JP2015011033A - 電磁放射放出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁放射放出装置を提供する。
【解決手段】本発明の電磁放射放出装置（３）は、電磁放射（１９，２０）を形成可能な少なくとも１つの光学半導体素子（７）と、少なくとも１つのフォトダイオード（５，８）と、少なくとも１つのビームスプリッタ（９，１８）とを備え、ビームスプリッタ（９，１８）は、光学半導体素子（７）で形成される電磁放射（１９，２０）の第１の成分（１０）がビームスプリッタ（９，１８）を通過するように、かつ、光学半導体素子（７）で形成される電磁放射（１９，２０）の第２の成分（１１）がビームスプリッタ（９，１８）で反射されてフォトダイオード（５，８）へ配向されるように、光学半導体素子（７）及びフォトダイオード（５，８）に対して相対的に配置されている。
【選択図】図１

Description

電磁放射放出装置は種々のタイプのものが知られている。相応の装置は種々の目的に利用可能である。

例えば、この種の装置は分光分析のための光源として利用できる。特に、この装置により、液体中に含まれる物質の濃度を求めるための吸収率測定を行うことができる。ランベルト‐ベールの法則にしたがって記述される、液体中に含まれる電磁放射吸収物質の濃度と電磁放射が当該物質を含む液体を通る際の強度変化量との関係を用いて、比較的簡単に、液体中に含まれる物質の濃度を求めることができる。

こうした分光分析測定に用いられる従来の電磁放射放出装置は、通常、発光ダイオードの形態の光学半導体素子を含む。ただし、発光ダイオードの放射特性、特に強度及び分散度は、発光ダイオードの駆動時間にわたって、時間的及び空間的に一定でなく、多くの周囲条件に依存して変化する。

本発明の課題は、電磁放射放出装置を提供することである。

この課題は、電磁放射を形成可能な少なくとも１つの光学半導体素子と、少なくとも１つのフォトダイオードと、少なくとも１つのビームスプリッタとを備え、ビームスプリッタは、光学半導体素子で形成される電磁放射の第１の成分がビームスプリッタを通過するように、かつ、光学半導体素子で形成される電磁放射の第２の成分がビームスプリッタで反射されてフォトダイオードへ配向されるように、光学半導体素子及びフォトダイオードに対して相対的に配置されている電磁放射放出装置により解決される。

本発明のシステムの第１の実施例を示す図である。 本発明のシステムの第２の実施例を示す図である。 本発明のシステムの第３の実施例を示す図である。

ビームスプリッタのそれぞれの反射率もしくは透過率が既知であれば、本発明の装置において、光学半導体素子で形成された電磁放射の強度を、当該電磁放射のうちフォトダイオードへ配向された成分によって求めることができる。こうして、光学半導体素子の放射特性の変化量が検出され、装置の使用目的に応じて考慮される。したがって、本発明の装置により、高精度の光学測定を行うことができる。

光学半導体素子は、例えば、発光ダイオードＬＥＤとして、又は、レーザーダイオードＬＤ、特に面発光型レーザーＶＣＳＥＬとして構成できる。

有利な実施形態によれば、ビームスプリッタは、装置へ入射する電磁放射を装置のフォトダイオード又は付加的なフォトダイオードへ配向するように構成される。これにより、装置を電磁放射の放出及び電磁放射の検出の双方に用いることができる。装置へ入射する電磁放射が、光学半導体素子で形成されてビームスプリッタで反射される成分が配向されるのと同じフォトダイオードへ配向される場合、光学半導体素子で形成される各電磁放射が変調され、有利には、フォトダイオードへ入射する各電磁放射が相違することになる。装置に入射する電磁放射は、例えば、光学半導体素子で形成された電磁放射のうちビームスプリッタを通過する成分と液体中に含まれる少なくとも１つの物質との相互作用により制御される。これに基づいて当該物質を分析することができる。

有利な別の実施形態によれば、装置は少なくとも１つの光学レンズを含み、この光学レンズは光学半導体素子とビームスプリッタとの間に配置される。有利には、光学レンズは複数のマイクロレンズを配列することにより形成される。光学レンズは光学半導体素子で形成される電磁放射を集束するように構成される。特に、光学レンズにより、平行電磁放射を形成してこれをビームスプリッタへ配向することができる。

有利な別の実施形態によれば、ビームスプリッタを形成するビームスプリッタボディが設けられる。ここで、光学レンズは、ビームスプリッタボディのうち光学半導体素子で形成される電磁放射が入射する側面を少なくとも部分的に湾曲させることにより形成される。光学半導体素子で形成された電磁放射が入射するビームスプリッタボディの少なくとも１つの側面が湾曲していることにより、ビームスプリッタボディに組み込まれた光学レンズが形成され、個別の光学レンズの配置を省略できる。光学半導体素子は、ビームスプリッタボディのうち光学半導体素子で形成される電磁放射が入射する側面に接着できる。また、ビームスプリッタボディは立方体状に構成可能である。例えば、ビームスプリッタボディを相互に接合された２つのプリズムから形成することができる。

さらに有利には、装置は少なくとも１つの光学フィルタを含む。当該光学フィルタはロングパスエッジフィルタ及び／又はショートパスエッジフィルタとして構成される。これにより、光学半導体素子で形成された電磁放射及び／又は装置へ入射する電磁放射の所定の波長領域をフィルタリングして、装置がそのつどの適用分野に応じて最適に適合化されるようにすることができる。

有利な別の実施形態によれば、装置の各要素は相互に固定接続される。有利には、装置の各要素が共通に１つの材料内へ注封される。これにより、装置はローバストかつコンパクトな構造を有する。装置の各要素が相互に固定接続されることにより、後から現場で装置を較正したり個々の要素を相互に相対的に位置合わせしたりする必要なく、直ちに使用できる。このため、装置の取り扱いがきわめて簡単となる。

本発明はさらに、液体中に含まれる少なくとも１つの物質を検出する物質検出システムに関する。この物質検出システムは、少なくとも１つの電磁放射放出装置と、少なくとも１つの光学検出ユニットとを備えており、ここでの電磁放射放出装置は上述したいずれかの実施形態もしくはその任意の組み合わせによる電磁放射放出装置である。これにより、上述した装置の利点が得られる。

当該システムは、気体及び／又は液体中の物質を検出するために用いられる。例えば、システムは排気ガスセンサとして使用される。さらに、液体中に含まれる物質を検出するシステムは、医療技術、呼気分析、煙報知、ラボオンアチップ技術、ファン装置、エアコン制御や、スマートフォン、ゲームコンソールなどのエンタテインメント電子機器においても利用可能である。

有利な実施形態によれば、光学検出ユニットは装置の少なくとも１つのフォトダイオードによって形成される。これにより、個々の光学検出ユニットを設けなくて済む。

有利な別の実施形態によれば、物質検出システムは、通信技術的に電磁放射放出装置の少なくとも１つの光学半導体素子及び／又は光学検出ユニットに接続された少なくとも１つの電子評価装置を備える。電子評価装置により、光学半導体素子が制御されるか、又は、光学半導体素子で形成された電磁放射の特性が制御される。さらに、電子評価装置は少なくとも１つのフォトダイオードに通信技術的に接続されるので、光学半導体素子で形成された電磁放射又は装置へ入射する電磁放射のうちビームスプリッタで反射される成分の強度及び様態を検出できる。電子評価装置を用いて、少なくとも１つのフォトダイオード及び／又は光学検出ユニットへ入射する電磁放射を時間相関することにより、電磁放射放出装置から放出されて再び電磁放射放出装置へ入射するビームの走行時間とこのビームの走行経路長さとを求めることができる。このようにして求められたビーム経路は例えばランベルト‐ベールの法則による吸収率の測定に利用可能である。

有利には、電子評価装置は、電磁放射放出装置の少なくとも１つの光学半導体素子を制御して、変調された電磁放射が形成されるようにする。これは特に、装置が唯一のフォトダイオードを備え、光学半導体素子で形成された電磁放射のうちビームスプリッタで反射される成分と装置へ入射する電磁放射の少なくとも一部との双方がこのフォトダイオードへ配向される場合に有利である。さらに、相応の光変調は、装置がそれぞれ電磁放射を形成可能な２つ以上の半導体素子を含む場合にも有利である。個々の電磁放射を異なって変調すれば、少なくとも１つのフォトダイオード及び／又は個々の光学検出ユニットを介して、電子評価装置により、各電磁放射を識別することができる。

別の有利な実施形態によれば、ビームスプリッタに対して相対的に配置された少なくとも１つの反射装置が設けられており、これにより、電磁放射のうちビームスプリッタを通過する成分が反射装置へ配向され、反射装置で反射された電磁放射がビームスプリッタへ配向される。

さらに有利には、直接に電磁放射放出装置に接続された少なくとも１つの光ファイバが設けられる。これにより、装置で形成された電磁放射、乃至、装置へ入射する電磁放射が所望のように案内され、装置がそのつどの適用ケースに応じて最適に適合される。

有利には、光ファイバを形成する材料は、電磁放射放出装置の各要素を共通に注封している材料と同じ屈折率を有する。これにより、装置の光特性とファイバの光特性との差が回避され、光ファイバへの最大の入力効率及び光ファイバからの最大の出力効率が保証される。

本発明は、さらに、空間内の２点間の距離を測定する測定システムに関する。当該測定システムは、２点の一方に配置された少なくとも１つの電磁放射放出装置と、少なくとも１つの光学検出ユニットと、通信技術的に電磁放射放出装置及び／又は光学検出ユニットに接続された少なくとも１つの電子評価装置とを備える。ここで、電子評価装置は、電磁放射放出装置から放出されて再び電磁放射放出装置乃至光学検出ユニットへ入射する電磁放射の走行経路長さを、電磁放射放出装置乃至光学検出ユニットへ入射する電磁放射と電磁放射放出装置から放出された電磁放射との時間相関により求めるように構成されており、ここでの電磁放射放出装置は上述したいずれかの実施形態もしくはその任意の組み合わせによる電磁放射放出装置として構成される。この電磁放射放出装置によって上述した利点が得られる。

電磁放射装置乃至光学検出ユニットへ入射する電磁放射と、電磁放射放出装置から放出された電磁放射との時間相関から、まず、電磁放射の走行時間が推定され、そこから走行経路の長さが求められる。電磁放射放出装置が配置されていない第２の点は、電磁放射放出装置から放出された電磁放射を少なくとも部分的に反射する何らかの対象物によって形成される。例えば、当該対象物は家屋の壁などである。

本発明を以下に図示の有利な実施例に則して詳細に説明する。以下に説明する特徴は、単独でも任意に組み合わせても本発明の対象とすることができる。

図１には、本発明の第１の実施例による、液体２中に含まれる物質を検出する物質検出システム１が示されている。物質検出システム１は、電磁放射１９を放出する少なくとも１つの電磁放射放出装置３と、少なくとも１つの光学検出ユニット４とを備えている。光学検出ユニット４は電磁放射放出装置３の少なくとも１つのフォトダイオード５によって形成されている。また、物質検出システム１は中空鏡の形態の反射装置６と、通信技術的に電磁放射放出装置３に接続された電子評価装置１４とを備えている。

電磁放射放出装置３は、電磁放射１９を形成可能な発光ダイオードとして構成された光学半導体素子７を含む。さらに、電磁放射放出装置３は、２つのフォトダイオード５，８と１つのビームスプリッタ９とこれらの間に配置された１つの光学レンズ１２とを含む。電磁放射放出装置３の各要素５，７−９，１２は相互に固定接続されている。電子評価装置１４は、制御線路１５を介して光学半導体素子７に接続されており、また、評価線路１６，１７を介してフォトダイオード５，８に通信技術的に接続されている。

ビームスプリッタ９は、光学半導体素子７及びフォトダイオード５，８に対して相対的に、光学半導体素子７で形成された電磁放射１９のうち第１の成分１０がビームスプリッタ９を通過し、かつ、第２の成分１１がビームスプリッタ９で反射されてフォトダイオード８へ配向されるように、配置されている。例えば、第１の成分１０は光学半導体素子７で形成された電磁放射１９の約９０％であり、第２の成分１１は光学半導体素子７で形成された電磁放射１９の約１０％である。ビームスプリッタ９は、さらに、電磁放射放出装置３へ入射してくる電磁放射１３を付加的に電磁放射放出装置３のフォトダイオード５へ配向するように構成されている。

反射装置６は、電磁放射放出装置３のビームスプリッタ９に対して相対的に、ビームスプリッタ９を通過した電磁放射の第１の成分１０が入射し、そこで反射された電磁放射１３がビームスプリッタ９へ配向されるように、配置されている。

図２には、本発明の第２の実施例による物質検出システム１が示されている。図１の実施例との相違点の１つは、反射装置６が中空鏡としてではなく、平面鏡として構成されているということである。図１の実施例とのより重要な相違点は、光学レンズ１２によって形成される平行ビームの光路の断面積がフォトダイオード５，８のセンサ面積よりも小さく、そのため電磁放射１９のうちビームスプリッタ９で反射される第２の成分１１がフォトダイオード８のセンサ面の中央領域のみへ入射するということである。センサ面の中央領域は他の箇所に比べて感度が高いことが多いからである。

図３には、本発明の第３の実施例による物質検出システム１が示されている。この実施例は、電磁放射放出装置３が発光ダイオードの形態の２つの光学半導体素子７を備えており、さらに第２のビームスプリッタ１８が設けられている点で、図１の実施例と異なる。当該第２のビームスプリッタ１８を介して、各光学半導体素子７で形成された電磁放射１９，２０が第１のビームスプリッタ９へ案内される。ここでは、第２の光学半導体素子７に対応して第２の光学レンズ１２が設けられている。

１ 物質検出システム、 ２ 液体、 ３ 電磁放射放出装置、 ４ 光学検出ユニット、 ５，８ フォトダイオード、 ６ 反射装置、 ７ 光学半導体素子、 ９，１８ ビームスプリッタ、 １０ 電磁放射の第１の成分、 １１ 電磁放射の第２の成分、 １２ 光学レンズ、 １３ 反射された電磁放射、 １４ 電子評価装置、 １５ 制御線路

Claims (17)

1. 電磁放射放出装置（３）であって、
   電磁放射（１９，２０）を形成可能な少なくとも１つの光学半導体素子（７）と、
   少なくとも１つのフォトダイオード（５，８）と、
   少なくとも１つのビームスプリッタ（９，１８）と
   を備え、
   前記ビームスプリッタ（９，１８）は、前記光学半導体素子（７）及び前記フォトダイオード（５，８）に対して相対的に、前記光学半導体素子（７）で形成される電磁放射（１９，２０）の第１の成分（１０）が前記ビームスプリッタ（９，１８）を通過するように、かつ、前記光学半導体素子（７）で形成される電磁放射（１９，２０）の第２の成分（１１）が前記ビームスプリッタ（９，１８）で反射されて前記フォトダイオード（５，８）へ配向されるように、配置されている
   ことを特徴とする電磁放射放出装置（３）。
2. 前記ビームスプリッタ（９，１８）は、前記電磁放射放出装置（３）へ入射する電磁放射（１３）を前記電磁放射放出装置（３）の前記フォトダイオード（５，８）もしくは付加的なフォトダイオード（５，８）へ配向するように構成されている、請求項１記載の電磁放射放出装置（３）。
3. 少なくとも１つの光学レンズ（１２）が前記光学半導体素子（７）と前記ビームスプリッタ（９，１８）との間に配置されている、請求項１又は２記載の電磁放射放出装置（３）。
4. 前記光学レンズ（１２）は複数のマイクロレンズを配列することによって形成されている、請求項３記載の電磁放射放出装置（３）。
5. 前記ビームスプリッタ（９，１８）を形成するビームスプリッタボディが設けられており、前記光学レンズ（１２）は、前記ビームスプリッタボディによって、該ビームスプリッタボディのうち前記光学半導体素子（７）で形成される電磁放射（１９，２０）が入射する側面を少なくとも部分的に湾曲させることにより、形成されている、請求項３又は４記載の電磁放射放出装置（３）。
6. 少なくとも１つの光学フィルタが設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の電磁放射放出装置（３）。
7. 前記光学フィルタはロングパスエッジフィルタ及び／又はショートパスエッジフィルタとして構成されている、請求項６記載の電磁放射放出装置（３）。
8. 前記電磁放射放出装置（３）の各要素（５，７−９，１２，１８）は相互に固定接続されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の電磁放射放出装置（３）。
9. 前記電磁放射放出装置（３）の各要素（５，７−９，１２，１８）は共通に１つの材料内へ注封されている、請求項８記載の電磁放射放出装置（３）。
10. 液体（２）中に含まれる少なくとも１つの物質を検出する物質検出システム（１）であって、少なくとも１つの電磁放射放出装置（３）と、少なくとも１つの光学検出ユニット（４）とを備え、
    前記電磁放射放出装置（３）は請求項１から９までのいずれか１項記載の電磁放射放出装置（３）である
    ことを特徴とする物質検出システム（１）。
11. 前記光学検出ユニット（４）は前記電磁放射放出装置（３）の少なくとも１つのフォトダイオード（５，８）によって形成されている、請求項１０記載の物質検出システム（１）。
12. 通信技術的に前記電磁放射放出装置（３）及び／又は前記光学検出ユニット（４）に接続された少なくとも１つの電子評価装置（１４）が設けられている、請求項１０又は１１記載の物質検出システム（１）。
13. 前記電子評価装置（１４）は、前記電磁放射放出装置（３）の少なくとも１つの光学半導体素子（７）によって変調された電磁放射（１９，２０）が形成可能となるように、前記光学半導体素子（７）を制御する、請求項１２記載の物質検出システム（１）。
14. 少なくとも１つの反射装置（６）が前記電磁放射放出装置（３）の前記ビームスプリッタ（９，１８）に対して相対的に配置されており、これにより、前記光学半導体素子（７）で形成された電磁放射（１９，２０）のうち前記ビームスプリッタ（９，１８）を通過する第１の成分（１０）が前記反射装置（６）へ配向され、前記反射装置（６）で反射された電磁放射（１３）が前記ビームスプリッタ（９，１８）へ配向される、請求項１０から１３までのいずれか１項記載の物質検出システム（１）。
15. 直接に前記電磁放射放出装置（３）に接続された少なくとも１つの光ファイバが設けられている、請求項１０から１４までのいずれか１項記載の物質検出システム（１）。
16. 前記光ファイバを形成する材料は、前記電磁放射放出装置（３）の各要素（５，７−９，１２，１８）を共通に注封している材料と同じ屈折率を有する、請求項１５記載の物質検出システム（１）。
17. 空間内の２点間の距離を測定する測定システムであって、
    前記２点の一方に配置された少なくとも１つの電磁放射放出装置（３）と、
    少なくとも１つの光学検出ユニット（４）と、
    通信技術的に前記電磁放射放出装置（３）及び／又は前記光学検出ユニット（４）に接続された少なくとも１つの電子評価装置（１４）と
    を備え、
    前記電子評価装置（１４）は、前記電磁放射放出装置（３）から放出されて再び前記電磁放射放出装置（３）乃至前記光学検出ユニット（４）へ入射する電磁放射の走行経路の長さを、前記電磁放射放出装置（３）乃至前記光学検出ユニット（４）へ入射する電磁放射（１３）と前記電磁放射放出装置（３）から放出された電磁放射（１０）との時間相関により求めるように構成されており、
    前記電磁放射放出装置（３）は請求項１から９までのいずれか１項記載の電磁放射放出装置（３）として構成されている
    ことを特徴とする測定システム。

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