DE8607002U1

DE8607002U1 - Lichtübertragungseinrichtung für einen faseroptischen Sensor

Info

Publication number: DE8607002U1
Application number: DE19868607002
Authority: DE
Original assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Current assignee: Hewlett Packard GmbH Germany
Priority date: 1986-03-14
Filing date: 1986-03-14
Publication date: 1989-10-19

Description

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Hewlett-Packard GmbH
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LICHTÜBERTRAGUNGSEINRICHTUNG FÜR EINEN FASEROPTISCHEN SENSOR

Die Erfindung betrifft eine L1 ^!übertragungseinrichtung für einen faseroptischen Sensor gemlB am Orff «on Patentanspruch 1. Derartige Lichtübertraguflgseinrichtunges «erden beispielsweise bei der spektroskopischen Stoffanalyse verwendet, bei welcher das von einer Lichtquelle ausgesandte Licht In einem Sensor durch den zu untersuchenden Stoff sasdifirfert und meistens stark gesdiwicht wird.

Bei bekannten Lichtübertragungseinrichtungen für faseroptische Sensoren sind elf© Bit einer Lichtquelle verbundene Sendefaser und e1ie alt einem Detektor verbundene Empfangsfaser en einen Strahl teil er geführt, der die Einkoppelung und die Auskoppelung von Licht in eine bzw. aus einer ritizelnen Sensorfaser erlaubt. In bekannten faseroptischen Strahlteilern sind fasern 1n einem Verbindungsbereich parallel geführt und so bearbeitet, i'tS Licht von einer Faser 1 &eegr; eine benachbarte eintreten kann. Die Obergangsstellen für Licht zwischen den verschiedenen Fasern sind präzise zu bearbeiten, so daß die Einrichtung teuer In der Herstellung 1st. Oa die Fasern fest miteinander verbunden sind, nuß bei Anwendungen, bei denen die Sensorfaser nach dem Gebrauch nicht wiederveraendet <s©rden kann und daher auswechselbar sein «uß, ein zusätzlicher lösbarer optischer Steckverbinder vorgesehen werden. Ein solcher Steckverbinder weist zwei aufeinander passende Konnektoren auf, von denen der eine mit der Sensorfaser und der andere mit dem gemeinsamen Endstück der miteinander verbundenen Sendefaser und Empfangsfaser verbunden sind. Wenn die beiden Konnektoren dieses Steckverbinders zusammengefügt sind, liegen die beiden Enden der jeweiligen Fasern aufeinander und bilden eine Grenzfläche, an der ein Teil des auftreffenden Lichtes reflektiert werden kann. Somit kann ein Bruchteil der von der Lichtquelle übertragenen Lichtsignale von dieser Grenzfläche reflektiert werden und in die Empfangsfaser gelangen und im Detektor ein unerwünschtes Untergrundsignal verursachen. Dieses Untergrundsignal ist besonders störend, wenn das Licht durch die zu untersuchende Probe so stark geschwächt wird, daß die Intensität der unerwünschten Reflexionen gegenüber der Intensität des durch die Probe geschwächten Lichtes nicht mehr zu vernachlässigen 1st. Da das Untergrundsignal die gleiche.Ijtodul atf on* wie* «in. durch die Sensorfaser zu

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den Detektor übertragenes und fur eine zu analysierende Substanz charakteristisches Meßsignal hat, kann es auf herkömmliche Weise nicht eliminiert werden.

Eine Möglichkeit zum Vermeiden dieser unerwünschten Reflexionen könnte darin bestehen, einen Strahl teil er in einen mit der Sensorfaser verbundenen Konnektor zu legen, wobei dieser Konnektor und sein entsprechendes Gegenstück jeweils jwei räumlich getrennte, zu der Sendefaser bzw. der Etepfangsfaser gehörende Faserenden aufweisen, deren Achsen 1m verbundenen Zustiml jeweils miteinander fluchten.

Da bei einer solchen Vorrichtung eventuell an dar Grenzfläche zwischen r' den beiden Konnektoren reflektierte Si£?2ale nicht von der Sendefaser . in die Eapfangsfäser gelangen können, wurden zwar die genannten Reflexionsprobleme weitgehend vermieden, es müßten aber jeweils zwei Faserig enden sxm Erreichen einer guten optischen Verbindung in ihrer Lage j 15 sehr präzise aufeinander abgestimmt sein und es tsüßte ein Strahl teiler im Konnektor vorgesehen ««erden, so daß die «erstellung einer solchen

Vorrichtung mit einem vergleichsweise hohen Aufwand verbunden wäre.

; Beispielsweise bei medizinischen Anwendungen, bei denen die Sensorfa-

f ser einschließlich des entsprechenden Konnektors aus hygienischen

\ 20 Gründen als Wegwerf teil konzipiert sind, wäre ein solcher, infolge der

erforderlichen HersteHüngsgenauigkeit und das integrierten Strahl tei-

■ lers teurer Konnektor besonders nachteilig.

Gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Lichtübertragungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Beieot^nspruch 1 zu schaffen, bei welcher die genannten Reflexionsprobleme vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale von Pe^ewülnspruch 1.

Erfindungsgemäß weist die Lichtübertragungseinrichtung eine Steckverj 30 bindung zum lösbaren Verbinden der Sendefaser und der Empfangsfaser

' auf der einen Seite mit der Sensorfaser auf der anderen Seite auf,

wobei die Steckverbindung infolge der besonderer. Anordnung der Fasern » gleichzeitig die Funktion eines Strahl tellers erfüllt. Gemäß der Erfindung weist jede der Lichtleitfasern im Bereich des Strahlteilers,

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wo die Lichtsignale «ran einer Faser In eine jeweils andere Faser gelangen, eine Endfläche auf, aus welcher Lichtsignale aus der jeweiligen Faser austreten bzw. in die Faser eintreten können. Die Endfläche der Sendefaser und die Endfläche der Empfangsfaser Hegen der Endfläehe der Sensorfaser gegenüber, so daß Lichtsignale aus der Sendefaser 1n die Sensorfaser gelangen und Lichtsignale aus der Sensorfaser 1n die Empfangsfaser gelangen können. Im Unterschied zu bekannten Lichtü-

Ueri.r3yüfig5c1TTfICutünuen wird üinS wfl-c/doii nSTi Lii.uii>"yTiSlSTt »DS ucT

Sendefaser 1n die Empfangsfaser 1m wesentlichen verhindert, so daß ein übersprechen zwischen dem Sendekanal und dem Empfangskanal im wesent- ^! liehen vermieden wird. Bei der Lichtübertragungseinrichtung nach der Erfindung kann auf der Sensorseite ein handelsüblicher preiswerter Konnektor'verwendet «erden. Dies 1st besonders vorteilhaft bei «edizinischen Anwendungen, beispielsweise für die Analyse von Blutbestandr teilen , bei welchen die Sensorfaser in ein Blutgefäß eingeführt wird und anschließend aus Sterilitätsgründen weggeworfen wird. Somit ermöglicht die Erfindung die Verwendung eines preiswerten Wegwerfteiles auf der Sensorseite.

Aus DE-DS 24 OB 623 1st zwar in einem anderen Zussmenhang eine Verbindung von drei Lichtleitfasern bekannt, bei welcher die Endflächen von zwei Fasern der Endfläche einer dritten Faser gegenüberliegend angeordnet sind, jedoch sind die Lichtleitfasern nicht lösfca? miteinander verbunden und diese Art der Verbindung ist weder dazu bestimmt noch dazu geeignet, 1n einer Lichtübertragungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff von £a±e&iJpspruch 1 eingesetzt zu werden.

Wenn gemäß Anspruch 3 die Durchmesser der Sendefaser und der Empfangsfaser wesentlich größer als der Durchmesser der Sensorfaser gewählt werden, wird die Flächenüberdeckung der Endfläche der Sensorfaser mit den Endflächen der beiden anderen Fasern maximal. Da üblicherweise verwendete Lichtquellen (LED) und Detektoren (Photodioden) eine im Vergleich zur Sensorfaser große Fläche aufweisen, wird dadurch die gesamte Dämpfung der Lichtübertragungseinrichtung verringert, solange die Sendefasern und Empfangsfasern in ihrer Querschnittsfläche gerade noch kleiner als die aktiven Sender- und Detektorflächen sind.

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Nachfolgend wird ein Äusführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Figur 1: schematisch eine Lichtübertragungseinrichtung gemäß der Erfindung im Querschnitt, und

Figur 2: schematisch einen Schnitt entlang der Linie A-A gemäß Figur 1 1n vergrößerter Darstellung, welcher die relative Lage der F?serendf1ächen an der Verbindungsstelle veranschaulicht.

Gemäß Figur 1 umfaßt die Li^übertragungseinrichtung eine mit einer Lichtquelle 14 verbindbare Sendefaser 4 , eine mit einem Lichtempfänger 15 verbindbare Empfangsfaser 5 , eine mit einem Sensor 13 für die optische Stoffanalyse verbindbare Sensorfiscr 3 sowie eine als Strahl teiler ausgeführte optische Steckverbindung 1,2. Die Sensorfaser 3 kann beispielsweise über eine Klebeverbindung fest mit dem Sensor 13 verbunden sein, während die Sendefaser 4 und die Empfangsfaser 5 fest oder lösbar mit der Lichtquelle bzw. mit dem Lichtempfänger verbunden sein können. Der Sensor kann beispielsweise farbstoffhaitige Stoffe enthalten, deren optische Absorption oder Fluoreszenz auf die zu untersuchende Substanz empfindlich 1st. nachfolgend wird die in der erfindungsgemäßen Lichtübertragungseiftrichtung verwendete Steckverbin- dung näher beschrieben.

SenäB Figur 1 «feist die Steckverbindung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zwei Kopplungsstücke 1 und 2 auf, die handelsüblichen optischen Konnektoren entsprechen können. Eine Lichtleitfaser 3 ist in das erste Kopplungsstück 1 in üblicher Weise bis zu einer die beiden Verbindungsstücke trennenden Ebene 6 geführt. Die beiden anderen Lichtleitfasern 4 und 5 sind durch das zweite Kopplungsstück 2 von der anderen Seite bis zu der Trennebene 6 geführt. Die Fasern sind eng aneinander!legend parallel zueinander zu der Trennfläche 6 geführt. Die Faser 3 auf der Seite des ersten Kopplungs-Stückes 1 und die Fasern auf der Seite des zweiten Kopplungsstückes 2 sind derart geführt, daß die Achse der Faser 3 und die Berührungslinie der beiden Fasern 4 und 5 an der Trennfläche 6 miteinander fluchten. Die Verbindung der beiden Kopplungsstücke geschieht in üblicher Weise unter Verwendung eines Zwischenstückes (nicht dargestellt), welches die beiden Kopplungsstücke zusammenhält.

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In Figüf* Z 1st die relative Lage der drei Lichtleitfasern 3, 4 und 5 an der ßrenzflaciwi 5 zwischen den beiden Kopplungsstücken Im Detail dargestellt. Die Lichtleitfasern 3, 4 und 5 sind jeweils mit einem Mantel 7, 8 bzw. 9 umgeben. Wenn die beiden Kopplungsstücke verbunden ' sind, Hegt die Endfläche 10 der Faser 3 derart auf den beiden Endflächen 11 bzw. 12 der Fasern 4 bzw. 5 auf, daß der Mittelpunkt der Fläche ID 1a «ttsenti-ichfin iihereinslirant nit dem Berührungspunkt der beiden Fasern 4 und S in der Ebene 6. Die Stärke der Ummantelung und die Durchmesser der Fasern sind dabei so zu wählen, daß eine Überlappung der lichtleitenden Fläche der Sensorfaser 3 mit jeweils einem Abschnitt der 11chti eltenden Fläche der Fasern 4 bzw. 5 gewährleistet 1st. Zur Naxinierung der nichenüberltppung kann der Durchmesser der Sensorfaser 3 klein 1a Vergleich zu den Durchmessern der mit dem Detektor bzw. mit der Lichtquelle verbundenen Fasern 4 bzw. 5 gewählt «erden. Die gesamte Dämpfungsbiianz wird durch die Verwendung von Sendefasern und von Empfangsfasern, die einen größeren Durchmessern als die Sensorfaser haben, nicht verschlechtert, da typische Lichtquellen (lichtemittierende Dioden) bzw. Detektoren (Photodioden) im Vergleich zu den Fasern eine große Fläche und eine große numerische Apertur haben. Die Durchmesser der Fasern «erden beispielsweise so gewählt, daß der Durchmesser der Sensorfaser lsi Vergleich zu den Durchwessern der wit dem Detektor bzw. der mit der Lichtquelle verbundenen Fasern so klein ist, daß praktisch die gesamte Endfläche der Sensorfaser auf den Endflächen der beiden anderen Fasern aufliegt.

Bei einer praktischen Anwendung der Erfindung kann die Sensorfaser an eine zu untersuchende Substanz geführt sein, während die Faser 4 mit einer Lichtquelle und die Faser 5 mit einem lichtempfindlichen Detektor verbunden ist. Sind die beiden Kopplungsstücke zusammengefügt, werden Lichtsignale von der Quelle durch die Faser 4 in die Sensorfaser 3 geleitet. Nachdem die Lichtsignale in a&r zu untersuchenden Substanz teilweise absorbiert oder anderweitig modifiziert wurden, gelangen die modifizierten Signale wieder in die Faser 3 und laufen in entgegengesetzter Richtung zu der Trennfläche 6 , treten dort in die Faser 5 ein und gelangen zu einem mit der Faser 5 verbundenen Detektor.

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Da die Fasern 4 und 5 bis zur Grenzfläche 6 getrennt voneinender verlaufen, wird 1m wesentlichen verhindert, daB von der Lichtquelle ausgehende und an der Grenzfläche 6 reflektierte Signale in die nrSt dem Detektor verbundene Faser 5 gelangen und dort ein unerwünschtes Untergrundsignal hervorrufen können.

Bei einer praktischen Äusfühumgsform der Erfindung hat die Sensorfaser 3 einschließlich der Ummantelung einen Durchmesser von 114 Mikrometern, und der lichtleitende Kern dieser Faser hat einen Durchmesser &ngr;&ogr;&ugr; 107 Mikrometern. Die mit asr Lichtquelle bzw. mit dem Detektor

verbundenen Fasern 4 bzw. 5 haben jeweils einen Gesamtdurchmesser von 250 Mikrometern, und der lichtleitende Kern hat jeweils einen Durchmesser von 240 Mikrometern. Die übergangsVerluste für Licht beim übergang von der Sensorfaser 3 in die Fasern 4 bzw. 5 betragen jeweils 5.5 dB. Die ÜWsprechdämpfung für optische Signale zwischen den Fasem 4 und 5 ist besser als -40 dB.

Es versteht sich, daß die Steckverbindung mit integriertem Strahl teiler gemäß der Erfindung nicht auf die Verbindung von drei Lichtleitfasern beschränkt 1st, sondern mit einer beliebigen Anzahl von Lichtleitfasern ausgeführt werden kann, solange eine ausreichende überlappung der lichtleitenden Flächen auf der einen Seite des Strahl tellers mit den entsprechenden lichtleitenden Flächen auf der anderen Seite des Strahlteilers gewährleistet ist.

Claims

Hewlett-Packard Safe«.:. . : ; \ . .··. ;·· Int. Az. DT 105 '" '""·' '""·· ll.Härz 1986 WffBffAHSPRÜCHE

1. Lichtübertragungseinrichtung für einen faseroptischen Sensor zur Untersuchung einer Probe

alt Lichtleitfasern zum Verbinden einer Lichtquelle zum Aussenden von Lichtsignalen und eines Lichtempfängers zum Empfangen der durch die Probe veränderten Lichtsignale mit den Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß

- eine mit der Lichtquelle (14) verbindbare Sendefaser (4) vorgesehen ist ,

- eine wit dem Hchterapfänger (15) verbindbare Empfangsfaser (S) vorgesehen 1st,

- wenigstens «ine mit dem Sensor (13) verbindbare Sensorfaser (3) zum übertragen von Lichtsignalen in beiden Richtungen vorgesehen 1st,

- eine Steckverbindung mit zwei miteinander verbindbaren Verbindungsstücken (1;2) vorgesehen ist, von denen das erste Verbindungsstück (1) bestimmt 1st zum Aufnehmen der Sensorfaser (3) und von denen das zweite Verbindungsstück (2} bestirnt 1st zum Aufnehmen der Sendefaser (4) und der Empfangsfaser (5), wobei die Sendefaser (4), die Empfangsfaser (5) und die Sensorfaser

(3) 1m Verbindungsbereich der beiden Verbindungsstücke (1;2) jeweils eine Endfläche (ll;12;10) aufweisen, aus welcher Lichtsignal e aus der jeweiligen Faser austreten bzw. 1n die jeweilige Faser eintreten können, und

- die Endfläche (10) der Sensorfaser (3) den Endflächen (11;12) der Sendefaser (4) und der Empfangsfaser (5) derart gegenüberliegt, daß Lichtsignale aus der Endfläche (11) der Sendefaser

(4) 1n die Sensorfasor (3) eintreten können und daß Lichtsignale aus der Endfläche (10) der Sensorfaser (3) in die Empfangsfaser

(5) eintreten können«

2. Li^übertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet»

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daß zumindest slit Teil der Endfläche (11) der Sendefaser (4) und zumindest ein Teil der Endfläche (12) der Empfangsfaser (5) sich jeweils «it »«rindest einen Teil der Endfläche (10) der Senssrfaser (3) überlappt.

3. Lichtübertragungseinrichtung nact» einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet ,

dal! die Sendefaser (4) und die E*pfangsfaser (5) einen wesentlich größeren Durchmesser haben als die Sensorftser (3).

4. Lichtübertragunseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Sendefaser (4) und die Empfangsfaser (5) 1m Bereich des St:a'nlteilers parallel zueinander verlaufen und sich berühren und da8 die &arühn«ngslinie der Sendefaser (4) und der Ewpfangsfaser

(5) mit der Achfs der Sensorfaser (3) fluchtet.

5. Lichtübertragungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet , daß die Endfläche der Sensorfaser (3) parallel zu den Endflächen der Sendefaser (4) und der Empfangsfaser (5) verläuft.

6. LichtUbertragungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet , daß die Endflächen (10,11,12) der jeweiligen Lichtleitfasern (3,4,5) im wesentlichen senkrecht zu den jeweiligen Längsachsen der Lichtleitfasern orientiert sind.