EP3347696A1 - Lichtleitvorrichtung, messsystem und verfahren zum herstellen einer lichtleitvorrichtung - Google Patents

Lichtleitvorrichtung, messsystem und verfahren zum herstellen einer lichtleitvorrichtung

Info

Publication number
EP3347696A1
EP3347696A1 EP16751617.8A EP16751617A EP3347696A1 EP 3347696 A1 EP3347696 A1 EP 3347696A1 EP 16751617 A EP16751617 A EP 16751617A EP 3347696 A1 EP3347696 A1 EP 3347696A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
optical fiber
light guide
coupling
section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16751617.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel AQUINO MAIER
Martin Schreivogel
Philipp ELMLINGER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3347696A1 publication Critical patent/EP3347696A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/33—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using ultraviolet light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/125—Bends, branchings or intersections
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4204—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details the coupling comprising intermediate optical elements, e.g. lenses, holograms
    • G02B6/4206—Optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4219—Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4266—Thermal aspects, temperature control or temperature monitoring
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/08—Optical fibres; light guides
    • G01N2201/0806—Light rod
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/08—Optical fibres; light guides
    • G01N2201/0873—Using optically integrated constructions

Definitions

  • the invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims.
  • the subject of the present invention is also a computer program.
  • Optical fibers such as glass fibers or waveguides are usually made of a core, English core, and a cladding, English cladding, wherein the light-reflecting effect based on total reflections arises because the core has a higher refractive index compared to the cladding.
  • the differences between the refractive indices can be very small, for example less than 0.05.
  • Optical fibers for sensor applications such as in the area of
  • Absorption spectroscopy for example, can be designed to divide a light train emanating from a light source for reference measurements and in this case to conduct as much light as possible to a sensitive unit.
  • the light beam can be split using planar light guide structures such as Y couplers.
  • Light guide device for guiding a light beam between a light source and a measuring unit for measuring a gas concentration, a measuring system, a method for manufacturing a light guiding device, a device which uses this method, and finally a corresponding one
  • a light-guiding device for guiding a light beam between a light source and a measuring unit for measuring a substance concentration wherein the light-guiding device has the following features: a light guide with at least one coupling section facing the light source for coupling in the light beam and an outcoupling section facing or facing the measuring unit to the
  • the light guide is designed to guide the light beam between the coupling-in section and the coupling-out section by total reflection at an interface with a fluid or material surrounding the light guide and having a refractive index smaller than the light guide; and a holding device configured to hold the light guide in the fluid such that at least a major portion of a surface of the light guide is in contact with the fluid.
  • An optical waveguide can be understood to mean a transparent component, for example in the form of a straight, curved or branched rod or beam.
  • the light guide may be suitable for use in miniaturized systems. The light pipe is thereby reflected by a
  • the light source may be one or more light-emitting diodes or one or more laser diodes.
  • the light source may also include one or more reflective elements such as mirrors to one of a Light emission unit of the light source emitted light to guide in a desired light output direction of the light source. Under a single or
  • Auskoppelabites can be understood a portion of a surface of the light guide, in particular, for example, a cross-sectional area.
  • the cross-sectional area may be approximately rectangular, round or hexagonal.
  • a measuring unit for example, a measuring cell, a measuring detector or a reference detector can be understood.
  • the fluid may be a gas or gas mixture such as air or even a liquid such as oil.
  • the material may be a transparent material such as a silicone material.
  • the light guide can be arranged or arranged, for example, in a filled or filled with the fluid or material and fluid-tight sealable housing.
  • a holding device may be understood to mean a holder for fastening or placing the optical waveguide.
  • the holding device can be positively, positively or materially connected to the light guide. It is also conceivable, however, a one-piece design of the light guide and the holding device, wherein the light guide and the holding device can be made of the same material.
  • the approach described here is based on the finding that using a sheathless light guide and a corresponding holder for
  • Curves, mode mixers, splitters and Y-couplers allows.
  • a correspondingly thick core layer of the light guide can be particularly in connection with the so-called butt coupling, but also at
  • such a light guide device can have a high
  • the light guide is well suited for use in absorption spectroscopy, especially in the UV absorption spectroscopy for the optical detection of (off) gases such as
  • Nitrogen oxides NO, NO 2 and sulfur oxides (SO 2) as well as ammonia (NH 3) or ozone (03).
  • the light-guiding device can be realized, for example, in the form of a free-standing glass core light guide with an air-vacuum jacket.
  • the advantage of such a light-conducting system is that as much light as possible can be coupled in and guided, at the same time enabling elements such as couplers.
  • the light guide device requires no lenses and can be miniaturized.
  • the production costs can be reduced;
  • this can simplify the production and increase the robustness.
  • external optical elements such as mirrors or lenses can be omitted, whereby the adjustment effort and thus the production costs can be significantly reduced.
  • Some of the elements mentioned here can also be dispensed with, where optical elements which may also be integrated in a light source may be required for coupling in / out of light into the measuring cell.
  • the light-guiding device may have a base element for receiving the holding device.
  • a base element for receiving the holding device.
  • the floor element be made of silicon or a silicon-containing material.
  • the bottom element can be formed, for example, with a corresponding recess or recess in order to allow the largest possible contact of the light guide with the fluid. By the bottom element, the holding device can be stably supported.
  • the light guide and the holding device are made in one piece.
  • the light guide and the holding device are made in one piece.
  • Decoupling portion is formed by a cross-sectional area of a second end of the light guide.
  • the light guide as a bar with rectangular or hexagonal cross section and corresponding
  • Cross-sectional surfaces are manufactured as input or decoupling section. Also by this embodiment, the light guide can be produced very easily.
  • the light guide and, additionally or alternatively, the holding device may be made of glass or a polymer or of both.
  • Such materials offer the advantage of low manufacturing costs and good transmission properties, especially in the wavelength range of UV light.
  • Temperature control unit for active and / or passive cooling and / or heating of the light source and / or the light guide and / or the measuring unit to provide. That is, in other words, that the light source and / or the light guide and / or measuring units connected to the light guide, e.g. Photodetectors or an absorption measuring cell to be coupled to active and / or passive temperature controller or cooling elements.
  • a temperature controller may e.g. be realized by a Peltier element.
  • Such an apparatus may be particularly advantageous in the absorption spectroscopy of exhaust gases to enhance the function of temperature-sensitive elements, such as e.g. LEDs or photodetectors, in environments with high heat or strong
  • Temperature variations e.g. in the exhaust system of internal combustion engines. Furthermore, by regulating the temperature of
  • the holding device may comprise at least a first holding element and a second holding element.
  • the light guide can be clamped or clamped between the first holding element and the second holding element.
  • the first holding element or, additionally or alternatively, the second holding element can be configured U- or L-shaped.
  • the two holding elements can be connected to a frame with each other.
  • the first holding element at at least one point of contact, at which the first holding element contacts the optical waveguide have a tapering in the direction of the light guide cross section. Accordingly, alternatively or additionally, the second holding element on at least one
  • Touch point at which the second holding element contacts the optical waveguide have a tapering in the direction of the light guide cross section.
  • the cross section may be tapered.
  • the optical waveguide can at least one branch point at least one optical fiber branch for deflecting and / or dividing one over the
  • the optical fiber branch can be, for example, one with the input and output coupling section
  • the acting main branch connected auxiliary branch of the light guide act, in this case, the light guide branch, depending on the embodiment, for example, be arranged at right angles or at an acute angle to the main branch.
  • the optical fiber branch can also have a corresponding coupling-out section for decoupling one of the two partial beams.
  • the light beam can be directed simultaneously in different directions.
  • the light guide can be realized for example as a Y-shaped coupler.
  • the optical fiber also act as a holding element for holding the light guide at the same time.
  • the optical waveguide can at least one first optical fiber branch and at at least one first branch point at least one second branch point at least one second
  • the first branching point can be designed to divide a light beam coupled in via the coupling-in section into a first partial beam and a second partial beam such that the first partial beam is directed to the coupling-out section and the second partial beam is directed into the first optical fiber branch.
  • the second branching point may be configured to direct a light beam coupled in via the coupling-out section into the second optical waveguide and / or to divide it into a third sub-beam and a fourth sub-beam such that the third sub-beam adjoins the coupling-in section and the fourth sub-beam into the second sub-beam second optical fiber is directed.
  • the second branch point can be designed to direct the light beam or the fourth partial beam coupled in via the coupling-out section into a direction deviating from a direction of the light beam coupled in via the coupling-in section or of the first partial beam or the second partial beam.
  • the two light guide branches can be arranged on mutually adjacent or opposite sides of the light guide. Also by this embodiment, the light guide can be realized in a particularly space-saving with relatively few parts.
  • optical waveguide is shaped in accordance with a further embodiment in order to homogenize the light beam.
  • the optical waveguide can have at least sections thereof a spiral or wave-shaped structure.
  • additional optical elements for homogenizing the light beam can be omitted.
  • the approach described here also provides a measuring system having the following features: a light-guiding device according to one of the preceding embodiments; a light source which is arranged facing the coupling-in section of the light guide; and a measuring unit for measuring a gas or substance concentration, wherein the measuring unit is arranged opposite the coupling-out section of the light guide.
  • the light source or a light-emitting element does not necessarily have to be arranged opposite the coupling-in section (in the form of parallel planes). It can also z.
  • B. deflecting mirror can be used so that the emitting surface and the light guide can be installed horizontally.
  • the approach proposed here provides a method for producing a light guide device according to one of the preceding embodiments, wherein the method comprises the following steps:
  • Forming the light guide by processing a provided substrate of a light-conducting material
  • both the light guide and the fixture are formed by machining the substrate, such as in a suitable cutting or etching process.
  • the optical waveguide is formed on the holding device or the holding device on the optical waveguide. In this case, the step of arranging can be omitted.
  • This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.
  • the approach presented here also provides a device which is designed to implement the steps of a variant of a method presented here
  • a device in the form of a device, the object underlying the invention can be solved quickly and efficiently.
  • a device in the form of a device, the object underlying the invention can be solved quickly and efficiently.
  • a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon.
  • the device may have an interface, which may be formed in hardware and / or software.
  • the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device.
  • the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the above
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a measuring system according to an embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a measuring system according to an exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a light-conducting device according to an exemplary embodiment
  • Fig. 4 is a schematic representation of a light guide according to
  • Embodiment 5 shows a schematic illustration of a section of a light guide according to an exemplary embodiment
  • 6 shows a schematic representation of a section of a light guide according to an exemplary embodiment
  • Light-conducting device according to one embodiment.
  • the measuring system 100 includes a
  • Light-guiding device 102 from a light guide 104 with a coupling-in section 106 for coupling in a light beam 108 emitted from a light source 107 facing the coupling cutout 106 and a light beam 108
  • Decoupling section 110 for decoupling the light beam 108.
  • the optical fiber 104 is realized with a beam-like main branch 112, wherein the coupling-in section 106 by a rectangular cross-sectional area of a first end of the main branch 112 and
  • Decoupling portion 110 is formed by a likewise rectangular cross-sectional area of a second end of the main branch 112 opposite the first end. It is also conceivable that the cross-sectional area of the first and / or second end is formed by a shape other than a rectangle, for example a hexagonal shape or any polygonal shape. Also, such a cross-sectional area does not need to be flat.
  • a measuring cell is arranged as a measuring unit 114, so that the emerging from the coupling-out portion 110 light beam 108 strikes the measuring unit 114.
  • the light guide 102 has according to the one shown in Fig. 1
  • the two light guide branches 116, 118 serve as holding means 120 for holding the light guide 104 in a fluid which has a lower refractive index than a material of the light guide 104.
  • the first optical fiber 116 serves to divide the light beam 108 coupled in via the coupling-in section 106 into a first partial beam 122 and a second partial beam 124, the first partial beam 122 passing through the main branch 112 to the coupling-out section 110 and the second partial beam 124 through the first Optical fiber 116 is passed to a arranged at one end of the first optical fiber 116 reference detector 126.
  • the two light guide branches 116, 118 are realized as straight beams and are each arranged at an acute or obtuse angle on the main branch 112, such that one end of the first optical fiber branch 116 faces in a direction facing the coupling-out section 110 and one end of the second Lichtleiterastes 118 in a the coupling section 106 facing direction has.
  • the first branch point 115 is adjacent to
  • the second optical fiber 118 serves according to the one shown in Fig. 1
  • Auskoppelabites 110 reflected light beam 127 on a relative to one end of the second Lichtleiterastes 118 placed measuring detector 128 to direct.
  • the two light guide branches 116, 118 and the main branch 112 are, for example, produced in one piece from the same material, for example in a suitable cut or etching method. Depending on the embodiment, the three branches may have an identical cross-sectional area or different cross-sectional areas.
  • the light guide device 102 also has an optional bottom element 130, which is realized in two parts from a first plate 132 and a second plate 134 according to the embodiment shown in Fig. 1, wherein the first optical fiber 116 via the 116 at the end of the first Lichtleiterastes
  • the mounted measuring detector 128 is fixed on the second plate 134.
  • the light guide 104 is in this case free standing between the two plates 132, 134 arranged and thus up to the connection surfaces of the two light guide branches 116, 118 at the two branching points 115, 117 surrounded by the fluid.
  • the reference detector 126 and the measurement detector 128 both project beyond a respective cross-sectional area of the ends of the two light guide branches 116, 118.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a measuring system 100 according to an exemplary embodiment in plan view.
  • the main load 112 of the light-guiding device 102 according to FIG. 2 is optically with the second via the measuring unit 114
  • Fiber optic branch 118 coupled. Further, the optical fiber 104 has between the
  • Light beam 108 which is realized in an exemplary spiral in Fig. 2.
  • the first branching point 115 is designed as a splitter in order to split the light beam 108 into the two partial beams 122, 124.
  • the measuring unit 114 has, for example, a reflecting element 202, which is aligned in such a way that the first partial beam 122 directed into the measuring unit 114 is reflected by the measuring unit 114 further in the direction of the second optical fiber branch 118.
  • the reflecting element 202 is in this case in a region of the measuring unit 114 facing away from the light guide 104, so that a path length traveled by the first partial beam 122 in the measuring unit 114 is increased proportionally to a measuring signal.
  • the measuring unit 114 may be a simple transmission measuring cell or a multi-reflection cell be realized. For measuring substance concentrations by means of
  • the measuring cell can be traversed by the medium to be measured.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a light-conducting device 102 according to an exemplary embodiment.
  • the light-guiding device 102 is, for example, a light-guiding device that can be used in a measuring system described above with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the light-guiding device 102 is, for example, a light-guiding device that can be used in a measuring system described above with reference to FIGS. 1 and 2.
  • Optical fiber device 102 is realized according to FIG. 3 with a light guide 104 in the form of a straight beam with a rectangular cross section, which is clamped between two U-shaped holding elements 300, 302 of the holding device 120.
  • the two holding elements 300, 302 and the optical waveguide 104 for example, in one piece by appropriate processing of a glass plate, such as a quartz plate realized.
  • the two holding elements 300, 302 are in turn on the one-piece here, for example made of silicon, bottom element 130.
  • the bottom element 130 has a recess 304, wherein the optical fiber 104 of the two
  • Holding elements 300, 302 is held centrally above the recess 304, so that it has as large as possible contact with the fluid on all four sides.
  • the ends of the two holding elements 300, 302 that touch the optical waveguide 104 are each realized with a cross-section that tapers in the direction of the optical waveguide 104 in order to minimize a contact area between the holding elements 300, 302 and the optical waveguide 104.
  • the straight light guide 104 is cut from a quartz plate and two carriers in the form of the holding elements 300, 302 on a
  • Silicon wafer fixed as a bottom element 130.
  • the free-standing optical fiber 104 consists only of core material and is
  • the holding elements 300, 302 are fixed by wafer bonding on a silicon substrate as a bottom element 130, wherein a the region of the bottom element 130 opposite to the light guide 104 is released, for example by etching the recess 304.
  • the free-standing, light-conducting system in the form of the light guide 104 is surrounded by air or some other suitable gas or even by a liquid medium.
  • optical components such as splitters, couplers or mode mixers can be integrated directly into the light-conducting system.
  • Thin-film deposition (English: plasma-enhanced chemical vapor deposition, PECVD for short), here the complete substrate thickness, for example a glass wafer, is used for light conduction.
  • PECVD plasma-enhanced chemical vapor deposition
  • air having a refractive index of nearly 1 is used as the surrounding medium.
  • a high refractive index difference of about 0.5 can be achieved when the optical fiber 104 is made of glass.
  • a high acceptance angle and a high Lichteinkopplungseffizienz be achieved.
  • Bending radius which typically corresponds to a 300- to 600-fold mantle radius, ie a bending radius of for example at least 3 cm at a cladding radius of more than 100 ⁇ , a significant reduction of the minimum radius of curvature can be achieved.
  • the optical fiber 104 can be realized with a thickness of more than 100 ⁇ .
  • optical elements such as laser diodes, LEDs, photodiodes or glass fibers can be attached to the interfaces of the measuring system.
  • optical fiber 104 should be kept in the air with minimal contact.
  • Optical fiber 104 placed bumps, d. H. Metal balls, in particular of reflective material used.
  • Holding elements 300, 302 scales with the light loss induced by the holding elements 300, 302 and should therefore be minimized.
  • the optical waveguide 104 may be mounted to minimize a contact surface between two substrates, which are coated for example with pyramid-like structures and thus have contact with the optical fiber 104 only at the tips.
  • the optical fiber 104 is clamped directly and without further carrier elements between the light source 107 and the target, such as a detector or a measuring cell. It is also conceivable that light guide branches in branched
  • optical fiber branches Simultaneously serve as light-guiding and mechanical support structures by the optical fiber branches are fixed at their ends to sources, detectors and similar elements, such as in Fig. 1 to see.
  • the structure of the light guide 104 and other elements such as
  • the holding elements 300, 302 can be structured in the same production step as the light guide 104.
  • the number and shape of the holding elements 300, 302 depends according to the size or weight of the optical fiber 104 and the respective
  • the holding elements 300, 302 are attached by way of example at right angles to the light guide 104.
  • By choosing a suitable angle between holding elements 300, 302 and optical fiber 104 can be chosen.
  • high-purity quartz glass (fused silica) is suitable as a light-conducting material for conducting UV light.
  • This can be structured, for example, by dry etching processes or laser ablation. Compared to dry etch processes, wet etch with hydrofluoric acid (HF) is a fast and cost effective alternative.
  • HF hydrofluoric acid
  • Another structuring option consists of the combination of laser irradiation for material modification in desired regions and a subsequent etching step in which the regions modified by the laser irradiation have a higher etching rate and can therefore be etched selectively with respect to the non-irradiated regions (Example: Selective Laser Etching ).
  • Selective Laser Etching Through this technology, round and any other light guide cross sections can be produced.
  • transparent polymers in the deep UV region about special silicones, can be structured with the methods mentioned.
  • Such materials are for example processed in typical processes of plastics processing such as injection molding or extrusion.
  • the optical fiber 104 may also be patterned by machining such as (micro) milling or turning from a stock material.
  • corrugated or other three-dimensionally shaped substrates for cutting can also be used to provide not only planar, but also three-dimensional optical fibers realize. It is also conceivable to produce an arbitrarily shaped 3-D light guide by casting the starting material into a corresponding shape.
  • Layers can be eliminated by the use of a fluid around the light guide.
  • the optical fiber 104 and the surrounding medium may be arranged in a corresponding fluid-tight housing.
  • the measuring system As shown in FIG. 2, the measuring system according to an exemplary embodiment is realized with a mode mixer for homogenizing the spatial beam distribution and different chips. As a result, the measuring system is particularly suitable for use as a light-conducting system for the
  • Led measuring cell in which the gas concentration-dependent absorption takes place.
  • the light emanating from the measuring cell is now in turn directed to a measuring detector.
  • the light-conducting system is connected to the measuring cell via interconnections made of glass fibers.
  • heat-sensitive components such as light sources and detectors of high-temperature areas such as the exhaust line can be decoupled.
  • the light source 107 emits UV light having a wavelength of 227 nm, wherein one part is coupled to the reference detector and the other part is coupled to a glass fiber and guided to the measuring cell in the exhaust gas line.
  • Light emitting diodes are particularly suitable as light sources for use in compact and cost-critical products.
  • the light component coupled into the light guide 104 may be limited due to the broad spatial radiation characteristic.
  • Einkoppelvon is about the so-called butt coupling.
  • an end facet of the light guide 104 is placed directly on a flat side of the LED chip, the less light is lost, the larger the
  • Conductor cross-sectional area compared to the LED surface is.
  • Lens systems or development and cost intensive coupling techniques such as coupling via diffraction gratings are dispensed with.
  • the optical fiber 104 is much more handy with a larger acceptance angle.
  • the optical fiber 104 can be produced with less effort.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a light-conducting device 102 according to an exemplary embodiment.
  • the holding device 120 according to FIG. 4 is realized with two L-shaped holding elements 300, 302, wherein in each case a first end of the two holding elements with the base element 130 realized here as a simple plate and in each case a second end of the two holding elements with the light guide 104 has contact.
  • the optical fiber branch 104 is also held freestanding above the base element 130 in FIG. 4 by the two retaining elements 300, 302.
  • Branching point 115 Y-shaped in the two light guide branches 116, 118, wherein the free ends of the two light guide branches 116, 118 each in one of the
  • the light beam 108 is divided into the first sub-beam 122 and the second sub-beam 124 such that the first sub-beam 122 is passed through the second optical fiber 118 and the second sub-beam 124 through the first optical fiber 116.
  • the light guide 104 on the main branch 112 is held by the two holding elements 300, 302 above the bottom element 130.
  • Fig. 5 shows a portion of a light guide 104 according to a
  • Embodiment such as a light guide, as described above with reference to Figures 1 to 4.
  • Light source 104 is significantly smaller than the coupling-106 is executed.
  • the light source 107 has, for example, a radiating surface of 200 * 200 ⁇ m 2 and the light guide 104 has a thickness of 350 ⁇ m, for example.
  • Fig. 6 shows a portion of a light guide 104 according to a
  • the optical waveguide 104 according to FIG. 6 is realized with an approximately hexagonal cross-section.
  • FIG. 6 shows, by way of example, an isotropic etching profile of an H F-etched quartz light guide 104, wherein the light guide 104 is etched on both sides from above and below and thus has a hexagonal-like cross section.
  • FIG. 7 shows a flowchart of a method 700 for producing a light-conducting device according to one exemplary embodiment.
  • the method 700 can be used, for example, to produce a device described with reference to FIGS. 1 to 6
  • the optical fiber is formed by processing a substrate provided in a preceding step in step 710, from a photoconductive, especially transparent material, such as a glass or polymer plate. This is done for example in a corresponding section or
  • both the light guide and the fixture are formed in step 710 by machining the substrate.
  • the optical fiber and the holding device are formed in the same manufacturing step as a single part of the substrate.
  • the optical fiber is formed on the holding device or the holding device on the optical fiber, wherein the optical fiber and the holder device can be formed either simultaneously or in succession. Accordingly, step 720 can be omitted here. If an exemplary embodiment comprises an "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Optical Measuring Cells (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lichtleitvorrichtung (102) zum Leiten eines Lichtstrahls (108) zwischen einer Lichtquelle (107) und einer Messeinheit (114) zum Messen einer Gas- oder Stoffkonzentration. Die Lichtleitvorrichtung (102) umfasst einen Lichtleiter (104) mit zumindest einem der Lichtquelle (107) zugewandten oder zuwendbar anordenbaren Einkoppelabschnitt (106) zum Einkoppeln des Lichtstrahls (108) und einem der Messeinheit (114) zugewandten oder zuwendbar anordenbaren Auskoppelabschnitt (110) zum Auskoppeln des Lichtstrahls (108). Der Lichtleiter (104) ist ausgebildet, um den Lichtstrahl (108) durch Totalreflexion an einer Grenzfläche zu einem den Lichtleiter (104) umgebenden Fluidoder Material, das eine kleinere Brechzahl als der Lichtleiter (104) aufweist, zwischen dem Einkoppelabschnitt (106) und dem Auskoppelabschnitt (110) zu leiten. Ferner weist die Lichtleitvorrichtung (102) eine Halteeinrichtung (120 )auf, die ausgebildet ist, um den Lichtleiter (104) derart in dem Fluid zu halten, dass zumindest ein Hauptanteil einer Oberfläche des Lichtleiters (104) Kontakt mit dem Fluid hat.

Description

Beschreibung
Titel
Lichtleitvorrichtung, Messsystem und Verfahren zum Herstellen einer
Lichtleitvorrichtung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
Lichtleiter wie beispielsweise Glasfasern oder Wellenleiter bestehen in der Regel aus einem Kern, englisch core, und einem Mantel, englisch cladding, wobei die auf Totalreflexionen basierende lichtführende Wirkung dadurch entsteht, dass der Kern im Vergleich zum Mantel einen höheren Brechungsindex aufweist.
Insbesondere im Bereich der Telekommunikation können die Unterschiede zwischen den Brechungsindizes sehr gering ausfallen, etwa kleiner als 0,05. Lichtleiter für Sensoranwendungen, wie etwa im Bereich der
Absorptionsspektroskopie, können beispielsweise ausgebildet sein, um einen von einer Lichtquelle ausgehenden Lichtstrang für Referenzmessungen zu teilen und hierbei möglichst viel Licht zu einer sensitiven Einheit zu leiten. Der
Lichtstrahl kann etwa mithilfe planarer Lichtleiterstrukturen wie Y-Koppler geteilt werden.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine
Lichtleitvorrichtung zum Leiten eines Lichtstrahls zwischen einer Lichtquelle und einer Messeinheit zum Messen einer Gaskonzentration, ein Messsystem, ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitvorrichtung, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes
Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch
angegebenen Vorrichtung möglich.
Es wird eine Lichtleitvorrichtung zum Leiten eines Lichtstrahls zwischen einer Lichtquelle und einer Messeinheit zum Messen einer Stoffkonzentration vorgestellt, wobei die Lichtleitvorrichtung folgende Merkmale aufweist: einen Lichtleiter mit zumindest einem der Lichtquelle zugewandten oder zuwendbaren Einkoppelabschnitt zum Einkoppeln des Lichtstrahls und einem der Messeinheit zugewandten oder zuwendbaren Auskoppelabschnitt zum
Auskoppeln des Lichtstrahls, wobei der Lichtleiter ausgebildet ist, um den Lichtstrahl durch Totalreflexion an einer Grenzfläche zu einem den Lichtleiter umgebenden Fluid oder Material, das eine kleinere Brechzahl als der Lichtleiter aufweist, zwischen dem Einkoppelabschnitt und dem Auskoppelabschnitt zu leiten; und eine Halteeinrichtung, die ausgebildet ist, um den Lichtleiter derart in dem Fluid zu halten, dass zumindest ein Hauptanteil einer Oberfläche des Lichtleiters Kontakt mit dem Fluid hat.
Unter einem Lichtleiter kann ein transparentes Bauteil, etwa in Form eines geraden, gekrümmten oder verzweigten Stabs oder Balkens, verstanden werden. Insbesondere kann sich der Lichtleiter zur Verwendung in miniaturisierten Systemen eignen. Die Lichtleitung wird dabei durch Reflexion an einer
Grenzfläche des Lichtleiters erreicht, entweder durch Totalreflexion aufgrund eines kleineren Brechungsindex des den Lichtleiter umgebenden Fluids oder auch durch Verspiegelung der Grenzfläche. Bei der Lichtquelle kann es sich beispielsweise um eine oder mehrere Leuchtdiode(n) oder eine oder mehrere Laserdiode(n) handeln. Beispielsweise kann die Lichtquelle auch einen oder mehrere Reflexionselemente wie Spiegel aufweise, um ein von einer Lichtemissionseinheit der Lichtquelle ausgesandtes Licht in eine gewünschte Lichtausgaberichtung der Lichtquelle zu leiten. Unter einem Ein- oder
Auskoppelabschnitt kann ein Abschnitt einer Oberfläche des Lichtleiters, insbesondere beispielsweise eine Querschnittsfläche, verstanden werden. Die Querschnittsfläche kann etwa rechteckig, rund oder hexagonal sein. Unter einer Messeinheit kann beispielsweise eine Messzelle, ein Messdetektor oder ein Referenzdetektor verstanden werden. Bei dem Fluid kann es sich um ein Gas oder Gasgemisch wie etwa Luft oder auch um eine Flüssigkeit wie etwa Öl handeln. Bei dem Material kann es sich um ein transparentes Material wie beispielsweise ein Silikon-Material handeln. Um Verunreinigungen und daraus resultierende Messfehler zu vermeiden, kann der Lichtleiter beispielsweise in einem mit dem Fluid oder Material befüllten oder befüllbaren und fluiddicht verschließbaren Gehäuse angeordnet oder anordenbar sein. Unter einer Halteeinrichtung kann eine Halterung zur Befestigung oder Platzierung des Lichtleiters verstanden werden. Beispielsweise kann die Halteeinrichtung kraft-, form- oder stoffschlüssig mit dem Lichtleiter verbunden sein. Denkbar ist aber auch eine einteilige Ausführung des Lichtleiters und der Halteeinrichtung, wobei der Lichtleiter und die Halteeinrichtung aus dem gleichen Material gefertigt sein können.
Der hier beschriebene Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass unter Verwendung eines mantellosen Lichtleiters und eines entsprechenden Halters zum
Positionieren oder Fixieren des Lichtleiters in einem eine Grenzfläche mit dem Lichtleiter bildenden Medium ein kompaktes und robustes Lichtleitersystem realisiert werden kann, das je nach Ausführungsform eine verhältnismäßig einfache Integration optischer Komponenten wie beispielsweise von
Krümmungen, Modenmischern, Splittern und Y-Kopplern ermöglicht. Durch eine entsprechend dicke Kernschicht des Lichtleiters kann insbesondere etwa im Zusammenhang mit dem sogenannten Butt Coupling, aber auch beim
Einkoppeln kollimierten Lichts eine hohe Einkopplung gewährleistet werden. Des Weiteren kann dadurch ein hoher Brechzahlunterschied bezüglich des
Lichtleiters und des ihn umgebenden Mediums erreicht werden, woraus wiederum ein großer Akzeptanzwinkel zur effizienten Lichteinkopplung resultiert. Vorteilhafterweise kann eine derartige Lichtleitvorrichtung eine hohe
Transmission für Lichtstrahlen im UV-Bereich von 200 bis 400 nm aufweisen und zudem solarisationsbeständig sein. Somit eignet sich die Lichtleitvorrichtung gut zur Anwendung in der Absorptionsspektroskopie, insbesondere in der UV- Absorptionsspektroskopie zur optischen Detektion von (Ab-) Gasen wie etwa
Stickoxiden (NO, N02 ) und Schwefeloxiden (S02) sowie von Ammoniak (NH3) oder Ozon (03).
Die Lichtleitvorrichtung kann beispielsweise in Form eines freistehenden Glaskernlichtleiters mit Luft-Vakuum-Mantel realisiert sein. Der Vorteil eines derartigen lichtleitenden Systems besteht darin, dass möglichst viel Licht eingekoppelt und geführt werden kann, wobei gleichzeitig Elemente wie Koppler ermöglicht werden. Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Lichtleitvorrichtung ohne Linsen auskommt und miniaturisierbar ist. Dadurch können zum einen die Herstellungskosten gesenkt werden; zum anderen kann dadurch die Herstellung vereinfacht und die Robustheit erhöht werden. Beispielsweise können bei einer miniaturisierten und somit entsprechend kompakten Lichtleitvorrichtung externe optische Elemente wie Spiegel oder Linsen entfallen, womit der Justageaufwand und somit die Herstellungskosten deutlich reduziert werden können. Einige der hier genannten Elemente können auch entfallen, wobei für eine Ein- /Auskopplung von Licht in die Messzelle gegebenenfalls optische Elemente benötigt werden, die auch in einer Lichtquelle integriert sein können.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Lichtleitvorrichtung ein Bodenelement zum Aufnehmen der Halteeinrichtung aufweisen. Insbesondere kann das
Bodenelement aus Silizium oder einem siliziumhaltigen Material gefertigt sein. Das Bodenelement kann beispielsweise mit einer entsprechenden Ausnehmung oder Aussparung ausgeformt sein, um einen möglichst großflächigen Kontakt des Lichtleiters mit dem Fluid zu ermöglichen. Durch das Bodenelement kann die Halteeinrichtung stabil abgestützt werden.
Von Vorteil ist auch, wenn der Lichtleiter und die Halteeinrichtung einteilig ausgeführt sind. Alternativ oder zusätzlich können der Lichtleiter und die
Halteeinrichtung aus dem gleichen Material gefertigt sein. Durch diese Ausführungsform wird eine möglichst stabile Ausführung der Lichtleitvorrichtung bei verhältnismäßig geringen Herstellungskosten ermöglicht.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Einkoppelabschnitt durch eine
Querschnittsfläche eines ersten Endes des Lichtleiters und der
Auskoppelabschnitt durch eine Querschnittsfläche eines zweiten Endes des Lichtleiters gebildet ist. Beispielsweise kann der Lichtleiter als Balken mit rechteckigem oder hexagonalem Querschnitt und entsprechenden
Querschnittsflächen als Ein- bzw. Auskoppelabschnitt gefertigt werden. Auch durch diese Ausführungsform lässt sich der Lichtleiter sehr einfach herstellen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Lichtleiter und, zusätzlich oder alternativ, die Halteeinrichtung aus Glas oder einem Polymer oder aus beidem gefertigt sein. Solche Materialen bieten den Vorteil geringer Herstellungskosten und guter Transmissionseigenschaften, insbesondere im Wellenlängenbereich von UV-Licht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann es von Vorteil sein, eine
Temperaturregeleinheit zur aktiven und/oder passiven Kühlung und/oder Heizung der Lichtquelle und/oder des Lichtleiters und/oder der Messeinheit vorzusehen. D.h., mit anderen Worten, dass die Lichtquelle und/oder den Lichtleiter und/oder an den Lichtleiter angeschlossene Messeinheiten, wie z.B. Photodetektoren oder eine Absorptionsmesszelle, an aktive und/oder passive Temperaturregler bzw. Kühlelemente gekoppelt werden. Ein solcher Temperaturregler kann z.B. durch ein Peltier- Element realisiert werden. Eine solche Vorrichtung kann insbesondere in der Absorptionsspektroskopie von Abgasen von Vorteil sein, um die Funktion von temperaturempfindlichen Elementen, wie z.B. LEDs oder Photodetektoren, in Umgebungen mit hoher Wärmeentwicklung bzw. starker
Temperaturschwankungen, wie z.B. im Abgasstrang von Verbrennungsmotoren, zu gewährleisten. Ferner kann durch die Regelung der Temperatur von
Elementen wie Photodetektoren, welche beispielsweise an unterschiedlichen Lichtleiterästen angebracht und unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sein können, die gleiche bzw. eine konstante spektrale Empfindlichkeit sichergestellt werden und damit die Temperaturabhängigkeit eliminiert bzw. reduziert werden. Des Weiteren kann die Halteeinrichtung zumindest ein erstes Halteelement und ein zweites Halteelement umfassen. Der Lichtleiter kann zwischen dem ersten Halteelement und dem zweiten Halteelement eingespannt oder einspannbar sein. Insbesondere kann das erste Halteelement oder, zusätzlich oder alternativ, das zweite Halteelement U- oder L-förmig ausgestaltet sein. Beispielsweise können die beiden Halteelemente zu einem Rahmen miteinander verbunden sein. Durch eine derartige Halteeinrichtung kann die Lichtleitvorrichtung sehr kompakt ausgeführt werden.
Hierbei kann das erste Halteelement an zumindest einer Berührungsstelle, an der das erste Halteelement den Lichtleiter berührt, einen sich in Richtung des Lichtleiters verjüngenden Querschnitt aufweisen. Entsprechend kann alternativ oder zusätzlich auch das zweite Halteelement an zumindest einer
Berührungsstelle, an der das zweite Halteelement den Lichtleiter berührt, einen sich in Richtung des Lichtleiters verjüngenden Querschnitt aufweisen.
Beispielsweise kann der Querschnitt spitz zulaufen. Dadurch können
Lichtverluste beim Leiten des Lichtstrahls durch den Lichtleiter reduziert werden.
Ferner kann der Lichtleiter an zumindest einer Verzweigungsstelle zumindest einen Lichtleiterast zum Umlenken und/oder Teilen eines über den
Einkoppelabschnitt oder den Auskoppelabschnitt eingekoppelten Lichtstrahls in zumindest zwei Teilstrahlen aufweisen. Bei dem Lichtleiterast kann es sich beispielsweise um einen mit einem den Ein- und Auskoppelabschnitt
aufweisenden Hauptast verbundenen Nebenast des Lichtleiters handeln, hierbei kann der Lichtleiterast je nach Ausführungsform beispielsweise rechtwinklig oder spitzwinklig am Hauptast angeordnet sein. Analog zum Hauptast kann auch der Lichtleiterast einen entsprechenden Auskoppelabschnitt zum Auskoppeln eines der beide Teilstrahlen aufweisen. Durch diese Ausführungsform kann der Lichtstrahl gleichzeitig in unterschiedliche Richtungen gelenkt werden.
Insbesondere kann der Lichtleiter beispielsweise als Y-förmiger Koppler realisiert sein. Vorteilhafterweise kann der Lichtleiterast auch gleichzeitig als Halteelement zum Halten des Lichtleiters fungieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Lichtleiter an zumindest einer ersten Verzweigungsstelle zumindest einen ersten Lichtleiterast und an zumindest einer zweiten Verzweigungsstelle zumindest einen zweiten
Lichtleiterast aufweisen. Die erste Verzweigungsstelle kann ausgebildet sein, um einen über den Einkoppelabschnitt eingekoppelten Lichtstrahl derart in einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl zu teilen, dass der erste Teilstrahl zum Auskoppelabschnitt und der zweite Teilstrahl in den ersten Lichtleiterast gelenkt wird. Zusätzlich oder alternativ kann die zweite Verzweigungsstelle ausgebildet sein, um einen über den Auskoppelabschnitt eingekoppelten Lichtstrahl in den zweiten Lichtleiterast zu lenken und/oder derart in einen dritten Teilstrahl und einen vierten Teilstrahl zu teilen, dass der dritte Teilstrahl zum Einkoppelabschnitt und der vierte Teilstrahl in den zweiten Lichtleiterast gelenkt wird. Insbesondere kann die zweite Verzweigungsstelle ausgebildet sein, um den über den Auskoppelabschnitt eingekoppelten Lichtstrahl bzw. den vierten Teilstrahl in eine von einer Richtung des über den Einkoppelabschnitt eingekoppelten Lichtstrahls oder des ersten Teilstrahls oder des zweiten Teilstrahls abweichende Richtung zu lenken. Je nach Ausführungsform können die beiden Lichtleiteräste an einander angrenzenden oder gegenüberliegenden Seiten des Lichtleiters angeordnet sein. Auch durch diese Ausführungsform kann die Lichtleitvorrichtung mit verhältnismäßig wenigen Teilen besonders platzsparend realisiert werden.
Besonders günstig ist es auch, wenn der Lichtleiter gemäß einer weiteren Ausführungsform ausgeformt ist, um den Lichtstrahl zu homogenisieren.
Beispielsweise kann der Lichtleiter hierzu zumindest abschnittsweise eine spiral- oder wellenförmige Struktur aufweisen. Durch diese Ausführungsform können zusätzliche optische Elemente zum Homogenisieren des Lichtstrahls entfallen.
Der hier beschriebene Ansatz schafft ferner ein Messsystem mit folgenden Merkmalen: einer Lichtleitvorrichtung gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen; einer Lichtquelle, die dem Einkoppelabschnitt des Lichtleiters zugewandt angeordnet ist; und einer Messeinheit zum Messen einer Gas- oder Stoffkonzentration, wobei die Messeinheit gegenüber dem Auskoppelabschnitt des Lichtleiters angeordnet ist.
Die Lichtquelle bzw. ein Licht emittierendes Element braucht nicht zwingend gegenüber dem Einkoppelabschnitt (in der Form von parallelen Ebenen) angeordnet sein. Es können auch z. B. Umlenkspiegel verwendet werden, sodass die emittierende Fläche und der Lichtleiter horizontal verbaut werden können.
Zudem schafft der hier vorgeschlagene Ansatz ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitvorrichtung gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Formen des Lichtleiters durch Bearbeiten eines bereitgestellten Substrats aus einem Licht leitenden Material; und
Anordnen des Lichtleiters in einer bereitgestellten Halteeinrichtung.
Alternativ werden im Schritt des Formens sowohl der Lichtleiter als auch der Halteeinrichtung durch Bearbeiten des Substrats geformt, etwa in einem geeigneten Schnitt- oder Ätzverfahren. Hierbei wird je nach Ausführungsform der Lichtleiter an der Halteeinrichtung oder die Halteeinrichtung an dem Lichtleiter ausgeformt. Dabei kann der Schritt des Anordnens entfallen.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in
entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Messsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Messsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung gemäß
Ausführungsbeispiel; Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Lichtleiters gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Lichtleiters gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
Fig. 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer
Lichtleitvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Messsystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Messsystem 100 umfasst eine
Lichtleitvorrichtung 102 aus einem Lichtleiter 104 mit einem Einkoppelabschnitt 106 zum Einkoppeln eines von einer dem Einkoppelausschnitt 106 zugewandt angeordneten Lichtquelle 107 ausgesandten Lichtstrahls 108 und einem
Auskoppelabschnitt 110 zum Auskoppeln des Lichtstrahls 108. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Lichtleiter 104 mit einem balkenähnlichen Hauptast 112 realisiert, wobei der Einkoppelausschnitt 106 durch eine rechteckige Querschnittsfläche eines ersten Endes des Hauptastes 112 und der
Auskoppelabschnitt 110 durch eine ebenfalls rechteckige Querschnittsfläche eines dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Endes des Hauptastes 112 gebildet ist. Denkbar ist ferner, dass die Querschnittsfläche des ersten und/oder zweiten Endes durch eine andere Form als ein Rechteck gebildet wird, beispielsweise eine sechseckige Form oder eine beliebige Polygonform. Auch braucht eine solche Querschnittsfläche nicht zwingen plan sein. Dem
Auskoppelabschnitt 110 zugewandt oder zuwendbar ist eine Messzelle als Messeinheit 114 angeordnet, sodass der aus dem Auskoppelabschnitt 110 austretende Lichtstrahl 108 auf die Messeinheit 114 trifft. Die Lichtleitvorrichtung 102 weist gemäß dem in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel an einer ersten Verzweigungsstelle 115 einen ersten Lichtleiterast 116 und an einer zweiten Verzweigungsstelle 117 einen zweiten Lichtleiterast 118 auf, die hier beispielhaft auf einander gegenüberliegenden Seiten des Hauptastes 112 angeordnet sind. Zum einen dienen die beiden Lichtleiteräste 116, 118 als Halteeinrichtung 120 zum Halten des Lichtleiters 104 in einem Fluid, das eine geringere Brechzahl als ein Material des Lichtleiters 104 aufweist. Zum anderen dient der erste Lichtleiterast 116 dazu, den über den Einkoppelausschnitt 106 eingekoppelten Lichtstrahl 108 in einen ersten Teilstrahl 122 und einen zweiten Teilstrahl 124 zu teilen, wobei der erste Teilstrahl 122 durch den Hauptast 112 zum Auskoppelabschnitt 110 und der zweite Teilstrahl 124 durch den ersten Lichtleiterast 116 auf einen an einem Ende des ersten Lichtleiterastes 116 angeordneten Referenzdetektor 126 geleitet wird.
Die beiden Lichtleiteräste 116, 118 sind wie der Hauptlast 112 als gerade Balken realisiert und jeweils derart in einem spitzen bzw. stumpfen Winkel an dem Hauptast 112 angeordnet, dass ein Ende des ersten Lichtleiterastes 116 in eine dem Auskoppelabschnitt 110 zugewandte Richtung und ein Ende des zweiten Lichtleiterastes 118 in eine dem Einkoppelausschnitt 106 zugewandte Richtung weist. Hierbei ist die erste Verzweigungsstelle 115 benachbart zum
Einkoppelausschnitt 106 und die zweite Verzweigungsstelle 117 benachbart zum Auskoppelabschnitt 110 angeordnet. Wie in Fig. 1 gezeigt, können die beiden Lichtleiteräste 116, 118 im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sein.
Der zweite Lichtleiterast 118 dient gemäß dem in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel dazu, einen von der Messeinheit 114 auf den
Auskoppelabschnitt 110 reflektierten Lichtstrahl 127 auf einen gegenüber einem Ende des zweiten Lichtleiterastes 118 platzierten Messdetektor 128 zu lenken.
Die beiden Lichtleiteräste 116, 118 und der Hauptast 112 sind beispielsweise einteilig aus dem gleichen Material gefertigt, etwa in einem geeigneten Schnittoder Ätzverfahren. Je nach Ausführungsform können die drei Äste eine identische Querschnittsfläche oder unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen. Die Lichtleitvorrichtung 102 weist zudem ein optionales Bodenelement 130 auf, das gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel zweiteilig aus einer ersten Platte 132 und einer zweiten Platte 134 realisiert ist, wobei der erste Lichtleiterast 116 über den am Ende des ersten Lichtleiterastes 116
angebrachten Referenzdetektor 126 auf der ersten Platte 132 und der zweite
Lichtleiterast 118 über den am Ende des zweiten Lichtleiterastes 118
angebrachten Messdetektor 128 auf der zweiten Platte 134 fixiert ist. Der Lichtleiter 104 ist hierbei frei stehend zwischen den beiden Platten 132, 134 angeordnet und somit bis auf die Anschlussflächen der beiden Lichtleiteräste 116, 118 an den beiden Verzweigungsstellen 115, 117 mit dem Fluid umgeben.
Der Referenzdetektor 126 und der Messdetektor 128 ragen jeweils beide über eine jeweilige Querschnittsfläche der Enden der beiden Lichtleiteräste 116, 118 hinaus.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Messsystems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel in der Draufsicht. Im Unterschied zu dem anhand von Fig. 1 beschriebenen Messsystem ist der Hauptlast 112 der Lichtleitvorrichtung 102 gemäß Fig. 2 über die Messeinheit 114 optisch mit dem zweiten
Lichtleiterast 118 gekoppelt. Ferner weist der Lichtleiterast 104 zwischen dem
Einkoppelausschnitt 106 und der ersten Verzweigungsstelle 115 einen als Modenmischer fungierenden optionalen Homogenisierungsabschnitt 200 zum Homogenisieren des über den Einkoppelausschnitt 106 eingekoppelten
Lichtstrahls 108 auf, der in Fig. 2 beispielhaft spiralförmig realisiert ist. Hierbei ist die erste Verzweigungsstelle 115 als Splitter ausgebildet, um den Lichtstrahl 108 in die zwei Teilstrahlen 122, 124 zu splitten.
Die Messeinheit 114 weist beispielsweise ein spiegelndes Element 202 auf, das derart ausgerichtet ist, dass der in die Messeinheit 114 geleitete erste Teilstrahl 122 von der Messeinheit 114 weiter in Richtung des zweiten Lichtleiterastes 118 reflektiert wird. Insbesondere befindet sich das spiegelnde Element 202 hierbei in einem von dem Lichtleiter 104 abgewandten Bereich der Messeinheit 114, sodass eine Weglänge, die der erste Teilstrahl 122 in der Messeinheit 114 zurücklegt, proportional zu einem Messsignal vergrößert wird. Alternativ kann die Messeinheit 114 als einfache Durchstrahlmesszelle oder Multireflexionszelle realisiert sein. Zur Messung von Stoffkonzentrationen mittels
Absorptionsspektroskopie kann die Messzelle vom zu messenden Medium durchströmt werden.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eine Lichtleitvorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei der Lichtleitvorrichtung 102 handelt es sich beispielsweise um eine in einem vorangehend anhand der Figuren 1 und 2 beschriebenen Messsystem einsetzbaren Lichtleitvorrichtung. Die
Lichtleitvorrichtung 102 ist gemäß Fig. 3 mit einem Lichtleiter 104 in Gestalt eines geraden Balkens mit rechteckigem Querschnitt realisiert, der zwischen zwei U- förmigen Halteelementen 300, 302 der Halteeinrichtung 120 eingespannt ist. Insbesondere sind die beiden Halteelemente 300, 302 und der Lichtleiter 104 beispielsweise einteilig durch entsprechendes Bearbeiten einer Glasplatte, etwa einer Quarzplatte, realisiert.
Die beiden Halteelemente 300, 302 liegen ihrerseits auf dem hier einteilig, etwa aus Silizium, gefertigten Bodenelement 130 auf. Das Bodenelement 130 weist eine Ausnehmung 304 auf, wobei der Lichtleiter 104 von den beiden
Halteelementen 300, 302 mittig über der Ausnehmung 304 gehalten wird, sodass dieser auf allen vier Seiten möglichst großflächig Kontakt mit dem Fluid hat.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die den Lichtleiter 104 berührenden Enden der beiden Halteelemente 300, 302 jeweils mit einem sich in Richtung des Lichtleiters 104 verjüngenden Querschnitt realisiert, um eine Kontaktfläche zwischen den Halteelementen 300, 302 und dem Lichtleiter 104 zu minimieren.
Beispielsweise ist der gerade Lichtleiter 104 aus einer Quarzplatte geschnitten und über zwei Träger in Form der Halteelemente 300, 302 auf einem
Siliziumwafer als Bodenelement 130 fixiert.
Der freistehende Lichtleiter 104 besteht nur aus Kernmaterial und ist
beispielsweise an vier durch die beiden U-förmigen Halteelemente 300, 302 Trägern aufgehängt. Beispielsweise sind die Halteelemente 300, 302 durch Waferbonden auf einem Siliziumsubstrat als Bodenelement 130 fixiert, wobei ein dem Lichtleiter 104 gegenüberliegender Bereich des Bodenelements 130 freigestellt ist, etwa durch Ätzen der Ausnehmung 304.
Das freistehende, lichtleitende System in Form des Lichtleiters 104 ist etwa von Luft oder einem anderen geeigneten Gas oder auch von einem flüssigen Medium umgeben. Hierbei können optische Komponenten wie etwa Splitter, Koppler oder Modenmischer direkt in das lichtleitende System integriert sein.
Im Gegensatz zu gängigen MEMS-Technologien, die typischerweise zur Herstellung planarer Lichtleiter verwendet werden, etwa mittels
Dünnschichtabscheidung (englisch plasma-enhanced chemical vapour deposition, kurz PECVD), wird hier die vollständige Substratdicke, beispielsweise eines Glaswafers, zur Lichtleitung verwendet. Durch die dadurch erzielte hohe Querschnittsfläche kann beim Einkoppeln, etwa über Butt Coupling, mehr Licht von der Lichtquelle 107 in den Lichtleiter 104 gekoppelt werden, wie in Fig. 5 gezeigt.
Strukturen wie Krümmungen, Verzweigungen und Y-Koppler werden
beispielsweise durch Ätzprozesse oder Laserablation zugeschnitten, wobei durch die gesamte Substratdicke geschnitten wird.
Beispielsweise wird als umgebendes Medium Luft mit einem Brechungsindex von nahezu 1 verwendet. Dadurch kann ein hoher Brechzahlunterschied von etwa 0,5 erreicht werden, wenn der Lichtleiter 104 aus Glas gefertigt ist. Damit werden ein hoher Akzeptanzwinkel und eine hohe Lichteinkopplungseffizienz erzielt.
Ein weiterer Vorteil des hohen Brechzahlunterschieds zwischen Kern und Luftmantel besteht darin, dass engere Krümmungsradien von beispielsweise ca. 1 mm bei Quarz mit einem quadratischen Querschnitt von 300 300 m2 realisiert werden können, wobei der Krümmungsradius umso geringer sein kann, je höher der Brechzahlunterschied ist. Durch engere Krümmungsradien kann Platz auf dem Wafer gespart werden und somit das System weiter miniaturisiert werden. Insbesondere im Vergleich zu Glasfasern mit einem minimalen
Biegeradius, der typischerweise einem 300- bis 600-fachen Mantelradius entspricht, d. h. einem Biegeradius von beispielsweise mindestens 3 cm bei einem Mantelradius von mehr als 100 μηη, kann eine signifikante Reduktion des minimalen Krümmungsradius erzielt werden.
In Wellenlängenbereichen von beispielsweise unter 250 nm, in denen nur wenig hochtransmittierende Materialien bekannt sind oder sich Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes technologisch nur schwer verbinden lassen, kann somit auf ein zweites Material verzichtet werden, indem ein passendes Medium wie Luft, Vakuum oder Öl als Cladding verwendet wird. Hierbei kann der Lichtleiter 104 mit einer Dicke von mehr als 100 μηη realisiert werden.
Es können weitere optische Elemente wie etwa Laserdioden, LEDs, Fotodioden oder Glasfasern an den Schnittstellen des Messsystems angebracht sein.
Der Lichtleiter 104 sollte mit minimalem Kontakt in der Luft gehalten werden. Dazu können Träger als Halteelemente 300, 302 oder auch unterhalb des
Lichtleiters 104 platzierte Bumps, d. h. Metallkugeln, insbesondere aus reflektierendem Material, verwendet werden. Die Querschnittsfläche der
Halteelemente 300, 302 skaliert mit dem durch die Halteelemente 300, 302 induzierten Lichtverlust und sollte deshalb minimiert werden. Beispielsweise kann der Lichtleiter 104 zur Minimierung einer Kontaktfläche zwischen zwei Substraten gelagert sein, die beispielsweise mit pyramidenähnlichen Strukturen überzogen sind und damit nur an den Spitzen Kontakt mit dem Lichtleiter 104 haben.
Alternativ ist der Lichtleiter 104 direkt und ohne weitere Trägerelemente zwischen der Lichtquelle 107 und dem Ziel, etwa einem Detektor oder einer Messzelle, eingespannt. Denkbar ist auch, dass Lichtleiteräste in verzweigten
Systemen gleichzeitig als lichtleitende und mechanische Trägerstrukturen dienen, indem die Lichtleiteräste an ihren Enden an Quellen, Detektoren und ähnlichen Elementen fixiert sind, wie etwa in Fig. 1 zu sehen. Die Struktur des Lichtleiters 104 und weiterer Elemente wie etwa von
Krümmungen oder eines Y-Kopplers, wie er in Fig. 4 gezeigt ist, wird
beispielsweise durch Ausschneiden einer entsprechenden Form aus einem flächigen Substrat wie eines Wafers oder einer Platte gefertigt. Hierbei können die Halteelemente 300, 302 im gleichen Fertigungsschritt wie der Lichtleiter 104 strukturiert werden. Die Anzahl und Form der Halteelemente 300, 302 richtet sich nach Größe oder Gewicht des Lichtleiters 104 und nach dem jeweiligen
Anwendungsbereich. In Fig. 3 sind die Halteelemente 300, 302 exemplarisch rechtwinklig am Lichtleiter 104 angebracht. Durch die Wahl eines geeigneten Winkels zwischen Halteelementen 300, 302 und Lichtleiter 104 können
Lichtverluste minimiert werden.
Zur Leitung von UV-Licht eignet sich beispielsweise hochreines Quarzglas (Fused Silica) als lichtleitendes Material. Dieses kann beispielsweise durch Trockenätzprozesse oder Laserablation strukturiert werden. Im Vergleich zu Trockenätzprozessen stellt das Nassätzen mit Flusssäure (HF) eine schnelle und kostengünstige Alternative dar. Durch beidseitiges Ätzen des freistehenden Lichtleiters 104 ist es möglich, den Lichtleiter 104 mit einem hexagonalen Querschnitt zu erzeugen, wie in Fig. 6 gezeigt. Alternativ kann der Lichtleiter 104 auch durch Formgießen oder Formpressen strukturiert werden. Eine weitere Strukturierungsmöglichkeit besteht durch die Kombination einer Laser- Bestrahlung zur Materialmodifikation in gewünschten Bereichen und einem folgenden Ätzschritt, bei welchem die durch die Laserbestrahlung modifizierten Bereiche eine höhere Ätzrate aufweisen und demnach gegenüber den nicht bestrahlten Bereichen selektiv geätzt werden können (Beispiel: Selective Laser Etching). Durch diese Technologie sind auch runde und weitere beliebige Lichtleiterquerschnitte herstellbar.
Auch in einem gewünschten Wellenlängenbereich transparente Polymere, im tiefen UV-Bereich etwa spezielle Silikone, lassen sich mit den genannten Methoden strukturieren. Derartige Materialien werden dazu beispielsweise in typischen Prozessen der Kunststoffverarbeitung wie beispielsweise Spritzguss oder Extrusion bearbeitet.
Je nach Ausführungsform kann der Lichtleiter 104 auch mithilfe spanender Prozessierung wie beispielsweise (Mikro-) Fräsen oder Drehen aus einem Ausgangsmaterial strukturiert werden.
Alternativ zu flächigen Substraten als Ausgangsmaterial können auch gewellte oder sonstige dreidimensional geformte Substrate zum Ausschneiden verwendet werden, um nicht nur planare, sondern auch dreidimensionale Lichtleiter zu realisieren. Denkbar ist auch die Herstellung eines beliebig geformten 3-D- Lichtleiters durch Gießen des Ausgangsmaterials in eine entsprechende Form. Der normalerweise aufwendige Prozessschritt des Formens einer homogenen Mantelschicht um einen Kern, etwa durch Dotieren oder Abscheiden von
Schichten, kann durch den Einsatz eines Fluids um den Lichtleiter herum entfallen.
Um Veränderungen der Brechzahl der Lufthülle durch Luftdruck-, Luftfeuchteoder Temperaturänderungen und somit Veränderungen der eingekoppelten und transmittierten Lichtmenge oder auch Ablagerungen von Staub oder
Kondenswasser zu vermeiden, kann der Lichtleiter 104 und das ihn umgebende Medium in einem entsprechenden fluiddichten Gehäuse angeordnet sein.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist das Messsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem Modenmischer zur Homogenisierung der räumlichen Strahlverteilung und verschiedenen Splittern realisiert. Dadurch eignet sich das Messsystem insbesondere für die Anwendung als lichtleitendes System für die
(Ab-)Gassensorik in der (UV-)Absorptionsspektroskopie. Das Licht wird demnach zunächst homogenisiert oder gemischt, anschließend geteilt, wobei ein Teil des Lichts auf den Referenzdetektor geleitet wird. Der andere Teil wird in eine
Messzelle geführt, in der die gaskonzentrationsabhängige Absorption erfolgt. Das aus der Messzelle ausgehende Licht wird nun wiederum auf einen Messdetektor geleitet. Optional ist das lichtleitende System über Zwischenverbindungen aus Glasfasern mit der Messzelle verbunden. Dadurch können längere Lichtstrecken überbrückt werden und dadurch wärmeempfindliche Komponenten wie beispielsweise Lichtquellen und Detektoren von Hochtemperaturbereichen wie beispielsweise dem Abgasstrang entkoppelt werden. Beispielswiese sendet die Lichtquelle 107 hierzu UV-Licht mit einer Wellenlänge von 227 nm aus, wobei der eine Teil auf den Referenzdetektor und der andere Teil in eine Glasfaser gekoppelt und zur Messzelle im Abgasstrang geführt wird.
Für die Verwendung in kompakten und kostenkritischen Produkten eignen sich insbesondere Leuchtdioden als Lichtquellen. Bei der Verwendung von
Leuchtdioden kann der in den Lichtleiter 104 eingekoppelte Lichtanteil aufgrund der breiten räumlichen Abstrahlcharakteristik begrenzt sein. Als Einkoppelverfahren eignet sich etwa das sogenannte Butt Coupling. Hierbei ist eine Endfacette des Lichtleiters 104 direkt auf einer flächigen Seite des LED- Chips platziert, wobei umso weniger Licht verloren geht, je größer die
Leiterquerschnittsfläche im Vergleich zur LED-Fläche ist.
Im Unterschied zu herkömmlichen planaren Lichtleitern mit typischen
Schichtdicken von wenigen Mikrometern und typischen Dimensionen von LED- Chips im Bereich von mehreren Hundert Mikrometern kann durch die
Verwendung einer Lichtleitvorrichtung gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele auf zusätzliche fokussierende Elemente wie
Linsensysteme oder entwicklungs- und kostenintensive Einkoppeltechniken wie das Einkoppeln über Beugungsgitter verzichtet werden. Im Unterschied zu Glasfasern mit Schichtdicken von beispielsweise 50 bis 500 Mikrometern im Kern und Biegeradien im Zentimeterbereich ist der Lichtleiter 104 bei größerem Akzeptanzwinkel deutlich handlicher. Zudem lässt sich der Lichtleiter 104 mit geringerem Aufwand herstellen.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu Fig. 3 ist die Haltevorrichtung 120 gemäß Fig. 4 mit zwei L-förmigen Halteelementen 300, 302 realisiert, wobei jeweils ein erstes Ende der beiden Halteelemente mit dem hier als einfache Platte realisierten Bodenelement 130 und jeweils ein zweites Ende der beiden Halteelemente mit dem Lichtleiter 104 Kontakt hat. Wie in Fig. 3 wird der Lichtleiterast 104 auch in Fig. 4 durch die beiden Halteelemente 300, 302 freistehend über dem Bodenelement 130 gehalten.
Im Unterschied zu dem anhand der Figuren 1 bis 3 beschriebenen Lichtleiter teilt sich der Hauptlast 112 des in Fig. 4 gezeigten Lichtleiters 104 an der
Verzweigungsstelle 115 Y-förmig in die beiden Lichtleiteräste 116, 118, wobei die freien Enden der beiden Lichtleiteräste 116, 118 jeweils in eine von dem
Einkoppelausschnitt 106 abgewandte Richtung weisen. An der
Verzweigungsstelle 115 wird der Lichtstrahl 108 derart in den ersten Teilstrahl 122 und den zweiten Teilstrahl 124 geteilt, dass der erste Teilstrahl 122 durch den zweiten Lichtleiterast 118 und der zweite Teilstrahl 124 durch den ersten Lichtleiterast 116 geleitet wird. Wie in Fig. 4 zu erkennen, wird der Lichtleiter 104 am Hauptast 112 von den beiden Halteelemente 300, 302 über dem Bodenelement 130 gehalten. Fig. 5 zeigt einen Abschnitt eines Lichtleiters 104 gemäß einem
Ausführungsbeispiel, etwa eines Lichtleiters, wie er vorangehend anhand der Figuren 1 bis 4 beschrieben ist. Zu sehen sind der Einkoppelausschnitt 106 mit der darauf fixierten Lichtquelle 107 in Form einer Leuchtdiode, wobei die
Lichtquelle 104 deutlich kleiner als der Einkoppelausschnitt 106 ausgeführt ist.
Bei dem in Fig. 5 gezeigten Butt Coupling zwischen der Lichtquelle 107 und dem Lichtleiter 104 weist die Lichtquelle 107 beispielsweise eine Abstrahlfläche von 200 * 200 μηη2 und der Lichtleiter 104 beispielsweise eine Dicke von 350 μηη auf.
Fig. 6 zeigt einen Abschnitt eines Lichtleiters 104 gemäß einem
Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu Fig. 5 ist der Lichtleiter 104 gemäß Fig. 6 mit einem annähernd hexagonalen Querschnitt realisiert.
In Fig. 6 ist beispielhaft ein isotropes Ätzprofil eines H F-geätzten Quarzlichtleiters 104 gezeigt, wobei der Lichtleiter 104 beidseitig von oben und unten geätzt ist und somit einen hexagonalähnlichen Querschnitt aufweist.
Fig. 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Herstellen einer Lichtleitvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 700 kann beispielsweise zur Herstellung einer anhand der Figuren 1 bis 6 beschriebenen
Lichtleitvorrichtung durchgeführt werden. Hierzu wird in einem Schritt 710 der Lichtleiter durch Bearbeiten eines in einem dem Schritt 710 vorangehenden Bereitstellungsschritt bereitgestellten Substrats aus einem lichtleitenden, insbesondere transparenten Material, etwa einer Glas- oder Polymerplatte, geformt. Dies erfolgt beispielsweise in einem entsprechenden Schnitt- oder
Ätzverfahren. In einem weiteren Schritt 720 wird der Lichtleiter in der
beispielsweise ebenfalls im Bereitstellungsschritt bereitgestellten
Halteeinrichtung platziert und je nach Ausführungsform kraft-, form- oder stoffschlüssig mit dieser verbunden. Alternativ werden sowohl der Lichtleiter als auch die Halteeinrichtung im Schritt 710 durch Bearbeiten des Substrats geformt. Insbesondere werden der Lichtleiter und die Halteeinrichtung im gleichen Fertigungsschritt als ein einziges Teil aus dem Substrat geformt. Je nach Ausführungsform wird hierbei der Lichtleiter an der Halteeinrichtung oder die Halteeinrichtung an dem Lichtleiter ausgeformt, wobei der Lichtleiter und die Haltereinrichtung entweder zeitgleich oder nacheinander ausgeformt werden können. Entsprechend kann hierbei der Schritt 720 entfallen. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"- Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Ansprüche
Lichtleitvorrichtung (102) zum Leiten eines Lichtstrahls (108) zwischen einer Lichtquelle (107) und einer Messeinheit (114) zum Messen einer Gas- oder Stoffkonzentration, wobei die Lichtleitvorrichtung (102) folgende Merkmale aufweist: einen Lichtleiter (104) mit zumindest einem der Lichtquelle (107) zugewandten oder zuwendbaren Einkoppelabschnitt (106) zum
Einkoppeln des Lichtstrahls (108) und einem der Messeinheit (114) zugewandten oder zuwendbaren Auskoppelabschnitt (110) zum Auskoppeln des Lichtstrahls (108), wobei der Lichtleiter (104) ausgebildet ist, um den Lichtstrahl (108) durch Totalreflexion an einer Grenzfläche zu einem den Lichtleiter (104) umgebenden Fluid oder Material, das eine kleinere Brechzahl als der Lichtleiter (104) aufweist, zwischen dem Einkoppelabschnitt (106) und dem Auskoppelabschnitt (110) zu leiten; und eine Halteeinrichtung (120), die ausgebildet ist, um den Lichtleiter (104) derart in dem Fluid zu halten, dass zumindest ein Hauptanteil einer Oberfläche des Lichtleiters (104) Kontakt mit dem Fluid hat.
Lichtleitvorrichtung (102) gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Bodenelement (130) zum Aufnehmen der Halteeinrichtung (120), insbesondere wobei das Bodenelement (130) aus Silizium oder einem siliziumhaltigen Material gefertigt ist.
Lichtleitvorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (104) und die Halteeinrichtung (120) einteilig und/oder aus dem gleichen Material ausgeführt sind. Lichtleitvorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkoppelabschnitt
(106) durch eine Querschnittsfläche eines ersten Endes des Lichtleiters (104) und der Auskoppelabschnitt (110) durch eine Querschnittsfläche eines zweiten Endes des Lichtleiters (104) gebildet ist.
Lichtleitvorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (104) und/oder die Halteeinrichtung (120) aus Glas und/oder einem Polymer gefertigt ist.
Lichtleitvorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen
Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Temperaturregeleinheit zur aktiven und/oder passiven Kühlung und/oder Heizung der Lichtquelle
(107) und/oder des Lichtleiters (104) und/oder der Messeinheit (114).
Lichtleitvorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung (120) zumindest ein erstes Halteelement (300) und ein zweites Halteelement (302) umfasst, wobei der Lichtleiter (104) zwischen dem ersten
Halteelement (300) und dem zweiten Halteelement (302) eingespannt oder einspannbar ist, insbesondere wobei das erste Halteelement (300) und/oder das zweite Halteelement (302) U- oder L-förmig ausgestaltet ist.
Lichtleitvorrichtung (102) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halteelement (300) und/oder das zweite Halteelement (302) an zumindest einer Berührungsstelle, an der das erste
Halteelement (300) und/oder das zweite Halteelement (302) den
Lichtleiter (104) berührt, einen sich in Richtung des Lichtleiters (104) verjüngenden Querschnitt aufweist.
Lichtleitvorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (104) an zumindest einer Verzweigungsstelle (115) zumindest einen Lichtleiterast (116, 118) zum Umlenken und/oder Teilen eines über den Einkoppelabschnitt (106) oder den Auskoppelabschnitt (110)
eingekoppelten Lichtstrahls (108) in zumindest zwei Teilstrahlen (122, 124) aufweist.
Lichtleitvorrichtung (102) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (104) an zumindest einer ersten Verzweigungsstelle (115) zumindest einen ersten Lichtleiterast (116) und an zumindest einer zweiten Verzweigungsstelle (117) zumindest einen zweiten Lichtleiterast (118) aufweist, wobei die erste
Verzweigungsstelle (115) ausgebildet ist, um einen über den
Einkoppelabschnitt (106) eingekoppelten Lichtstrahl (108) derart in einen ersten Teilstrahl (122) und einen zweiten Teilstrahl (124) zu teilen, dass der erste Teilstrahl (122) zum Auskoppelabschnitt (110) und der zweite Teilstrahl (124) in den ersten Lichtleiterast (116) gelenkt wird, und/oder die zweite Verzweigungsstelle (117) ausgebildet ist, um einen über den Auskoppelabschnitt (110) eingekoppelten Lichtstrahl (127) in den zweiten Lichtleiterast (118) zu lenken und/oder derart in einen dritten Teilstrahl und einen vierten Teilstrahl zu teilen, dass der dritte Teilstrahl zum Einkoppelabschnitt (106) und der vierte Teilstrahl in den zweiten Lichtleiterast (118) gelenkt wird, insbesondere wobei die zweite
Verzweigungsstelle (117) ausgebildet ist, um den über den
Auskoppelabschnitt (110) eingekoppelten Lichtstrahl (127) und/oder den vierten Teilstrahl in eine von einer Richtung des über den
Einkoppelabschnitt (106) eingekoppelten Lichtstrahls (108) und/oder des ersten Teilstrahls (122) und/oder des zweiten Teilstrahls (124) abweichende Richtung zu lenken.
Lichtleitvorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (104) ausgeformt ist, um den Lichtstrahl (108) zu homogenisieren.
Messsystem (100) mit folgenden Merkmalen: einer Lichtleitvorrichtung (102) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche; einer Lichtquelle (107), die gegenüber dem Einkoppelabschnitt (106) des Lichtleiters (104) angeordnet ist; und einer Messeinheit (114) zum Messen einer Gas- oder Stoffkonzentration, wobei die Messeinheit (114) dem Auskoppelabschnitt (110) des
Lichtleiters (104) zugewandt angeordnet ist.
13. Verfahren (700) zum Herstellen einer Lichtleitvorrichtung (102) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Verfahren (700) folgende Schritte umfasst:
Formen (710) des Lichtleiters (104) durch Bearbeiten eines
bereitgestellten Substrats aus einem lichtleitenden Material; und
Anordnen (720) des Lichtleiters (104) in einer bereitgestellten
Halteeinrichtung (120); und/oder
Formen (710) des Lichtleiters (104) und der Halteeinrichtung (120) durch Bearbeiten des Substrats, wobei der Lichtleiter (104) an der
Halteeinrichtung (120) und/oder die Halteeinrichtung (120) an dem Lichtleiter (104) ausgeformt wird.
14. Vorrichtung, die ausgebildet ist, um das Verfahren (700) gemäß
Anspruch 13 auszuführen, anzusteuern und/oder umzusetzen.
15. Computerprogramm, das ausgebildet ist, um das Verfahren (700)
gemäß Anspruch 13 auszuführen, anzusteuern und/oder umzusetzen.
16. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 15 gespeichert ist.
EP16751617.8A 2015-09-11 2016-08-17 Lichtleitvorrichtung, messsystem und verfahren zum herstellen einer lichtleitvorrichtung Withdrawn EP3347696A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102015217425.5A DE102015217425A1 (de) 2015-09-11 2015-09-11 Lichtleitvorrichtung, Messsystem und Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitvorrichtung
PCT/EP2016/069511 WO2017042008A1 (de) 2015-09-11 2016-08-17 Lichtleitvorrichtung, messsystem und verfahren zum herstellen einer lichtleitvorrichtung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3347696A1 true EP3347696A1 (de) 2018-07-18

Family

ID=56686837

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP16751617.8A Withdrawn EP3347696A1 (de) 2015-09-11 2016-08-17 Lichtleitvorrichtung, messsystem und verfahren zum herstellen einer lichtleitvorrichtung

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10502680B2 (de)
EP (1) EP3347696A1 (de)
CN (1) CN107923843A (de)
DE (1) DE102015217425A1 (de)
WO (1) WO2017042008A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018214838A1 (de) * 2018-08-31 2020-03-05 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Kraftfahrzeugbauteil mit Leuchtfunktion und Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils

Family Cites Families (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1255382A (en) 1984-08-10 1989-06-06 Masao Kawachi Hybrid optical integrated circuit with alignment guides
US4676594A (en) 1984-11-16 1987-06-30 American Telephone And Telegraph Company Optical fiber mode scrambler
ATE73935T1 (de) * 1987-07-07 1992-04-15 Siemens Ag Sensor fuer gase oder ionen.
US5359681A (en) * 1993-01-11 1994-10-25 University Of Washington Fiber optic sensor and methods and apparatus relating thereto
US5439647A (en) * 1994-02-25 1995-08-08 Fiberchem, Inc. Chip level waveguide sensor
WO2003046626A1 (en) * 2001-11-23 2003-06-05 Xponent Photonics Inc. Alignment apparatus and methods for transverse optical coupling
DE10204531A1 (de) * 2002-02-01 2003-08-21 Inst Chemo Biosensorik Deckelelement
US20040081384A1 (en) * 2002-10-25 2004-04-29 Datesman Aaron M. Multiple-mode planar-waveguide sensor, fabrication materials and techniques
GB0405821D0 (en) * 2004-03-15 2004-04-21 Evanesco Ltd Fluid monitoring apparatus and methods
US7268868B2 (en) * 2004-10-29 2007-09-11 Palo Alto Research Center Incorporated Anti-resonant waveguide sensors
DE102005006723B3 (de) 2005-02-03 2006-06-08 Universität Stuttgart Interferometrisches,konfokales Verfahren und interferometrische, konfokale Anordung für optische Datenspeicher, insbesondere Terabyte-Volumenspeicher
BRPI0820712A2 (pt) * 2007-12-06 2015-06-16 Mitsubishi Electric Corp Sensor de fibra óptica
US7619725B1 (en) * 2008-05-12 2009-11-17 Sealite Engineering, Inc. Optically amplified critical wavelength refractometer
US7969571B2 (en) * 2009-01-15 2011-06-28 Baker Hughes Incorporated Evanescent wave downhole fiber optic spectrometer
US8463083B2 (en) * 2009-01-30 2013-06-11 Claudio Oliveira Egalon Side illuminated multi point multi parameter optical fiber sensor
US20110168876A1 (en) * 2010-01-14 2011-07-14 Hsiung Hsiao Optical module and system for liquid sample
DE102010001443A1 (de) * 2010-02-01 2011-08-04 Robert Bosch GmbH, 70469 Optischer Gassensor
US8218133B2 (en) * 2010-09-16 2012-07-10 Sondex Limited Refractive index tool and method
WO2013113402A1 (en) * 2012-02-03 2013-08-08 Agilent Technologies, Inc. Micromachined flow cell with freestanding fluidic tube
DE102012103628B4 (de) * 2012-04-25 2020-12-31 Avl Emission Test Systems Gmbh Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration zumindest eines Gases in einem Probengasstrom
US9046650B2 (en) * 2013-03-12 2015-06-02 The Massachusetts Institute Of Technology Methods and apparatus for mid-infrared sensing
WO2014143204A1 (en) * 2013-03-12 2014-09-18 Massachusetts Institute Of Technology Methods and apparatus for mid-infrared sensing
US9404856B2 (en) * 2013-06-03 2016-08-02 Macau University Of Science And Technology Optical refractive index measuring system based on speckle correlation
DE102013108189A1 (de) * 2013-07-31 2015-02-05 Endress + Hauser Conducta Gesellschaft für Mess- und Regeltechnik mbH + Co. KG Anordnung zur optischen Messung einer Prozessgröße und Messgerät umfassend eine solche
DE102014103849B4 (de) * 2014-03-20 2020-08-06 Bcs Automotive Interface Solutions Gmbh Linsenplatte
WO2016130594A1 (en) * 2015-02-09 2016-08-18 Washington University Micro-resonator and fiber taper sensor system
US10274421B2 (en) * 2015-02-09 2019-04-30 Oregon State University Sensor devices comprising a metal-organic framework material and methods of making and using the same
US9983124B2 (en) * 2015-02-09 2018-05-29 Oregon State University Sensor devices comprising a metal-organic framework material and methods of making and using the same
US10094214B2 (en) * 2016-04-06 2018-10-09 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Gas detection based on evanescent coupling from waveguides in bulk substrates to downhole fluids

Also Published As

Publication number Publication date
WO2017042008A1 (de) 2017-03-16
DE102015217425A1 (de) 2017-03-16
US20180252635A1 (en) 2018-09-06
US10502680B2 (en) 2019-12-10
CN107923843A (zh) 2018-04-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3535615B1 (de) Verfahren zur herstellung eines optischen systems und optisches system
KR100578683B1 (ko) 광학장치와 그 제조 방법
EP1757964B1 (de) Optisches glied mit graduiertem index und optische module damit
DE19923820C2 (de) SPR-Sensor zur gleichzeitigen Erfassung einer Vielzahl von in fluider Form vorliegenden Proben
DE68905757T2 (de) Integrierte optikvorrichtung zur messung des brechungsindex einer fluessigkeit.
US6768834B1 (en) Slab optical multiplexer
US10310195B2 (en) Adiabatic optical coupling systems
EP0713112A1 (de) Optische Sende- und Empfangseinrichtung mit einem oberflächenemittierenden Laser
DE69806300T2 (de) Untereinheit und Verfahren zur Kopplung optischer Elemente
DE112019003590T5 (de) Verfahren und systeme zur spektralstrahlzusammenführung
DE112016004782T5 (de) Strahlengangkonversionseinrichtung, optische Schnittstellenvorrichtung und optisches Übertragungssystem
DE10232160A1 (de) Optischer Abstandssensor
WO2017042008A1 (de) Lichtleitvorrichtung, messsystem und verfahren zum herstellen einer lichtleitvorrichtung
DE10216047A1 (de) Monolithische Multi-Pass-Zelle
US11733469B2 (en) Planar lightwave circuit and optical device
US11747134B2 (en) Optical component for an ATR interferometric imaging device
JPH02170008A (ja) ヘテロ薄膜多層構造の半導体多層薄膜の膜厚測定法
DE102009023071A1 (de) Mikrooptisches Koppelelement mit integrierten optischen Wellenleitern
CN100405567C (zh) 蚀刻监测装置及方法
Ahmed et al. Optical quilt packaging: A new chip-to-chip optical coupling and alignment process for modular sensors
DE102015221789A1 (de) Absorptionsspektroskopische Sensoranordnung und Verfahren zur Bestimmung einer Stoffkonzentration in einem gasförmigen Medium
DE102015224079A1 (de) Lichtleitvorrichtung, Messsystem und Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitvorrichtung
JP6944678B2 (ja) 熱レンズ分析用光ファイバーカプラ、熱レンズ分析装置
EP4374206A1 (de) Optische vorrichtung und verfahren zum herstellen einer optischen vorrichtung
DE4002098C2 (de)

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20180411

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: BA ME

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20190131

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20190913