DE69634321T2

DE69634321T2 - Optischer spektrumanalysator und spektroskop

Info

Publication number: DE69634321T2
Application number: DE69634321T
Authority: DE
Inventors: Yoshihiro Musashino-shi SAMPEI; Yasuyuki Musashino-shi SUZUKI; Yoshihiko Musashino-shi TACHIKAWA; Mamoru Musashino-shi ARIHARA
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1995-03-15
Filing date: 1996-03-12
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2016-03-13
Also published as: EP0760469A4; WO1996028713A1; EP0760469B1; EP0760469A1; DE69634321D1; DE760469T1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Spektralanalysator mit einem Detektor-Array und insbesondere auf Verbesserungen in der Wellenlängen-Genauigkeit eines optischen Spektralanalysators und Verbesserungen bei der Leistungspegel-Genauigkeit, sowie auch auf Verbesserungen zur Erweiterung des Bereichs der gemessenen Wellenlängen.
HINTERGRUND DER TECHNIK
Der optische Spektralanalysator des Standes der Technik gibt den Mittelwert der Lichtleistung an, die in einer endlichen Schlitzbreite oder einer endlichen Spektralbreite existiert.
Ein Spektrograph mit einem Detektor-Array wurde dazu gebracht, die Ausgabe von jeder Vorrichtung so wie sie ist, aus dem folgenden Grund anzuzeigen. Es wird angenommen, dass das gemessene Lichtspektrum eine beliebige Form aufweist. Die Spektralform weist nicht immer eine 1:1-Beziehung zu der Ausgabe von dem Vorrichtungsarray auf.
Demgemäß war es schwierig, die tatsächliche Spektralform aus der Ausgabe des Vorrichtungsarrays zu schätzen.
Außerdem wird die Wellenlängenauflösung und der Bereich der gemessenen Wellenlängen durch die Anzahl der Vorrichtungen des Arrays, dem Abstand, der Brennweite des Fokussierspiegels und anderen Faktoren bestimmt. Kompromisse werden zwischen der Wellenlängenauflösung und dem Bereich der gemessenen Wellenlängen durchgeführt. Wenn einer verbessert wird, verschlechtert sich daher der andere. Es ist unmöglich, beide zur gleichen Zeit zu verbessern.
Die EP-A 0 647 838, die am 27. September 1994 veröffentlicht und Teil des Stands der Technik nur gemäß Paragraph 54(3) EPÜ bildet, offenbart ein Spektrometer mit einem ladungsgekoppelten Vorrichtungsarray als einen Bildempfänger, bei dem ein Bild seines Eintrittsschlitzes mit Bezug auf die Spalten von Pixeln in dem ladungsgekoppelten Vorrichtungsarray geneigt ist, und bei dem die Höhe des Bildes des Eintrittsschlitzes auf dem ladungsgekoppelten Vorrichtungsarray angeordnet ist, um sich über zwei oder mehr Reihen von Pixeln zu erstrecken, so dass das Bild des Eintrittsschlitzes über Pixel in zwei benachbarten Spalten geneigt ist. Mittel werden bereitgestellt, um die Ausgabe der Pixel zu analysieren, um Information über die Intensitätsverteilung jeder Spektrallinie mit Bezug auf die Wellenlängen bereitzustellen, die eine Auflösung aufweisen, die größer als die des Abstands der Pixel in jeder Reihe des ladungsgekoppelten Vorrichtungsarrays ist. Vorzugsweise sind die Pixel des ladungsgekoppelten Vorrichtungsarrays in senkrechten Spalten und Reihen angeordnet und das Bild des Eintrittsschlitzes ist mit Bezug auf die Spalten des ladungsgekoppelten Vorrichtungsarrays geneigt, so dass die Reihen von Pixeln an dem ladungsgekoppelten Vorrichtungsarray im allgemeinen mit der Dispersionsrichtung von der oder jeder Spektralordnung ausgerichtet ist.
Andererseits offenbart die JP-A-59-13533 eine Wellenlängenberechnung eines Spektrometers, um eine Wellenlänge durch Errechnen der wahren Peak-Position basierend auf Vibrationswerten an mindestens drei Punkten nahe dem Peak eines Ausgangssignals eines Sensor-Arrays zu berechnen. Wenn die Abschätzung an drei Punkten nahe dem Maximalwert durch Nähern auf einer an dem Maximumpunkt gebogenen linearen Linie durchgeführt wird, kann die Anzahl von Sensoren an drei Punkten nahe dem Maximalwert und die Lichtintensitäten an diesem Punkten verwendet werden, um die Wellenlänge mit einem kleinen Mikrocomputer zu berechnen.
Die Erfindung wurde mit Blick auf das vorhergehende durchgeführt. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen optischen Spektralanalysator bereitzustellen, der annimmt, dass geprüftes Licht eine Anordnung von monochromatischen Lichtstrahlen (Licht, dessen Spektrallinienbreite viel schmaler als die Auflösung des Geräts ist, wie beispielsweise Laserlicht) ist, und der die Mittenwellenlänge des monochromatischen Lichts und die Gesamtleistung durch Durchführen einfacher Rechenoperationen aus den Eingaben von benachbarten Vorrichtungen eines Vorrichtungsarrays finden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen optischen Spektralanalysator zu verwirklichen, der imstande ist, ASE-Rauschen zu messen, das in dem Laserlicht vergraben ist, und dementsprechend den dynamischen Bereich zu verbessern.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß werden die obigen Aufgaben durch einen optischen Spektralanalysator gemäß Anspruch 1 erreicht. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung.
Bei dieser Struktur wurden die Ausgaben (theoretische Werte) von den Photodetektoren im Voraus berechnet. Es wird angenommen, dass die n-te Vorrichtung des Vorrichtungsarrays eine maximale Ausgabe erzeugt und von der Mitte des auf das Vorrichtungsarray auftreffenden abgehenden Strahls um einen Betrag von Δx abweicht. Die Beziehung zwischen dem Betrag der Abweichung Δx und dem zugeordneten Photodetektor wird im Voraus gefunden.
Wenn Werte durch tatsächliche Messungen erhalten werden, wird der Betrag der Abweichung Δx aus der obigen Beziehung gefunden. Dann wird die Mittenwellenlänge gefunden. Die Gesamtleistung kann ebenfalls aus den theoretischen Werten der Ausgaben von den Photodetektoren und aus den durch tatsächliche Messungen erhaltenen Werten berechnet werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm von Hauptabschnitten eines erfindungsgemäßen optischen Spektralanalysators;
2 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Vorrichtungsarray und einem abgehenden Strahl darstellt;
3 ist ein Ablaufdiagramm, das den Vorgang darstellt;
4 ist ein Diagramm, das die Beziehungen von p_n-1, p_n, p_n+1 zu Δx darstellt;
5 ist ein Diagramm, das die Abweichungen von ln(p_n+1/p_n-1) von geraden Linien darstellt;
6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen ln(p_n+1/p_n-1) und ω darstellt;
7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen ln(p_n+1/p_n-1) und Δx darstellt;
8 ist ein Diagramm, das tatsächlich gemessene Werte P_k und theoretische Werte p_k vergleicht;
9 ist eine graphische Darstellung, die den dynamischen Bereich darstellt;
10 ist ein Ablaufdiagramm, das zusätzliche Funktionen einer Recheneinheit darstellt;
11 ist ein Diagramm von Hauptabschnitten eines erfindungsgemäßen Spektrometers; und
12 bis 16 sind Diagramme von anderen erfindungsgemäßen Spektrometern.
BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Die Erfindung wird hier nachstehend ausführlich mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine Diagramm, das das Arbeitsprinzip eines erfindungsgemäßen optischen Spektralanalysators darstellt. In 1 umfasst ein Spektrometer 10 eine lichtdispergierende Vorrichtung und ein Vorrichtungsarray. Ein Treiber 20 treibt das Vorrichtungsarray des Spektrometers 10 und liest Signale aus. Ebenfalls gezeigt sind eine Recheneinheit 30 und eine Anzeigeeinheit 40.
Das Spektrometer 10 umfasst einen Schlitz 11, einen Kollimationsspiegel 12, eine Lichtdispersionsvorrichtung 13, wie beispielsweise ein Beugungsgitter, einen Fokussierspiegel 14 und ein Vorrichtungsarray 15. Zu messendes Licht tritt über die Einfallsöffnung des Schlitzes 11 ein und wird durch den Kollimationsspiegel 12 gebündelt. Dann tritt das Licht in die Lichtdispersionsvorrichtung 13 ein. Aus der Lichtdispersionsvorrichtung 13 abgehendes Licht wird auf das Vorrichtungsarray 15 durch den Fokussierspiegel 14 fokussiert. In diesen Fall ist die Lichtdispersionsvorrichtung 13 feststehend. Die Position des auf das Vorrichtungsarray 15 fallenden Lichtflecks bewegt oder verschiebt sich gemäß der Wellenlänge des zu messenden Lichts.
Der Algorithmus der Berechnungen, der im Besitz der Recheneinheit 30 ist, wird als nächstes beschrieben.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst das Vorrichtungsarray ein Array von streifenförmigen photodetektierenden Elementen (Vorrichtungen oder Lichtempfangsvorrichtungen). Es sei n₀ die Anzahl der Vorrichtungen. Es sei L und d die Länge bzw. Breite jeder Vorrichtung. Es sei r der Abstand zwischen den Vorrichtungen.
Bei diesem Aufbau des Vorrichtungsarrays nimmt die Ausgabe der n-ten Vorrichtung einen Maximalwert an. Wenn die Mitte dieser n-ten Vorrichtung Δx von der Mitte (x = 0) des abgehenden Strahls (mit einer Intensitätsverteilung von f(x, y)) beabstandet ist, wird die folgende Prozedur in Übereinstimmung mit der Erfindung angenommen. Zuerst wird Δx aus den Ausgaben von den Vorrichtungen P_n-2, P_n-1, P_n (max), P_n+1, ... gefunden. Dann werden die Wellenlängen durch Interpolation berechnet. Somit wird die Gesamtleistung geschätzt. Diese Prozedur wird unter den folgenden Bedingungen angenommen:

(1) Die spektrale Linienbreite des gemessenen Lichts ist ausreichend klein. Bei diesem Beispiel wird Laserlicht angenommen. Die Streuung oder Form des abgehenden Strahls wird hauptsächlich durch die durch Linsen verursachte Beugung oder durch die Leistungsverteilung an der Einfallsöffnung bestimmt.
(2) Es sei angenommen, dass den Vorrichtungen des Array gegebene Nummern zuvor mit Wellenlängen korreliert wurden und dass Abstände zwischen Vorrichtungen des Arrays mit Δx interpoliert werden können.

Ferner sei angenommen, dass Wellenlängen λ₁, ..., λ_n-1, λ_n, λ_n+1, ..., λ₀ jeweils Vorrichtungsnummern 1, ..., n – 1, n, n + 1, ..., n₀ entsprechen und dass die Wellenlängendifferenz zwischen Vorrichtungen gegeben wird durch: λk – λk-1 = Δλwobei k = 2 bis n₀ ist.
Unter den oben beschriebenen Bedingungen kann die Mittenwellenlänge λ₀ und die Gesamtleistung P_total durch Abschätzen von Δx mit tatsächlich gemessenen Werten p₁, ..., P_n-1, P_n, P_n+1, ..., P_n0 geschätzt werden, wie es in dem Ablaufdiagramm von 3 dargestellt ist.
Der Vorgang, der durchgeführt wird, wenn die Mittenwellenlänge λ₀ und die Gesamtleitung P_total bestimmt werden, wird nachstehend beschrieben.
Wenn die Lichtintensitätsverteilung g(ξ, η) an der Einfallsöffnung auf die gleiche Art und Weise, wie in dem Fall des Einfalls auf eine Ein-Moden-Phase, von dem Gauss'schen Typ ist, gilt, wenn die Gesamtleistung gleich 1 angenommen wird: g(ξ, η) = (2/πω0 2)exp{–2(ξ2 + η2)/ω0 2} (1)wobei wo eine Fleckgröße ist.
Wenn der Strahl konvertiert oder durch Linsen geringfügig gebeugt wird, bleibt die Lichtintensitätsverteilung f (x, y) an dem Vorrichtungsarray vom Gauss'schen Typ. Wenn kein Verlust auftritt, dann haben wir: f(x, y) = (2/πω2)exp{–2(x2 + y2)/ω2} (2)wobei ω eine Fleckgröße ist.
Demgemäß wird die auf die k-te Vorrichtung auftreffende Lichtleistung gegeben durch:
wobei

x₁: = (k – n)r – d/2 + Δx
x₂: = (k – n)r + d/2 + Δx

Wenn angenommen wird, dass L/2 >> ω und wenn der integrale Bereich (y-Achse) wie folgt ausgetauscht werden kann:
dann haben wir:
Daher:
Wenn dann eine durch (2)^1/2 × x/ω = t gegebene Variablenkonvertierung durchgeführt wird, dann haben wir:
wobei

t₁: = (2)^1/2(1/ω){(k – n)r – d/2 + Δx}
t₂: = (2)^1/2(1/ω){(k – n)r – d/2 + Δx}.

Es ist einfach, numerische Integration auf die obige Integration anzuwenden. Wenn eine durch
gegebene komplementäre Fehlerfunktion verwendet wird, haben wir: pk = (1/2){Erfc(t2) – Erfc(t1)}
Die Beziehungen der theoretischen Werte p_n-1, p_n, p_n+1, etc., die wie oben beschrieben gefunden wurden, zu Δx werden als nächstes beschrieben.
4 zeigt Diagramme, die die Beziehungen von p_n-1, p_n, ln(p_n+1/p_n-1) zu Δx darstellen, wobei bemerkt sei, dass p_n+1 durch horizontales Invertieren von p_n-1 erhalten wird.
Bei dem obigen Beispiel sei angenommen, dass d = 30 μm ist. 4 zeigt Fälle, bei denen r = 50 μm und ω = 30, 50 bzw. 70 ist. Das heißt, dass logarithmische Werte von p_n+1/p_n-1, d.h. ln(p_n+1/p_n-1) eine im wesentlichen lineare Beziehung zu Δx aufweisen. Somit ln(pn+1/pn-1) ∝ Δx
Daher kann, wenn tatsächlich gemessene Werte p_n-1, p_n, p_n+1 erhalten werden, Δx ohne weiteres gefunden werden. Die Mittenwellenlänge λ₀ und die Gesamtleistung P_total werden durch die folgenden Gleichungen gefunden: λ0 = λn – Δx·Δλ/r Ptotal = Pn/Pn
Bei dem oben beschriebenen Verfahren wird die Beziehung von ln(p_n+1/p_n-1) zu Δx im Voraus gefunden. Die Werte von ln(p_n+1/p_n-1) werden mit tatsächlich gemessenen Werten von p_n+1 und p_n-1 gefunden. Dann wird Δx aus den erhaltenen Werten gefunden. Die Erfindung ist nicht auf dieses Schema beschränkt. Das folgende Verfahren kann ebenfalls angenommen werden.
Wir beachten die Linearität zwischen ln(p_n+1/p_n-1) und Δx. Diese Beziehung wird durch eine gerade Linie genähert, die durch drei Punkte (–r/2, ln(p_n+1/p_n-1)), (0, 0) und (r/2, ln(p_n+1/p_n-1)) läuft. Im Voraus durchgeführte Berechnungen sind lediglich für ln(p_n+1/p_n-1), wobei Δx = r/2 oder –r/2 ist.
Zu diesem Zeitpunkt werden Abweichungen von dem genau erhaltenen ln(p_n+1/p_n-1) von der oben beschriebenen geraden Linie in 5 gezeigt, wobei r = 50 μm und d = 30 μm ist.
In diesem Fall steigt der Fehler an, wenn ω abnimmt. Wenn jedoch ω = 30 μm ist, wird der Fehler auf ±3% begrenzt. Insbesondere sei angenommen, wo die Mittenwellenlänge durch Interpolation durch das oben beschriebene Verfahren gefunden wird, dass λ0 = λn – Δx·Δλ/r
Es sei ebenfalls angenommen, dass
λn = 1550,0 nm
Δλ = 0,10 nm
Wenn Δx einen Fehler von ±3% enthält, kann λ₀ bis zu der durch 0,01 nm gegebenen Ordnung bestimmt werden. Bei tatsächlichen optischen Systemen unterscheidet sich ω geringfügig unter verwendeten Ein-Moden-Fasern. ω bleibt jedoch während der Messung fest. Was wir daher im Voraus wissen müssen, ist lediglich die Neigung einer geraden Linie, die für die Näherung verwendet wird.
Was berücksichtigt werden sollte, ist lediglich ln(p_n+1/p_n-1), wenn der Absolutwert der Abweichung |Δx| seinen Maximalwert annimmt, d.h. Δx ± r/2.
6 zeigt die Beziehung zwischen ln(p_n+1/p_n-1) und ω unter der Annahme, dass r = 50 μm, d = 30 μm und dass Δx ± r/2 = –25 μm ist.
Bei praktischen Anwendungen kann eine numerische Integration zweckmäßigerweise als komplementäre Fehlerfunktion E_rf_c(x) verwendet werden, wenn theoretische Werte von p_n-1, p_n, p_n+1 gefunden werden. Eine ausreichende Genauigkeit wird ebenfalls erhalten, sogar wenn die Inkremente nicht sehr klein gemacht werden.
7 vergleicht E_rf_c(x) mit ln(p_n+1/p_n-1), der durch die Simpson'sche 1/3-Regel (m = –1) unter der Bedingung ω = 50 μm, r = 50 μm, d = 30 μm gefunden wird. Andererseits kann die Gesamtleistung aus P_n/p_n gefunden werden. Der durch die Simpson'sche 1/3-Regel unter den obigen Bedingungen gefundene Fehler von p_n ist etwa 0,25%, was keine praktischen Probleme darstellt.
Die folgenden Werte werden tatsächlich durch Messungen erhalten und wurden mit P_n normiert:
...
P_n-1 = 0,489
P_n = 1 (λ_n = 1554,6 nm)
P_n-1 = 0,130:
...
8 vergleicht diese Werte mit theoretischen Werten p_n-1, p_n, p_n+1, die durch den Algorithmus der Recheneinheit 30 unter der Bedingung Δx = 12,12 μm gefunden wurden. In der Praxis werden mit p_n = 0,365 normierte Werte aufgetragen.
Zu dieser Zeit λ0 = 1554,6 – (12,12/50) × 0,1 = 1554,576 (nm)
Da die Gesamtleistung P_total zuvor gemessen und mit 11,6 nW gefunden wurde, wird der Maßstab der vertikalen Achse, auf der die durch tatsächliche Messungen erhaltenen Werte aufgetragen werden, ebenfalls so eingestellt werden, dass Werte von P_n gegeben werden durch: Pn/pn = 11,6 nWd.h. Pn = 11,6 nW × 0,365 = 4,23 nW
Wie bis jetzt beschrieben wurde, liefert die Erfindung folgende Vorteile. Wenn monochromatisches Licht (Laserlicht) mit einem optischen Spektralanalysator gemessen wird, ist es erforderlich, dass die Mittenwellenlänge und der Leistungspegel hohe Genauigkeiten aufweisen. Wo die Ausgabe von einem Vorrichtungsarray verwendet wird, wie sie ist, kann die Genauigkeit der Mittenwellenlänge nicht höher als die Wellenlängendifferenz Δλ zwischen Vorrichtungen des Arrays eingestellt werden. Außerdem ist eine Art Berechnung für die Gesamtleistung unerlässlich. Bei der Erfindung können jedoch die Genauigkeiten der Mittenwellenlänge λ₀ und der Gesamtleistung P_total durch genaues Finden der Position des Strahls auf dem Vorrichtungsarray ohne weiteres erhöht werden.
Es wird erwartet, dass ein Wellenlängenteilungs-Multiplex-Kommunikationssystem als ein Übertragungssystem großer Kapazität verwendet wird. Durch das System übertragenen Signale werden durch Träger oder Laserlicht und optischen Faserverstärkern befördert. Die übertragenen Signale leiden unter ASE-Rauschen (Amplified Spontaneous Emission Noise). Bei diesem System muss natürlich das Spektrum des Laserlichts genau gemessen werden. Außerdem ist es bedeutsam, das ASE-Rauschen auszuwerten, das den Rauschabstand des übertragenen Signals wesentlich beeinflusst.
Ein Spektrometer mit einem Vorrichtungsarray weist kein bewegliches Teil auf und wird so optimal als ein Übertragungssignal-Monitor für ein Wellenlängenteilungs-Multiplex-Kommunikationssystem verwendet. Der dynamische Bereich ist jedoch unzureichend, um ASE-Rauschen nahe dem Laserlicht zu erfassen.
Im allgemeinen wird der dynamische Bereich eines ein Beugungsgitter als Dispersionsvorrichtung verwendenden Spektrometers durch die Steigung der Interferenzkurve bestimmt. Genauer gesagt sei angenommen, dass monochromatisches Licht (Laserlicht mit der Wellenlänge λ₀) eintritt. Der dynamische Bereich wird als Differenz im Pegel zwischen der Wellenlänge λ₀ und einer Wellenlänge definiert, die von dieser Wellenlänge um einen Offset Δλ abweicht, wie in 9 gezeigt ist. Demgemäß wird schwaches (feeble) Licht nahe dem Laserlicht in der Steigung des Laserlichts vergraben.
Aus diesem Grund ist es notwendig, den dynamischen Bereich zu verbessern. Das herkömmliche Verfahren zum Verbessern des dynamischen Bereichs eines Spektrometers, wie beispielsweise eines optischen Spektralanalysators, besteht darin, zwei oder mehr Monochromatoren in Reihe anzuordnen.
Bei diesem Verfahren folgen dann die Dispersionsvorrichtungen (Prismen oder Beugungsgitter), so dass das intrinsische Lichtspektrum von überlagertem Streulicht getrennt wird. Dies ist ein sogenanntes Doppel-Monochromator-System.
Es ist jedoch schwierig, das oben beschriebene Verfahren in einem Spektrometer zu benutzen, das ein Vorrichtungsarray und eine feststehende Dispersionsvorrichtung kombiniert, aufgrund der mechanischen Probleme. Demgemäß gibt es eine ernsthafte Nachfrage nach anderen Verfahren.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die dieses Problem löst, wird als nächstes beschrieben. Dies ist ein optischer Spektralanalysator, der dem in 1 gezeigten optischen Spektralanalysator mit der Ausnahme ähnlich ist, dass die in dem Ablaufdiagramm von 10 dargestellten Funktionen zu der Recheneinheit 30 und die folgenden Funktionen zu der Anzeigeeinheit 40 hinzufügt werden.
Der auf diese Art und Weise aufgebaute optische Spektralanalysator zieht Nutzen aus der Tatsache, dass die Form des Spektrums, das erhalten wird, wenn Laserlicht gemessen wird, aus der Mittenwellenlänge und der Leistung geschätzt werden kann. Das Gerät kann in Laserlicht vergrabenes ASE-Rauschen messen und den dynamischen Bereich dementsprechend erhöhen.
Der Betrieb wird als nächstes beschrieben. Die Recheneinheit schätzt arithmetisch die Form des Spektrums aus der Mittenwellenlänge und aus der Leistung des Laserlichts, die gefunden werden, wie es oben beschrieben ist. Es sei angenommen, dass das Spektrum aus K Wellenlängen f₁(λ_i), f₂(λ_i), ..., f_K(λ_i), zusammengesetzt ist. Dann wird die folgende Formel berechnet:
wobei M (λ_i) Daten sind, die durch tatsächliche Messungen erhalten werden. Durch diese Berechnung wird das Spektrum des Nicht-Laserlicht-Spektrums, d.h. das Spektrum des ASE-Rauschens, gefunden.
Die Anzeigeeinheit 40 umfasst eine Funktion zum Anzeigen eines oder beider Lichtspektren und/oder des Nicht-Laserlicht-Spektrums, das wie oben beschrieben gefunden wird, nach Bedarf.
Bei der obigen Ausführungsform ist die Lichtintensitätsverteilung g(ξ, η) an der Einfallsöffnung vom Gauss'schen Typ. Die Erfindung ist nicht auf diesen Typ beschränkt. Sie kann ebenfalls vom Lorentz'schen Typ sein.
Ein weiteres Beispiel eines Spektrometers wird als nächstes beschrieben. Bei dem obigen Beispiel eines Spektrometers werden die Wellenlängenauflösung und der Bereich der gemessenen Wellenlängen durch die Anzahl von Vorrichtungen des Vorrichtungsarrays, den Abstand, die Brennweite des Fokussierspiegels und anderen Faktoren bestimmt. Kompromisse werden zwischen der Wellenlängenauflösung und dem Bereich der gemessenen Wellenlängen durchgeführt. Wenn einer verbessert wird, dann wird somit der andere verschlechtert. Es ist unmöglich, beide zur gleichen Zeit zu verbessern. Ein Spektrometer, wie in 11 gezeigt, löst dieses Problem und wird mit einer Mehrzahl von Einfallsöffnungen oder Schlitzen versehen. Das Gerät kann den Bereich gemessener Wellenlängen erweitern, während die gewünschte Wellenlängenauflösung beibehalten wird.
11 zeigt das mit einer Mehrzahl von Einfallsöffnungen ausgestattete Spektrometer. Bei diesem Beispiel werden zwecks Einfachheit lediglich zwei Einfallsöffnungen gezeigt. Es sei bemerkt, dass gleiche Bauteile durch gleiche Bezugszeichen in beiden 1 und 11 angegeben werden. Durch 16 und 17 werden Einfallsöffnungen angegeben, deren Breiten durch Schlitze eingestellt werden.
Licht mit einem Wellenlängenbereich von λ₁₀ ± Δλ tritt von der Einfallsöffnung 16 ein. Licht mit einem Wellenlängenbereich von λ₂₀ ± Δλ tritt von der Einfallsöffnung 17 ein.
Dieses Spektrometer umfasst ein Vorrichtungsarray 15, das beide Wellenlängenbereiche λ₁₀ ± Δλ und λ₂₀ ± Δλ abdeckt.
Die Einfallswinkel λ₁₀ und λ₂₀ der beiden Wellenlängen auf ein Beugungsgitter 13 werden so eingestellt, dass ihre Beugungswinkel für die Mittenwellenlängen λ₁₀ und λ₂₀ der beiden Wellenlängenbereiche jeweils gleich β₀ sind.
In dem Fall eines Lichtdispersionsgeräts mit einem Vorrichtungsarray ist die Wellenlängenauflösung durch einige Faktoren beschränkt. Es sei nun angenommen, dass seine theoretische Auflösung durch die Anzahl (n_ch) der Vorrichtungen des Arrays und ebenfalls durch den Bereich (2 Δλ) der gemessenen Wellenlängen beschränkt ist. Das heißt, wenn die theoretische Auflösung als die Differenz zwischen die Differenz in den Wellenlängen zwischen benachbarten Vorrichtung definiert ist, dann gilt die folgende Gleichung: theoretische Auflösung = 2 Δλ/(nch – 1) = 2 Δλ/(nch)wobei n_ch >> 1.
Bei der in 11 gezeigten Konfiguration kann der Bereich der gemessenen Wellenlängen um einen Faktor 2 erweitert werden, während die theoretische Auflösung beibehalten wird. Sogar wenn die Auflösung durch andere Faktoren eingeschränkt wird, kann der Bereich der gemessenen Wellenlängen um einen Faktor erweitert werden, der der Anzahl von Einfallsöffnungen entspricht, während die Auflösung beibehalten wird.
Der Betrieb des in 11 gezeigten optischen Systems wird weiter ausführlich beschrieben. Die Grundgleichung für ein Beugungsgitter wird gegeben durch: sin (α) + sin (β) = mλ/dwobei α der Einfallswinkel, β der Beugungswinkel, m die Beugungsordnung, λ eine Wellenlänge und d eine Gitterkonstante ist. Von dieser Grundgleichung werden die Beugungswinkel β₁₀ und β₂₀ für die Mittenwellenlängen λ₁₀ und λ₂₀ der beiden Wellenlängenbereiche gegeben durch: β10 = sin–1(mλ10/d – sin(α10)) β20 = sin–1(mλ20/d – sin(α20))
Wenn die Einfallsöffnungen so eingestellt sind, dass die Einfallswinkel β₁₀, β₂₀ die Bedingung β₁₀ = β₂₀ erfüllen, d.h. mλ10/d – sin(α10) = mλ20/d – sin(α20),dann gilt die folgende Gleichung für die Abweichung Δλ von ihren jeweiligen Mittenwellenlängen: m{λ10 ± Δλ}/d – sin(α10) = m{λ20 ± Δλ}/d – sin(α20)
D.h. wenn die beiden Wellenlängenbereiche, Einfallsöffnungen, Einfallswinkel und Mittenwellenlängen eingestellt werden, wie oben beschrieben ist, kann das gleiche Vorrichtungsarray beide Wellenlängenbereiche abdecken.
Wenn mehr als zwei Wellenlängen existieren, findet die gleiche Theorie Anwendung, solange wie die Einfallsöffnungen, Einfallswinkel und Mittenwellenlängen festgelegt sind, wie oben beschrieben ist. Der Bereich der gemessenen Wellenlängen kann erweitert werden, während die gewünschte Auflösung beibehalten wird.
12 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Optische Faserverbinder (Buchsen) 18 und 19 sind an Einfallsöffnungen angebracht. Eine Einfallsöffnung wird gemäß der gemessenen Wellenlänge ausgewählt, und die optische Faser 1 wird ausgetauscht.
Da die Positionen, bei denen die optischen Faserverbinder 18 und 19 angebracht sind, fest sind, wird die Position des Einfallslichts nicht durch den Austausch der Faser beeinflusst.
13 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Ein Licht-Teilungsmittel 20 wird mit einem optischen Kanalselektor 21 kombiniert. Der optische Kanalselektor 21 wird angesteuert, um lediglich einen der ausgegebenen Lichtstrahlen von dem Licht-Teilungsmittel 20 durchzulassen. Eine Einfallsöffnung wird ohne Austauschen der optischen Faser 1 ausgewählt.
14 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Ein Zeitsteuersignal-Generator 22 erzeugt ein Zeitsteuersignal. Eine Treiberschaltung 24 wirkt, um die Ausgabe von einem Vorrichtungsarray 15 zu lesen. Eine Schalt-Steuerschaltung 23 dient dazu, den Kanal eines optischen Kanalselektors 21 umzuschalten. Das Zeitsteuersignal wird an die Treiberschaltung 24 und an die Schalt-Steuerschaltung 23 geliefert, um das Lesen der Ausgabe von dem Vorrichtungsarray 15 mit der Zeitsteuerung zu synchronisieren, mit der der Kanal des optischen Kanalselektors 21 umgeschaltet wird. Das heißt, dass das Vorrichtungsarray synchron mit dem Umschalten des Kanals durchlaufen wird. Von den mehreren Kanälen während einer Periode erzeugte Signale werden abwechselnd angenommen. Somit werden mehrere Wellenlängenbereiche gleichzeitig gemessen, obwohl eine der Durchlaufzeit entsprechende Zeitdifferenz existiert.
Ausgangssignale von den Vorrichtungen des Arrays werden in einem Speicher 25 gespeichert. Signale von unterschiedlichen Wellenlängenbereichen werden in dem Speicher 25 in der Reihenfolge des Zeitablaufs angeordnet. Signale von dem gewünschten Wellenlängenbereich werden synchron mit dem oben erwähnten Zeitsteuersignal ausgelesen und auf einer Anzeigeeinheit 26 angezeigt.
15 zeigt eine zusätzliche Ausführungsform der Erfindung. Bei der Konfiguration von 15 ist ein optischer Kanalselektor 21 mit einem Kanal 21a ausgestattet, auf den kein einfallendes Licht auftrifft. Eine dunkle Ausgabe wird auf einer Echtzeit-Grundlage angenommen. Die dunkle Ausgabe kann gelöscht oder auf gemessene Werte von einem Vorrichtungsarray korrigiert werden.
16 zeigt eine Konfiguration, bei der ein Prisma als eine Dispersionsvorrichtung 13 verwendet wird. Wenn Einfallsöffnungen bereitgestellt werden, die die Winkeldispersion des Prismas berücksichtigen, dann findet die vorhergehende Theorie Anwendung.
Es ist ersichtlich, dass die Beschreibung der Erfindung, die bis jetzt gegeben wurde, lediglich bestimmte bevorzugte Ausführungsformen zur Darstellung zeigt. Demgemäß ist offensichtlich, dass viele Modifikationen und Änderungen ohne Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, möglich sind.

Claims

Optischer Spektralanalysator mit: einem Spektrometer (10), das eine Einfallsöffnung (11) zum Einleiten von zu messendem Licht aufweist; einer Dispersionseinrichtung (13) zum Empfangen des eingeleiteten Lichts; einem Vorrichtungsarray (15) aus einer Mehrzahl von Photodetektoren und einer Fokussiereinrichtung (14) zum Fokussieren des aus der Dispersionseinrichtung austretenden Lichts auf dem Vorrichtungsarray; einer Recheneinheit (30), die eine Funktion zum Berechnen einer Mittenwellenlänge und einer Gesamtleistung aus Ausgangssignalen von den Photodetektoren und aus einer Lichtleistungsverteilung an der Einfallsöffnung aufweist; und einer Anzeigeeinheit (40); wobei die Anzeigeeinheit ferner eine Funktion zum Berechnen einer Signallicht-Spektralform aus der Mittenwellenlänge und der Gesamtleistung und zum Bestimmen von Hintergrundrauschen mit verstärkter spontaner Emission umfasst, indem die Daten der berechneten Spektralform von den tatsächlichen Daten subtrahiert werden, und die Anzeigeeinheit angepasst ist, um das Spektrum des gemessenen Lichts oder das von dem gemessenen Licht unterschiedliche Licht oder beide anzuzeigen.
Optischer Spektralanalysator gemäß Anspruch 1, wobei eine optische Einzel-Modenfaser an der Einfallsöffnung verwendet wird und wobei die Recheinheit annimmt, dass die optische Leistungsverteilung an der Einfallsöffnung vom Gaußschen Typ ist, und die Mittenwellenlänge und Gesamtleistung durch Berechnungen ermittelt.
Optischer Spektralanalysator gemäß Anspruch 1, wobei (A) ein erster Photodetektor ein Maximalausgangssignal erzeugt, (B) ein zweiter und ein dritter Photodetektor auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Photodetektors angeordnet sind, und (C) die Recheneinheit eine Näherung durchführt, dass logarithmische Werte des Verhältnisses eines Ausgangssignals von dem zweiten Photodetektor zu einem Ausgangssignal von dem dritten Photodetektor im Verhältnis zu einer Abweichung von der Mitte des ersten Photodetektors von der Mitte eines Einfallstrahls stehen, und die Mittenwellenlänge und Gesamtleistung durch Berechnungen ermittelt.