folgt aus Gleichung (2), daß es möglich ist, eine Beziehung der Wellenlänge λ und des Zählwerts des Codierers 4 zu finden.
Genauer gesagt, bei der in 1 gezeigten Konstruktion wird Referenzlicht einer Wellenlänge λ1 von der Lichtquelle 7 dem Beugungsgitter 2 zugeführt, wie es in dem Flußdiagramm von 7 – Schritt S1 – gezeigt ist.
In Schritt S2 wird die durch die Drehung des Beugungsgitters 2 erhaltene Leistung des gebeugten Lichts von der Referenzlichtempfangseinheit 3 und der Recheneinheit 6 gemessen.
In Schritt S3 wird beurteilt, ob die Leistung des gebeugten Lichts maximal ist.
Wenn entsprechend dieser Beurteilung die Leistung des gebeugten Lichts maximal wird, dann wird das gebeugte Licht zu diesem Zeitpunkt als Licht angesehen, das dem Licht nullter Ordnung entspricht, und der Zählwert (a) des Codierers wird in Schritt S4 gespeichert.
Dann wird unter Verwendung des Lichts erster Ordnung des gebeugten Lichts das Beugungsgitter 2 auf der Basis der vorher gespeicherten Wellenformdaten in eine Position einer Wellenlänge λ1 bewegt – Schritt S5.
In Schritt S6 wird die Leistung des Beugungsgitters 2 gemessen, indem das Beugungsgitter 2 gedreht wird.
Genauer gesagt, es wird dabei das Beugungsgitter 2 in einem Wellenlängenbereich von ungefähr + 0,7 nm gedreht, wobei die Position der Wellenlänge λ1 als Referenz dient.
Dann wird in Schritt 57 diesmal beurteilt, ob die Leistung des gebeugten Lichts minimal ist.
Wenn die Leistung des gebeugten Lichts minimal ist, wird das gebeugte Licht zu diesem Zeitpunkt als Licht angesehen, das der Wellenlänge λ1 entspricht, und der Zählwert (b) des Codierers 4 wird in Schritt S8 gespeichert.
In Schritt S9 wird sin θ in Gleichung (2) aus den Zählwerten (a), (b) ermittelt, die, wie oben angegeben, gespeichert sind, und die Konstante A des optischen Systems wird aus sin θ, m = 1 und λ = λ1 ermittelt. Auf dieser Basis wird die Wellenlänge in Form von Wellenlängendaten neu eingetragen.
Um bei der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung den Drehwinkel des Beugungsgitters gemäß der vorstehenden Erläuterung zu detektieren, wird als Wellenformreferenz von der Gasabsorptionszelle Gebrauch gemacht, die von der Änderung der Umgebungsbedingung unbeeinflußt ist. Dabei ist es ohne Beeinflussung durch die Änderung der Umgebung, wie etwa Atmosphärentemperatur, -feuchtigkeit und -druck möglich, eine Verbesserung des Absolutwerts der Wellenlänge des von dem Beugungsgitter 2 kommenden gebeugten Lichts zu erzielen und ferner den Drehwinkel des Beugungsgitters 2 in Bezug auf die Wellenlänge zu diesem Zeitpunkt genau zu detektieren.
Ferner kann die Absorptionslinie anstatt aus der Differenz des Absorptionsvermögens der jeweiligen Absorptionslinien auch aus einem Intervall (Δλ in 1) bestimmt werden, das in der Absorptionslinie vorhanden ist, wobei auf das bei der Absorptionslinie vorhandenen Intervall geachtet wird.
2 ist eine schematische Ansicht, die eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Detektieren eines Drehwinkels eines Beugungsgitters zeigt.
Die in 2 gezeigte Drehwinkeldetektiervorrichtung ist von einem Typ, bei dem anstelle der Wellenformreferenzlichtquelle der Konstruktion gemäß 1 eine die Wellenform stabilisierende Lichtquelle 11 verwendet wird. Der restliche Teil der Vorrichtung ist der gleiche wie der gemäß 1, und eine weitere Erläuterung desselben entfällt.
Gewöhnlich verändert sich die Schwerpunktwellenlänge des Ausgangslichts einer einzelnen Laserdiodeneinheit, die als Lichtquelle verwendet wird, infolge der Änderung der Umgebungsbedingungen.
Um dieses Problem zu lösen, weist die die Wellenlänge stabilisierende Lichtquelle 11 zusätzlich zu einer eine Laserdiode aufweisenden Lichtquelle 12 zur Abgabe von Licht einer vorbestimmten Wellenlänge folgendes auf: eine Lichtteilungseinheit 13, eine Absorptionszelle 8, eine Lichtempfangseinheit 14 zur Wellenlängensteuerung und eine Wellenlängensteuerschaltung 15; dies ermöglicht es, daß stabilisiertes Laserlicht zu einem Beugungsgitter 2 austritt.
Die Lichtteilungseinheit 13 weist beispielsweise einen Strahlenteiler, Optokoppler usw. auf.
Die Lichtteilungseinheit 13 ermöglicht es, Laserlicht, das von der Lichtquelle 12 kommt, in zwei Richtungen zu teilen.
Von diesen geteilten Lichtstrahlen fällt der eine Lichtstrahl auf die Absorptionszelle 8 zum Absorbieren von Licht einer bestimmten Wellenlänge, und der andere Lichtstrahl fällt auf das Beugungsgitter.
Die Lichtempfangseinheit 14 zur Wellenlängensteuerung empfängt ein Licht von der Lichtquelle 12 als einen durch die Absorptionszelle 8 durchgelassenen Lichtstrahl und wandelt ihn in ein elektrisches Signal um und gibt das elektrische Signal an die Wellenlängensteuerschaltung 15 ab.
Die Wellenlängensteuerschaltung 15 empfängt ein elektrisches Signal von der Lichtempfangseinheit 14 und steuert die Lichtquelle 12 so, daß die Stärke des durchgelassenen Lichtstrahls, der über die Absorptionszelle 8 von der Lichtquelle 12 kommt, konstant wird. Dadurch ist es möglich, die Wellenlänge des aus der Lichtquelle 12 austretenden Lichts konstant zu machen.
Die die Wellenform stabilisierende Lichtquelle 11 ermöglicht also die Steuerung der Schwingungswellenlänge des Laserlichts, das aus der Lichtquelle 12 austritt auf eine solche Weise, daß sie der Absorptionswellenlänge λ der Absorptionszelle 8 entspricht, und ermöglicht das Austreten des wellenlängenstabilisierten Lichts zu dem Beugungsgitter 2.
Bei der Drehwinkeldetektiervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform beurteilt eine Recheneinheit 6 als Absorptionslinie einen Punkt, an dem die Leistung des von einer Referenzlichtempfangseinheit 3 empfangenen Beugungslichts maximal wird, und berechnet den Drehwinkel des Beugungsgitters auf die gleiche Weise, wie es in Verbindung mit der vorstehend genannten ersten Ausführungsform angegeben ist.
3 ist eine schematische Ansicht, die die Anwendung der Drehwinkeldetektiervorrichtung gemäß 1 bei dem optischen Spektralanalysator zeigt.
Der optische Spektralanalysator weist nicht nur die Drehwinkeldetektiervorrichtung, sondern auch eine Lichtempfangseinheit 16 zur Messung, eine Spalteinrichtung 17 und eine Schalteinheit 18 auf.
In 3 sind das Referenzlicht von der Wellenformreferenzlichtquelle 1 und das zu messende Licht als an verschiedenen Stellen auf das Beugungsgitter 2 einfallend dargestellt, in der tatsächlichen Praxis fallen sie jedoch an der gleichen Position oder einer dieser Position sehr nahen Position ein.
Die Lichtempfangseinheit 16 zur Messung empfängt eine gebeugte Kopie des auf das Beugungsgitter 2 einfallenden zu messenden Lichts.
Die obengenannte Spalteinrichtung 17 weist einen Spalt 17a auf einer optischen Achse zwischen dem Beugungsgitter 2 und der Lichtempfangseinheit 16 auf.
Dieser Spalt ist so vorgesehen, daß er das Beugungslicht bündelt und es der Lichtempfangseinheit auf eine solche Weise zuführt, daß jeder überschüssige Lichtanteil eliminiert wird, da das gebeugte Licht von dem Beugungsgitter 2 in einem gegebenen Verbreiterungsbereich reflektiert wird.
Dadurch, daß die Spaltbreite N der Spalteinrichtung 17 veränderlich ausgebildet ist, wird das Ausmaß der Bündelung des gebeugten Lichts von dem Beugungsgitter 2 mit einem optimalen Zustand vorgegeben, um die spektrale Auflösung zu verbessern.
Die Schalteinheit 18 weist einen Schalter auf, der beispielsweise von einem Bediener betätigt wird, und um jede Störung zwischen dem zu messenden Licht und dem Referenzlicht zu verhindern, erfolgt das Ein-/Ausschalten der Wellenlängenreferenzlichtquelle 1 durch die Betätigung des Schalters.
Die Schalteinheit 18 kann so ausgebildet sein, daß sie es jedem von dem Referenzlicht von der Wellenlängenreferenzlichtquelle 1 oder dem zu messenden Licht ermöglicht, auf das Beugungsgitter 2 einzufallen.
Wenn das Referenzlicht von der Wellenlängenreferenzlichtquelle 1 und das zu messende Licht so einfallen, daß sie hinsichtlich einer Längen- oder Breitenrichtung verschoben werden, kann die Anordnung der Schalteinheit 18 entfallen.
Eine Antriebseinheit tastet das Beugungsgitter 2 durch einen vorbestimmten Winkelbereich mit einem horizontalen Zustand als Referenz ab und bewirkt, wenn von der Recheneinheit 6 berechnete Korrekturdaten eingegeben werden, den Drehantrieb des Beugungsgitters 2 um einen Drehwinkel auf der Basis der Korrekturdaten.
Bei dem so ausgebildeten optischen Spektralanalysator wird das Beugungsgitter 2 zu einer zugeordneten Position rationsmäßigangetrieben, die der von dem Bediener eingestellten Wellenlänge (der Wellenlänge des zu messenden Lichts) entspricht.
Dabei wird bei Verwendung einer Absorptionszelle 8, die eine an die Wellenlänge des zu messenden Lichts angepaßte Absorptionslinie hat, die Schalteinheit 18 eingeschaltet, um es dem von der Wellenlängenreferenzlichtquelle 1 kommenden Licht zu ermöglichen, zu der Absorptionszelle 8 hin auszutreten.
Das Licht, das ein Absorptionsspektrum hat, das nur einer die Absorptionslinie aufweisenden Wellenlängenkomponente entspricht, wird als durchgelassenes Licht von der Absorptionszelle 8 abgegeben.
Das Beugungsgitter 2, das das durchgelassene Licht empfängt, sendet gebeugtes Licht, so daß es von der Referenzlichtempfangseinheit 3 empfangen wird.
Wenn die gebeugte Kopie des durchgelassenen Lichts, das ein Spektrum hat, das nur die die Absorptionslinie aufweisende Wellenlängenkomponente hat, von der Referenzlichtempfangseinheit 3 empfangen wird, werden Korrekturdaten, die einem Winkeldetektiersignal von einem Winkeldetektor 4 entsprechen, d. h. dem der Wellenlänge des Referenzlichts zugeordneten Winkeldetektiersignal, in der Zeichnung nicht gezeigt, auf der Basis des Absolutwerts einer Absorptionslinienwellenlänge zu diesem Zeitpunkt als Drehwinkel des Beugungsgitters 2 berechnet, wie vorstehend angegeben.
Die Antriebseinheit 5 bewirkt auf der Basis der berechneten Korrekturdaten den Drehantrieb des Beugungsgitters 2 um einen Drehwinkelbereich.
Dadurch wird die Korrektur des Drehwinkels des Beugungsgitters durch die Wellenlängenreferenzlichtquelle 1 beendet.
In diesem Zustand wird die Schalteinheit 18 ausgeschaltet, wobei das Austreten des Lichts aus der Wellenlängenreferenzlichtquelle 1 gestoppt und das zu messende Licht in das Beugungsgitter 2 eingeleitet wird.
Das Beugungsgitter 2 empfängt das zu messende Licht und sendet gebeugtes Licht 2 zu dem genannten Spalt 17a in der Spalteinrichtung 17, wo es gebündelt wird. Das gebündelte Signal wird von der Lichtempfangseinheit 16 zur Messung empfangen, und die Wellenlängenverteilung des zu messenden Lichts wird auf der Basis des Absolutwerts der Wellenlänge zu diesem Zeitpunkt detektiert.
Dadurch unterdrückt der optische Spektralanalysator gemäß 3 eine Änderung des Absolutwerts der Wellenlänge des gebeugten Lichts, die aus einer Änderung der Umgebung, wie etwa Atmosphärentemperatur, -feuchtigkeit und Atmosphäre resultiert, und kann die Genauigkeit, mit der die Wellenlänge gemessen wird, verbessern.
4 ist eine schematische Ansicht, die die Anwendung einer Drehwinkeldetektiervorrichtung gemäß 1 bei einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle zeigt.
Die wellenlängenabstimmbare Lichtquelle weist nicht nur die Konstruktion der Drehwinkeldetektiervorrichtung, sondern auch eine Hauptlichtquelle 22 und eine Schalteinheit 23 auf.
In 4 sind zwar von einer Wellenlängenreferenzlichtquelle 1 kommendes Referenzlicht und von der Hauptlichtquelle 22 kommendes Licht als an zwei unterschiedlichen Positionen auf ein Beugungsgitter 2 einfallend gezeigt, in der tat sächlichen Praxis fallen sie jedoch an der gleichen Position oder einer dieser Position nahen Position ein.
Die obengenannte Hauptlichtquelle 22 weist eine Laserdiode auf.
Das Licht wird wechselweise zwischen der einen Endfläche 22a der Hauptlichtquelle 22 und dem auf der genannten optischen Achse angeordneten Beugungsgitter 2 vor und zurück bewegt, und resultierendes, zur Resonanz gebrachtes Licht wird von der anderen Endfläche 22b abgegeben, und dadurch wird eine wellenlängenabstimmbare Lichtquelle vom externen Hohlraumtyp realisiert.
Die Schalteinheit 23 weist einen Schalter auf, der beispielsweise von dem Bediener betätigt wird, und um eine Störung zwischen dem Licht von der Hauptlichtquelle 22 und dem Licht von der Wellenlängenreferenzlichtquelle 1 zu verhindern, erfolgt das Ein-/Ausschalten der Wellenlängenreferenzlichtquelle 1 durch die Betätigung des genannten Schalters.
Die Schalteinheit 23 kann so ausgebildet sein, daß es jedem von dem Licht von der Wellenlängenreferenzlichtquelle oder dem Licht von der Hauptlichtquelle 22 ermöglicht wird, auf das Beugungsgitter 2 einzufallen.
Wenn ferner bewirkt wird, daß das Referenzlicht von der Wellenlängenreferenzlichtquelle 1 und das Licht von der Hauptlichtquelle 22 auf das Beugungsgitter 2 einfallen, indem sie in einer Längen- oder einer Breitenrichtung des Beugungsgitters 2 verschoben werden, kann die Schalteinheit 23 entfallen.
Eine Antriebseinheit 5 zum Abtasten des Beugungsgitters durch einen vorbestimmten Winkelbereich mit einem horizontalen Zustand als Referenz bewirkt den Drehantrieb des Beugungsgitters 2 um einen den Korrekturdaten entsprechenden Drehwinkel, wenn die von einer Recheneinheit 6 berechneten Korrekturdaten eingegeben werden.
Bei der so angeordneten wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle wird zunächst das Beugungsgitter 2 in eine Position (Wellenlänge der Hauptlichtquelle 22) gedreht, die einer von dem Bediener eingestellten Wellenlänge zugeordnet ist.
Bei Verwendung einer Absorptionszelle 8, die eine an die Wellenlänge von Licht von der Hauptlichtquelle 22 angepaßte Absorptionslinie besitzt, wird die Schalteinheit 23 eingeschaltet, um es zu ermöglichen, daß Licht von einer Lichtquelle 7 in der Wellenlängenreferenzlichtquelle 1 auf die Absorptionszelle 8 fällt.
Das Licht, das ein Spektrum besitzt, das nur eine die Absorptionslinie aufweisende Wellenlängenkomponente absorbiert, wird als durchgelassenes Licht von der Absorptionszelle 8 zu dem Beugungsgitter 2 gesendet.
Das aus dem Empfang des durchgelassenen Lichts resultierende gebeugte Licht wird von einer Referenzlichtempfangseinheit 3 empfangen.
Wenn die gebeugte Kopie des durchgelassenen Lichts, das das Spektrum besitzt, das nur die die Absorptionslinie aufweisende Wellenlängenkomponente absorbiert, von der Referenzlichtempfangseinheit 3 empfangen wird, berechnet die Recheneinheit 6 als Drehwinkel des Beugungsgitters 2 Korrekturdaten, die einem Winkeldetektiersignal von einem Winkeldetektor 4 entsprechen, d. h. einem der Wellenlänge des Lichts von der Wellenlängenreferenzlichtquelle 1 zugeordneten Signal, in der Zeichnung nicht gezeigt, auf der Basis des Absolutwerts der Absorptionslinienwellenlänge zu diesem Zeitpunkt.
Die Antriebseinheit 5 bewirkt den Drehantrieb des Beugungsgitters 2 um einen Winkel, der den berechneten Korrekturdaten entspricht.
Dadurch wird die Korrektur des Beugungswinkels des Beugungsgitters 2 von der Wellenlängenreferenzlichtquelle 1 beendet.
In diesem Zustand wird die Schalteinheit 23 ausgeschaltet, wobei das Austreten des Referenzlichts aus der Wellenformreferenzlichtquelle 1 gestoppt wird und Licht aus der einen Endfläche 22a der Hauptlichtquelle 22 zu dem Beugungsgitter 2 austritt.
Das einfallende Licht von der einen Endfläche 22a der Hauptlichtquelle 22 wird zwischen dem Beugungsgitter 2 und der einen Endfläche 22a der Hauptlichtquelle 22 hin- und herbewegt, und das resultierende Licht wird von der anderen Endfläche 22b der Hauptlichtquelle 22 abgegeben.
Dadurch unterdrückt die wellenlängenabstimmbare Lichtquelle gemäß 4 eine Änderung der Wellenlänge des gebeugten Lichts von dem Beugungsgitter 2, die aus einer Änderung der Umgebungsbedingung, wie etwa Atmosphärentemperatur, -feuchtigkeit und -druck resultiert, und es ist daher möglich, die Genauigkeit zu verbessern, mit der die Wellenlänge schwingt.
Bei dem Aspekt der entsprechenden Ausführungsform fällt zwar das durchgelassene Licht über die Absorptionszelle 8 auf das Beugungsgitter 2, und die Korrektur des Beugungswinkels erfolgt, indem nur ein gebeugtes Licht erster Ordnung (m = 1) empfangen wird, es ist jedoch möglich, daß zusätzlich dazu auch das Beugungsgitter 2 gedreht wird, wobei das einfallende Licht intakt ist.
Wenn dadurch der Beugungswinkel korrigiert wird, indem sequentiell gebeugtes Licht zweiter und dritter Ordnung empfangen wird, ist es möglich, den Drehwinkel des Beugungsgitters 2 in einem weiteren Bereich genauer zu korrigieren.
Bei dem Aspekt der entsprechenden Ausführungsform wird zwar der Motor der Antriebseinheit 5 durch die von der Recheneinheit 6 berechneten Korrekturdaten angetrieben, wenn die Konstruktion vom optischen Spektralanalysatortyp ist, der mit einem Display 25 gemäß 5 versehen ist; es kann jedoch möglich sein, die Abstufungen, die die praktische Wellenlänge in einer Displayeinheit 25 auf einem Bildschirm repräsentieren, wie die 6A, 6B zeigen, auf der Basis der von einer Recheneinheit 6 berechneten Korrekturdaten zu korrigieren.
Das heißt, 6A zeigt den Fall, in dem anstelle von Änderungen der Wellenlängen λa, λb auf dem Bildschirm, die Displayposition der Spektren mit einer Änderung von einer durchgezogenen Linie zu einer gestrichelten Linie angezeigt wird, wie aus 6A ersichtlich ist.
6B zeigt den Fall, in dem die Wellenlängen λa, λb zu λa' (= λa ± Δλa), λb' (= λb + Δλb) auf dem Bildschirm geändert sind.
Der Lichtspektralanalysator gemäß 5 verwendet eine Empfangseinheit 29 für Referenzlicht/gemessenes Licht, die eine Kombination aus der Referenzlichtempfangseinheit 3 und der Lichtempfangseinheit 16 zur Messung gemäß 3 bildet.
Der Aspekt des umschaltungsabhängigen Empfangens von gebeugtem Licht des Beugungsgitters 2, das dem Referenzlicht oder dem gemessenen Licht entspricht, durch eine Empfangseinheit 29 für Referenzlicht/gemessenes Licht ist gleich dem gemäß 3.
Ein elektrisches Signal von der Empfangseinheit 29 für Referenzlicht/gemessenes Licht wird von einem A/D-Wandler 30, der in den Erläuterungen der 1 bis 4 entweder gezeigt oder weggelassen ist, von einem Analogsignal in ein Digitalsignal umgewandelt und in eine Recheneinheit (Signalverarbeitungseinheit) 6 eingegeben.
In diesem Fall hat eine Drehwinkel-Einstelleinheit 28, die mit der Recheneinheit (Signalverarbeitungseinheit) 6 versehen ist, Wellenlängen-/Winkel-Daten, die ursprünglich in Tabellenform gespeichert wurden, und sendet bei Empfang des Werts einer von dem Bediener eingestellten Wellenlänge an eine Antriebseinheit 5 Winkeldaten zum Antreiben der Antriebseinheit, um es zu ermöglichen, daß ein Drehgitter 2 einen Drehwinkel einnimmt, der dem eingestellten Wellenlängenwert entspricht.
Eine Datenkorrektureinheit 27 in der Recheneinheit 6 empfängt zu einem Zeitpunkt, zu dem Referenzlicht von einer Schalteinheit 18 gewählt ist, ein Digitalsignal von dem A/D-Wandler 30 und berechnet die obengenannten Korrekturdaten.
Die von der Datenkorrektureinheit 27 berechneten Korrekturdaten werden an eine Displayeinheit 25 und an eine Drehwinkel-Einstelleinheit 28 gesendet.
Wenn noch zu beschreibende Spektraldaten auf der Basis der Korrekturdaten angezeigt werden, korrigiert eine Displayeinheit 25 Abstufungen, die eine wesentliche Wellenlänge auf einem Bildschirm repräsentieren, wie vorstehend angegeben.
Die Drehwinkel-Einstelleinheit 28 korrigiert die obengenannten Wellenlängen-/Winkel-Daten auf der Basis der Korrekturdaten und bewirkt die Korrektur des Beugungswinkels, so daß korrigierte Winkeldaten an die Antriebseinheit 5 gesendet werden, um das Beugungsgitter 2 zu drehen.
Eine Spektralverarbeitungseinheit 26 in der Recheneinheit 6 führt die Verarbeitung an einem Digitalsignal von dem A/D-Wandler 30 aus, wobei das Umschalten durch die Schalteinheit 18 für zu messendes Licht bewirkt wird, und führt die Displayverarbeitung aus und sendet Daten als Spektraldaten an die Displayeinheit 25.
Die Recheneinheit (Signalverarbeitungseinheit) 6 gemäß 5 ist so angeordnet, daß ihre erforderlichen Teile in die Recheneinheit 6 eingebaut sind, wie es in den 1 bis 4 gezeigt ist.
Wie oben ausgeführt, ist eine erste optische Spektrometervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer Lichtteilungseinrichtung, die mit einem drehbaren Beugungsgitter 2 zum Empfangen von einfallendem Licht, Teilen und Abgeben desselben versehen ist, folgendes aufweist: eine Lichtquelle 7, die ein breiteres Emissionsspektrum hat, eine Absorptionszelle 8 zum Empfangen von Licht von der Lichtquelle, die Licht einer bestimmten Wellenlänge durchläßt und es abgibt, und eine Referenzlichtempfangseinheit 3 zum Empfangen des Lichts der bestimmten Wellenlänge, das von dem Beugungsgitter geteilt ist, und zum Umwandeln desselben in ein elektrisches Signal.
Ferner ist eine zweite optische Spektrometervorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß sie in einer Lichtteilungseinrichtung, die mit einem drehbaren Beugungsgitter 2 zum Empfangen von einfallendem Licht, Teilen und Abgeben desselben folgendes aufweist: eine Referenzlichtquelle 11, die eine Absorptionszelle 8 zum Absorbieren von Licht einer spezifizierten Wellenlänge hat, eine Laserdiode 12, die mit einer Wellenlängenabsorptionszelle schwingen kann, eine Lichtteilungseinheit 13, die es ermöglicht, daß von der Laserdiode kommendes Licht in zwei Lichtstrahlen geteilt wird, eine die Wellenform steuernde Lichtempfangseinheit 14, die es ermöglicht, daß ein erster Lichtstrahl, der von der Laserdiode ausgeht und der als solcher von der Lichtteilungseinheit kommt, auf die Absorptionszelle einfällt, zum Empfangen des ersten Lichtstrahls als durchgelassenes Licht von der Absorptionszelle und zum Umwandeln desselben in ein elektrisches Signal, und eine Steuerschaltung 15 zum Empfangen des elektrischen Signals von der die Wellenlänge steuernden Lichtempfangseinheit und zum Steuern einer Schwingungswellenlänge der Laserdiode, so daß die Stärke des ersten Lichtstrahls, der von der Laserdiode ausgeht und durch die Absorptionszelle durchgelassen wird, konstant wird, eine Lichtteilungseinheit, die mit einem drehbaren Beugungsgitter 2 zum Empfangen des zweiten Lichtstrahls versehen ist, der von der Laserdiode ausgeht und als solcher von der Lichtteilungseinheit geteilt ist, und zum Teilen desselben, und eine Referenzlichtempfangseinheit 3 zum Empfangen des zweiten Lichts, das von der Laserdiode ausgeht und von der Lichtteilungseinheit geteilt ist, und zum Umwandeln desselben in ein elektrisches Signal.
Eine dritte optische Spektrometervorrichtung ist mit einer Anordnung aus der ersten oder der zweiten optischen Spektrometervorrichtung versehen und weist folgendes auf: eine Lichtempfangseinheit zur Messung, um gebeugtes Licht zu empfangen, das von dem auf das Beugungsgitter einfallenden zu messenden Licht umfaßt ist, einen Winkeldetektor 4 zum Detektieren des Drehwinkels des Beugungsgitters, eine Recheneinheit 6 zum Berechnen eines Korrekturwerts des Drehgitters, der dem Signal von dem Winkeldetektor unter der Annahme einer zugehörigen absoluten Wellenlänge des zu messenden Lichts entspricht, auf der Basis des gebeugten Lichts der obengenannten die Absorptionslinie aufweisenden Wellenlängenkomponente, die von der Referenzlichtempfangseinheit empfangen wird, und eine Antriebseinheit zum Bewirken des Drehantriebs des Beugungsgitters durch einen vorbestimmten Winkelbereich und zum gleichzeitigen Bewirken des Drehantriebs des Beugungsgitters nur durch einen dem Korrekturwert entsprechenden Winkel.
Eine wellenlängenabstimmbare Lichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit der ersten oder der zweiten optischen Spektrometervorrichtung versehen und weist folgendes auf: eine Hauptlichtquelle 22 zum Vorwärts- und Rückwärtsbewegen von aus der einen Endfläche 22a austretendem Licht relativ zu dem Beugungsgitter und zum Abgeben von zur Resonanz gebrachtem Licht von der anderen Endfläche 22b, einen Winkeldetektor 4 zum Detektieren des Drehwinkels des Beugungsgitters, eine Recheneinheit 6 zum Berechnen eines Korrekturwerts des Drehwinkels des Beugungsgitters, der dem Signal des Winkeldetektors unter der Annahme einer zugehörigen Wellenlänge der Hauptlichtquelle entspricht, auf der Basis von Beugungslicht der obengenannten die Absorptionslinie aufweisenden Wellenlängenkomponente, die von der Referenzlichtempfangseinheit empfangen wird, und eine Antriebseinheit 5 zum Bewirken des Drehantriebs des Beugungsgitters durch einen vorbestimmten Winkelbereich und zum gleichzeitigen Bewirken des Drehantriebs des Beugungsgitters nur um einen dem Korrekturwert entsprechenden Winkel.
Bei der ersten oder zweiten optischen Spektrometervorrichtung fällt Licht, das aus der Lichtquelleneinheit 7 unter Nutzung der Absorptionslinie eines Gases oder aus der Referenzlichtquelleneinheit 11 austritt, auf das Beugungsgitter 2.
Die Beugungslichtempfangseinheit 3 empfängt ihr gebeugtes Licht, und aus dem gebeugten Licht der die Absorptionslinie aufweisenden Wellenlängenkomponente ist es möglich, den Drehwinkel und den Beugungswinkel des Beugungsgitters 2 bei der Wellenlänge zu diesem Zeitpunkt zu erkennen.
Bei der obengenannten dritten optischen Spektrometervorrichtung erfolgt der Drehantrieb des Beugungsgitters 2 in einem Bereich unter der Annahme einer zugehörigen Wellenlänge des zu messenden Lichts.
Während das Beugungsgitter 2 rotationsmäßigangetrieben wird, fällt Licht von einer Wellenlängenreferenzlichtquelle 1 oder der Referenzlichtquelleneinheit 11 ein unter Verwendung der Absorptionszelle, die eine an die Wellenlänge des zu messenden Lichts angepaßte Absorptionslinie besitzt.
Das gebeugte Licht, das dabei in dem einfallenden Licht enthalten ist, wird von der Referenzlichtempfangseinheit 3 empfangen.
Wenn die Referenzlichtempfangseinheit 3 das gebeugte Licht der die Absorptionslinie aufweisenden Wellenlängenkomponente empfängt, berechnet die Recheneinheit 6 als Drehwinkel des Beugungsgitters 2 die Korrekturdaten, die einem Signal des Winkeldetektors 4 entsprechen, d. h. dem Signal des Winkeldetektors unter der Annahme einer zugehörigen Wellenlänge des zu messenden Lichts, auf der Basis des Absolutwerts der Wellenform der Absorptionslinie zu diesem Zeitpunkt.
Die Antriebseinheit 5 bewirkt den Drehantrieb des Beugungsgitters 2 nur um einen Drehwinkel, der den von der Recheneinheit 6 berechneten Korrekturdaten entspricht.
Wenn dabei das zu messende Licht auf das Beugungsgitter 2 fällt, wird das gebeugte Licht des Beugungsgitters 2, das von dem einfallenden Licht umfaßt ist, von der Lichtempfangseinheit 16 zur Messung empfangen, und die Wellenlängenverteilung wird als eine Verteilung detektiert, die dem Absolutwert der Wellenlänge zu diesem Zeitpunkt entspricht.
Bei der obengenannten wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle erfolgt der Drehantrieb des Beugungsgitters 2 in einem Bereich unter der Annahme einer zugehörigen Wellenlänge der Hauptlichtquelle 22.
Während das Beugungsgitter 2 rotationsmäßigangetrieben wird, fällt das Licht von der Wellenformreferenzlichtquelle 1 oder der Referenzlichtquelleneinheit 11 auf die Absorptionszelle 8 unter Verwendung der Absorptionszelle 8, die die an die Wellenlänge der Hauptlichtquelle 22 angepaßte Absorptionslinie besitzt.
Das gebeugte Licht, das dabei von dem einfallenden Licht umfaßt ist, wird von der Referenzlichtempfangseinheit 3 empfangen.
Wenn die Referenzlichtempfangseinheit 3 das gebeugte Licht der die Absorptionslinie aufweisenden Wellenlängenkomponente empfängt, berechnet die Recheneinheit 6 als Drehwinkel des Beugungsgitters 2 die Korrekturdaten, die dem Signal des Winkeldetektors, d. h. dem Signal unter der Annahme einer zugehörigen Wellenlänge der Hauptlichtquelle 22 entsprechen, auf der Basis des Absolutwerts der Wellenlänge der Absorptionslinie zu diesem Zeitpunkt.
Die Antriebseinheit 5 bewirkt den Drehantrieb des Beugungsgitters 2 nur um einen Winkel, der den von der Recheneinheit 6 berechneten Korrekturdaten entspricht.
Wenn in diesem Zustand Licht von der einen Endfläche 22a der Hauptlichtquelle 22 auf das Beugungsgitter 2 fällt, bewegt sich das einfallende Licht zwischen dem Beugungsgitter 2 und der einen Endfläche 22a der Hauptlichtquelle 22 hin und her, und zur Resonanz gebrachtes Licht wird von der anderen Endfläche 22b der Hauptlichtquelle 22 abgegeben.
Wie vorstehend erläutert, ist es mit der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Detektieren des Drehwinkels des Beugungsgitters möglich, den Drehwinkel des Beugungsgitters ohne Beeinflussung durch die Umgebungsänderungen, wie etwa Atmosphärentemperatur, -feuchtigkeit und -druck genau zu detektieren und die Genauigkeit des Absolutwerts der Wellenlänge des gebeugten Lichts des Beugungsgitters zu verbessern und ferner den Drehwinkel des Beugungsgitters in Bezug auf die Wellenlänge zu diesem Zeitpunkt genau zu detektieren. Es ist außerdem möglich, den Beugungswinkel tatsächlich zu messen, ohne sich auf einen theoretischen Wert zu stützen, und die Genauigkeit der absoluten Wellenlänge des gebeugten Lichts zu verbessern.
Mit dem optischen Spektralanalysator, bei dem die vorliegende Erfindung angewandt wird, ist es möglich, die Meßgenauigkeit der Wellenlänge zu steigern, indem eine Änderung der Abweichung des Absolutwerts der Wellenlänge des gebeugten Lichts unterdrückt wird, die aus einer Umgebungsänderung, wie etwa Atmosphärentemperatur, -feuchtigkeit und -druck resultiert, und die bestehende Wellenlängengenauigkeit erheblich zu verbessern.
Ferner ist es mit der abstimmbaren Wellenlänge, bei der die vorliegende Erfindung angewandt wird, möglich, die Genauigkeit der Schwingungswellenlänge zu verbessern, indem eine Änderung des Absolutwerts der Wellenlänge des gebeugten Lichts infolge der Umgebungsänderung, wie etwa Atmosphärentemperatur, -feuchtigkeit und -druck unterdrückt wird.

Claims

Vorrichtung zum Detektieren eines Drehwinkels eines Beugungsgitters, die folgendes aufweist: ein drehbares Beugungsgitter (2) zum Empfangen von einfallendem Licht und Abgeben von geteilten Strahlen, eine Antriebseinheit (5) zum Drehen des Beugungsgitters, und eine Winkeldetektiereinheit (4) zum Detektieren eines Drehwinkels des Beugungsgitters, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: – eine Lichtquelleneinheit (1, 11), die eine Lichtquelle (7) und eine Absorptionszelle (8) aufweist und dazu dient, an das Beugungsgitter Referenzlicht eines Bereichs abzugeben, der eine spezifizierte Wellenlänge aufweist, die in Abhängigkeit von der Absorptionszelle bestimmt wird, wobei die Absorptionszelle ein Rohr aufweist, in dem ein Gas hermetisch eingeschlossen ist, das eine Absorptionslinie hat, die das Referenzlicht einer vorbestimmten Wellenlänge jederzeit absorbiert, ohne von einer Änderung einer Umgebungsbedingung beeinflußt zu werden; – eine Referenzlichtempfangseinheit (3) zum Empfangen eines gebeugten Referenzlichts von dem Beugungsgitter und zum Umwandeln des gebeugten Referenzlichts in ein elektrisches Signal; und – eine Signalverarbeitungseinheit (6) zum Detektieren eines Extremwerts des elektrischen Signals von der Referenzlichtempfangseinheit durch Drehen des Beugungsgitters mit der Antriebseinheit, zum Empfangen eines Drehwinkelausgangssignals von der Winkeldetektiereinheit, wenn der Extremwert detektiert wird, und zum Berechnen eines der spezifizierten Wellenlänge entsprechenden spezifizierten Drehwinkels, wobei das elektrische Signal erhalten wird, während das drehbare Beugungsgitter von der Antriebseinheit gedreht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelleneinheit (11) als eine die Wellenform stabilisierende Lichtquelle ausgebildet ist, die eine Lichtteilungseinheit (13), eine Lichtempfangseinheit (14) zur Wellenlängensteuerung und eine Wellenlängensteuerschaltung (15) aufweist; wobei die Lichtteilungseinheit (13) Licht von der Lichtquelle in eine auf das Beugungsgitter gerichtete Lichtkomponente und eine auf die Absorptionszelle gerichtete Lichtkomponente teilt; wobei die Lichtempfangseinheit (14) zur Wellenlängensteuerung es ermöglicht, die Lichtkomponente, die auf die Absorptionszelle gerichtet ist und die von der Absorptionszelle durchgelassen wird, zu empfangen, und sie in ein elektrisches Signal umwandelt; und wobei die Wellenlängensteuerschaltung (15) eine Schwingungswellenlänge der Lichtquelle steuert, um eine Intensität des durch die Absorptionszelle durchgelassenen Lichts auf der Basis des elektrischen Signals von der Lichtempfangseinheit konstant zu machen, und dadurch eine Wellenlänge einer von der Absorptionszelle auf das Beugungsgitter gerichteten Lichtkomponente so stabilisiert wird, daß sie mit einer Absorptionswellenlänge der Absorptionszelle übereinstimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei aus der Absorptionszelle (8) in der Lichtquelleneinheit (1, 11) austretendes Licht eine Vielzahl von Absorptionslinien hat und die Signalverarbeitungseinrichtung durch Nutzung eines unterschiedlichen Absorptionsvermögens in jeder von der Vielzahl von Absorptionslinien oder des bei den Absorptionslinien vorhandenen Abstands eine Entscheidung trifft und einen entsprechenden Drehwinkel berechnet, und zwar anhand einer Variation des Pegels des geteilten Lichtes vom Beugungsgitter (2), bei dem das von der Referenzlichtempfangseinheit (3) empfangene geteilte Referenzlicht an eine Absorptionslinie mit beliebiger Wellenlänge angepaßt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Signalverarbeitungseinheit (6) folgendes aufweist: – eine Drehwinkeleinstelleinheit (28), die Wellenlängen-/Winkel-Daten hat, für den Empfang eines eingestellten Wellenlängenwerts und das Senden von Winkeldaten zum Antreiben der Antriebseinheit (5), um es zu ermöglichen, daß das Drehgitter (2) auf einen dem eingestellten Wellenlängenwert entsprechenden Drehwinkel eingestellt wird; und – eine Datenkorrektureinrichtung (27) zum Korrigieren der Wellenlängen-/Winkel-Daten in der Drehwinkeleinstelleinheit unter Verwendung des in Bezug auf die spezifizierte Wellenlänge berechneten spezifizierten Drehwinkels.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Vorrichtung zum Analysieren eines zu messenden Lichtspektrums verwendet wird; und wobei die Signalverarbeitungseinheit (6) eine Einrichtung zum Zuführen von Korrekturdaten von der Datenkorrektureinrichtung zu der Antriebseinheit hat, um einen Beugungswinkel des Beugungsgitters vor dem Analysieren des zu messenden Lichts zu korrigieren.
Vorrichtung nach Anspruch 5, die ferner folgendes aufweist: – eine Meßlichtempfangseinheit (29) zum Empfangen von geteiltem Licht von zu messendem Licht, während das Beugungsgitter (2) in Abhängigkeit von dem eingestellten Wellenlängenwert gedreht wird, und zum Umwandeln des geteilten Lichts in ein elektrisches Signal; und – eine Spektrumverarbeitungseinheit (26) zum Abgeben des von der Meßlichtempfangseinheit abgegebenen elektrischen Signals und des eingestellten Wellenlängenwerts in einer Korrespondenzrelation zueinander.
Vorrichtung nach Anspruch 5, die ferner folgendes aufweist: – eine Meßlichtempfangseinheit (29) zum Empfangen von geteiltem Licht von zu messendem Licht, während das Beugungsgitter (2) in Abhängigkeit von der eingestellten Wellenlänge gedreht wird, und zum Umwandeln des geteilten Lichts in ein elektrisches Signal; und – eine Spektrumverarbeitungseinheit (26) zum Berechnen eines elektrischen Signals in dem eingestellten Wellenlängenwert aus dem von der Meßlichtempfangseinheit abgegebenen elektrischen Signal auf der Basis von von der Datenkorrektureinrichtung korrigierten Wellenlängen-/Winkel-Daten und zum Abgeben des eingestellten Wellenlängen- Werts und des elektrischen Signals in einer Korrespondenzrelation zueinander.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, die ferner eine Einrichtung (23) zum effektiven Umschalten zwischen dem Referenzlicht und dem zu messenden Licht aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Referenzlichtempfangseinheit (3) und die Meßlichtempfangseinheit (29) als eine kompatible Einheit verwendet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Drehwinkeldetektiereinheit (4) des Beugungsgitters (2) für eine wellenlängenabstimmbare Lichtquelle (21) vom externen Hohlraumtyp verwendet wird, um Licht zwischen dem Beugungsgitter und einer Hauptlichtquelle (22) hin und her zu schicken und zur Resonanz zu bringen, um wellenlängenabstimmbares Licht abzugeben; und wobei die Signalverarbeitungseinheit (6) eine Einrichtung zum Zuführen von Korrekturdaten von der Datenkorrektureinrichtung (27) zu der Antriebseinheit (5) hat, um den Drehwinkel des Drehgitters zu korrigieren, bevor das wellenlängenabstimmbare Licht von der wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle vom externen Hohlraumtyp abgegeben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, die ferner eine Einrichtung zum effektiven Umschalten zwischen der Lichtquelleneinheit (1, 11) und der Hauptlichtquelle (22) aufweist.