WO1999000680A1 - Strahlteilerkörper zum aufspalten eines lichtstrahls und anordnung zur messung eines periodisch schwankenden magnetfeldes mit einem solchen strahlteilerkörper - Google Patents

Strahlteilerkörper zum aufspalten eines lichtstrahls und anordnung zur messung eines periodisch schwankenden magnetfeldes mit einem solchen strahlteilerkörper Download PDF

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light beam
beam splitter
angle
incidence
splitter body
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PCT/DE1998/001373
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Inventor
Michael Willsch
Thomas Bosselmann
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G01R33/0322—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect using the Faraday or Voigt effect
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/04—Prisms

Definitions

  • the invention relates to a beam splitter body for splitting a light beam according to the preamble of claim 1 and an arrangement for measuring a periodically fluctuating magnetic field according to the preamble of claim 4.
  • Beam splitter bodies of the type mentioned are generally known.
  • the most common example is a beam splitter cube, in which a dielectric or hybrid layer defining the partially transparent surface is arranged between two prisms which are transparent to the light beam and which together form a cube.
  • the partially transparent surface of this beam splitter cube extends from one side edge to a diagonally opposite side edge of the cube.
  • a refractive surface through which the light beam enters the beam splitter cube is provided by a side surface of the cube which borders on one of these two edges and forms an angle of 45 ° with the partially transparent surface.
  • the light beam to be split strikes this refracting surface vertically, so that it enters the cube uninterrupted and strikes the partially transparent surface at an angle of 45 °. That reflected on the partially permeable surface
  • Partial beam of the incoming light beam is reflected at an angle of 90 ° to the incoming light beam and strikes a side surface of the cube from which it emerges uninterrupted.
  • the transmitted partial beam of the incoming light beam also strikes a side face of the cube from which it emerges vertically.
  • Such a beam splitter cube is advantageous, for example, in such known arrangements for measuring a periodically fluctuating magnetic field according to the preamble of claim 4, in which the polarized light beam that has passed through the sensor device in one direction again passes through the sensor device in the opposite direction and then on the beam splitter for splitting, because when the beam splitter is designed in the form of the beam splitter cube, this beam splitter can be used bidirectionally, ie both the light beam guided to the sensor device and the light beam returning from the sensor device can pass through the beam splitter.
  • the degree of reflection at an oblique angle of incidence of 45 ° of the polarized light beam with respect to the partially transparent surface from the polarization is due to the physical laws of reflection dependent.
  • the angle of incidence can be zero, i.e. the light beam can hit the partially permeable surface perpendicularly. This is the most favorable case in terms of polarization neutrality and temperature insensitivity.
  • the beam splitter body is preferably arranged in the light beam in such a way that the angle of incidence of the light beam with respect to the partially transparent surface is less than 22.5 ° (claim 2).
  • the partially permeable surface is preferably arranged obliquely at an angle to the refractive surface through which the light beam enters the body, this angle being largely arbitrary. If this angle is chosen to be sufficiently smaller than 45 °, the light beam can strike the refracting surface perpendicularly, so that it enters the body uninterrupted.
  • the partially permeable surface and the refractive surface can also be parallel to one another.
  • the light beam can hit the refractive surface perpendicularly if the partial beam of the supplied light beam reflected on the partially transparent surface does not have to be separated from it. Otherwise, the light beam must strike the surface to be broken at an oblique angle of incidence.
  • the partially permeable surface is arranged at an angle of 45 ° to the refractive surface and the light beam strikes the refractive surface at an oblique angle of incidence (claim 3).
  • the beam splitter body according to the invention can be designed like a known beam splitter cube, it is only to be arranged differently than previously oriented to the light beam.
  • the beam splitter body according to the invention can advantageously be used in a known arrangement for measuring a magnetic field of periodically fluctuating field strength as a beam splitter and, in this arrangement, has the advantage of polarization neutrality and temperature sensitivity of the beam splitter. Accordingly, such an arrangement for measuring a magnetic field periodically fluctuating field strength has the features specified in the characterizing part of claim 4.
  • the beam splitter body according to the invention can be used bidirectionally and is therefore particularly suitable for known arrangements for measuring a magnetic field of periodically fluctuating field strength, in which the light beam which has passed through the sensor device showing the Faraday effect in one direction again through the sensor device in the opposite direction goes through and then hits the beam splitter.
  • Such an arrangement is described, for example, in W. Bargmann, H. Winterhoff: “Measuring method for current measurement in high-voltage systems", in Technical Measurement, Vol. 50, No. 2, pages 69-77, 1983 Beam splitter body according to the invention specified improved such arrangement.
  • the invention is explained in more detail in the following description using the figures as an example. Show it:
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an exemplary embodiment of a beam splitter body according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an otherwise known arrangement for measuring a magnetic field of periodically fluctuating field strength with an inventive beam controller
  • Figure 3 shows a schematic representation of a conventional beam splitter cube
  • Figure 4 is a diagram showing the temperature response of the polarization of a beam splitter body according to the invention compared to that of a conventional beam splitter cube.
  • the beam splitter body 1 according to the invention shown in FIG. 1 and the conventional beam splitter cube 1 'shown in FIG. 3 are identical to the extent that body 1 and cube 1'
  • each have a refractive surface 10 or 10 'through which the light beam L enters the body 1 or cube 1', and - each has a partially transparent surface 11 or 11 'onto which the body 1 or cube 1 'entered light beam L at a certain angle of incidence ß, and
  • the light beam L is split into a reflected partial beam L1 and a transmitted partial beam L2 on the partially transparent surface 11 and 11 ', respectively.
  • the light intensity II guided in the reflected partial beam L1 and the light intensity 12 guided in the transmitted partial beam L2 together result in the neglect of intensity losses in the body 1 or cube 1 ', the light intensity I guided in the supplied light beam L.
  • the beam splitter body 1 according to the invention is arranged in the light beam L such that the light beam L which has entered the beam splitter body 1 through the refractive surface 10 strikes the partially transparent surface 11 at an angle of incidence ⁇ which is less than 45 °, preferably less than 22.5 ° is.
  • the conventional beam splitter cube 1 ' is arranged in the light beam L such that the light beam L which has entered the beam splitter cube 1' through the refractive surface 10 'strikes the partially transparent surface 11' at an angle of incidence ⁇ which is 45 °.
  • Partial beam L2 propagates in body 1 in the same direction R as light beam L in body 1.
  • the transmitted partial beam L2 propagates in the cube 1 'in the same direction RO' as the light beam L in the cube 1 '.
  • the partially transparent surface 11' is arranged at an angle ⁇ of 45 ° to the refractive surface 10 'through which the light beam L enters, and the light beam L strikes this refractive surface 10' perpendicularly, which is a side surface of the Cube is 1 '.
  • the refractive surface 10' is a vertical right side surface of the cube 1 ', relative to which the partially permeable surface 11' extends obliquely at an angle of 45 ° from the top right to the bottom left.
  • the light beam L is fed to the refractive surface 10 'in the horizontal direction R0' from the right and enters the cube 1 'unbroken, so that it also spreads in the cube' in the direction R0 '.
  • the reflected light beam L1 spreads vertically downward in the direction R1 and emerges unbroken from the lower horizontal side surface 12 'of the cube 1'.
  • the transmitted light beam L2 spreads horizontally to the left in the direction R0 'and emerges unbroken from the left vertical side surface 13' of the cube 1 '.
  • the partially transparent surface 11 is arranged at an angle ⁇ of 45 ° to the refractive surface 10 through which the light beam L enters.
  • this requirement has the advantage that the beam splitter body 1 according to the invention can be designed like a conventional beam splitter cube, for example the beam splitter cube 1 'according to FIG. 3, which only has to be arranged relative to the light beam L in such a way that the
  • Light beam L not perpendicular, but at an oblique angle of incidence ⁇ on the refractive surface 10 in the form of a side surface of this cube-shaped body 1 arranged at an angle ⁇ of 45 ° to the partially permeable surface 11, that it is broken on this surface 10 and as a broken one
  • Beam of the partially permeable surface 11 is supplied at an angle of incidence ⁇ which is less than 45 °.
  • the light beam L supplied to the cube-shaped beam splitter body 1 spreads from right to left in the direction R0, preferably horizontally or approximately horizontally.
  • the cube-shaped body 1 is arranged in the light beam L so that the partially transparent surface 11 is arranged vertically.
  • the refractive surface 10 of the body 1, which the light beam L strikes, is in particular the upper right side surface of the body 1, which extends obliquely at an angle of 45 ° to the partially transparent surface 11 from top left to bottom right.
  • the surface refracting on this 10 obliquely incident light beam L is refracted downwards at this and spreads obliquely downwards in the body 1 in the direction R to the partially transparent surface 11 and strikes this surface 11 at the angle of incidence ⁇ .
  • the light beam L 1 reflected on the partially transparent surface 11 spreads from the partially transparent layer 11 obliquely downwards in the direction R1 through the angle of reflection ⁇ and strikes the lower one, which extends obliquely at an angle of 45 ° to the partially transparent surface 11 from bottom left to top right right side surface 12 of the body 1, from which it emerges broken up. So that the reflected light beam L 1 can emerge from the side surface 12, may the supplied light beam L strikes the surface 10 at a not too great distance from the edge 112 at which the surfaces 10 and 12 meet.
  • the transmitted light beam L2 propagates in the body 1 from the partially transparent layer 11 in the direction R to the left and strikes the lower left side face 13 of the body 1 which extends obliquely at an angle of 45 ° to the partially transparent surface 11 from the bottom right to the top left , from which it emerges broken upwards.
  • the angle of incidence is always to be understood as that to the surface normal of the surface in question. The same applies to the angle of reflection.
  • the angle of incidence ⁇ of the light beam L on the partially transparent surface 11 is less than 22.5 ° and can be, for example, 19 °.
  • the cube-shaped beam splitter body 1 can be constructed like a conventional beam splitter cube, for example from two prisms, between which a dielectric or hybrid layer is formed, which defines the partially transparent surface 11.
  • the temperature is plotted on the abscissa and the polarization angle of the polarized light beam L is plotted on the ordinate.
  • the measuring point series I shows the temperature response of the polarization of the beam part according to the invention. body, the measuring point series II that of the conventional beam splitter cube. Measurements were taken on a MellesGriot 8 mm beam splitter cube, which was used both as a beam splitter body 1 according to the invention and as a conventional beam splitter cube 1 '.
  • the beam splitter body according to the invention in the temperature range between 15 ° C and . 50 ° C has no significant temperature response, while it is very strong in this area with the conventional beam splitter cube. A surprisingly good result.
  • FIG. 2 shows an embodiment of an arrangement according to the invention for measuring a magnetic field H in the form of a polarimetric current transformer with a back reflection arrangement, in which the magnetic field H is generated as an alternating field by an electrical alternating current flowing through a current conductor 20.
  • Effect-showing sensor device 2 is arranged, is coupled into a polarized light beam L.
  • the sensor device 2 has a light path 21 which wraps around the current conductor 20 and contains the Faraday effect material, for example a glass fiber coil, into which the light beam L is coupled and through which the coupled light beam L passes in a direction rl.
  • the Faraday effect material for example a glass fiber coil
  • the light beam L that has passed through the sensor device 2 in the one direction rl is reflected on a mirror 22 and the reflected light beam L again passes through the sensor device 2 in the direction r2 opposite to the one direction rl and then strikes a beam splitter 3.
  • the beam splitter 3 splits the supplied polarized light beam L into two polarized partial beams L1 and L2 , at least one of which is fed to an evaluation device 4.
  • the evaluation device 4 has, for example and as is known, a Wollaston prism 40 and, for example, two photodetectors 41 and 42, the signals of which are further processed in a known manner in the evaluation device (see, for example, the document Bargmann et al. Cited above), for example in one not shown evaluation circuit.
  • a light source 5 for example a semiconductor light source
  • a polarizer 6 for polarizing the unpolarized light beam L 'emerging from the light source 5 are provided.
  • Collimators 7 and 8 are provided for collimating the light beam L 'emerging divergent from the light source 5 and the divergent reflected light beam L emerging from the sensor device 2 and fed to the beam splitter 3.
  • the beam splitter 3 consists of a beam splitter body 1 according to the invention described above, the refractive surface 10 of which is supplied with the reflected light beam L which has passed through the sensor device 2 in the direction r2 and which is arranged with respect to this light beam L in such a way that the beam through the refractive surface 10 light beam L which has entered the beam splitter body 1 hits the partially transparent surface 11 at an angle of incidence ⁇ which is less than 45 °, for example 19 °.
  • this light beam L is split into a reflected partial beam L1 and a transmitted partial beam L2, of which at least one ner, preferably the reflected, the evaluation device 4 is supplied.
  • the beam splitter body 1 used is preferably cube-shaped.

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Abstract

Der erfindungsgemässe Strahlteilerkörper (1) ist anders als ein herkömmlicher Strahlteilerwürfel derart im Lichtstrahl (L) angeordnet, dass der durch eine brechende Fläche (10) in den Strahlteilerkörper (1) eingetretene Lichtstrahl (L) unter einem Einfallswinkel (β) auf die teildurchlässige Fläche (11) trifft, der kleiner als 45°, vorzugsweise kleiner als 22,5° ist. Vorteil: Polarisationsneutralität und Temperaturunempfindlichkeit. Vorteilhafte Anwendung bei Stromwandlern mit Rückreflexionsanordnung.

Description

Beschreibung
Strahlteilerkörper zum Aufspalten eines Lichtstrahls und Anordnung zur Messung eines periodisch schwankenden Magnetfel- des mit einem solchen Strahlteilerkörper
Die Erfindung betrifft einen Strahlteilerkörper zum Aufspalten eines Lichtstrahls nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Anordnung zur Messung eines periodisch schwankenden Magnetfeldes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
Strahlteilerkörper der genannten Art sind allgemein bekannt. Das gängigste Beispiel ist ein Strahlteilerwürfel, bei dem eine die teildurchlässige Fläche definierende dielektrische oder hybride Schicht zwischen zwei für den Lichtstrahl transparenten Prismen angeordnet ist, die gemeinsam einen Würfel bilden.
Die teildurchlässige Fläche dieses Strahlteilerwürfels er- streckt sich von einer Seitenkante zu einer diagonal gegenüberliegenden Seitenkante des Würfels. Eine brechende Fläche, durch die der Lichtstrahl in den Strahlteilerwürfel eintritt, ist durch eine Seitenfläche des Würfels gegeben, die an eine dieser beiden Kanten grenzt und mit der teildurchlässigen Fläche einen Winkel von 45° einschließt.
Der aufzuspaltende Lichtstrahl trifft senkrecht auf diese brechende Fläche, so daß er ungebrochen in den Würfel eintritt und im Winkel von 45° auf die teildurchlässige Fläche trifft. Der an der teildurchlässigen Fläche reflektierte
Teilstrahl des eingetretenen Lichtstrahls wird im Winkel von 90° zum eingetretenen Lichtstrahl reflektiert und trifft senkrecht auf eine Seitenfläche des Würfels, aus der er ungebrochen austritt. Der durchgelassene Teilstrahl des eingetre- tenen Lichtstrahls trifft ebenfalls senkrecht auf eine Seitenfläche des Würfels, aus der er senkrecht austritt. Ein derartiger Strahlteilerwürfel ist beispielsweise bei solchen bekannten Anordnungen zur Messung eines periodisch schwankenden Magnetfeldes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4 von Vorteil, bei denen der durch die Sensoreinrichtung in einer Richtung hindurchgegangene polarisierte Lichtstrahl erneut in der entgegengesetzten Richtung durch die Sensoreinrichtung hindurchgeht und danach auf dem Strahlteiler zur Aufspaltung trifft, weil bei Ausführung des Strahlteilers in Form des Strahlteilerwürfels dieser Strahlteiler bidirektio- nal benutzt werden kann, d.h. es können sowohl der zur Sensoreinrichtung geführte als auch der von der Sensoreinrichtung zurückkommende Lichtstrahl durch den Strahlteiler hindurchgehen .
Bei einem Strahlteiler mit einer teildurchlässigen Fläche, bei der die Strahlaufspaltung auf der teilweisen Reflexion an einem dielektrischen Übergang basiert, ist aufgrund der physikalischen Gesetze der Reflexion der Reflexionsgrad bei einem schrägen Einfallswinkel von 45° des polarisierten Licht- Strahls bezüglich der teildurchlässigen Fläche von der Polarisation abhängig.
Zur Beseitigung oder Dämpfung der Polarisationsabhängigkeit ist bei kommerziellen Strahlteilern mit hybrider Grenzschicht versucht worden, die Bestandteile der Grenzschicht - Metalle und Dielektrika - so zu vermischen, daß die Polarisationsänderung minimal wird. Da sich jedoch die verschiedenen Materialeigenschaf en mit der Temperatur ändern, ist es nahezu unmöglich, einen in weiten Bereichen polarisationsneutralen Strahlteiler zu realisieren.
Durch den im Anspruch 1 angegebenen Strahlteilerkörper ist vorteilhafterweise ein weitgehend polarisationsneutraler und temperaturunempfindlicher Strahlteiler realisierbar.
Je kleiner bei dem erfindungsgemäßen Strahlteilerkörper der Einfallswinkel des Lichtstrahls bezüglich der teildurchlässi- gen Fläche ist, desto polarisationsneutraler und temperaturunempfindlicher wird dieser Strahlteilerkörper.
In Fällen, bei denen der von der teildurchlässigen Fläche reflektierte Teilstrahl nicht vom zugeführten Lichtstrahl getrennt werden muß, kann der Einfallswinkel null sein, d.h. der Lichtstrahl kann senkrecht auf die teildurchlässige Fläche treffen. Dies ist im Hinblick auf die Polarisationsneutralität und Temperaturunempfindlichkeit der günstigste Fall.
In Fällen, bei denen der von der teildurchlässigen Fläche reflektierte Teilstrahl und der zugeführte Lichtstrahl voneinander getrennt werden müssen, ist eine untere Grenze für den Einfallswinkel dadurch gegeben, daß noch eine Trennung dieser beiden Strahlen erfolgt.
Bevorzugterweise ist der Strahlteilerkörper so im Lichtstrahl angeordnet, daß der Einfallswinkel des Lichtstrahls bezüglich der teildurchlässigen Fläche kleiner als 22,5° ist (Anspruch 2) .
Die teildurchlässige Fläche ist vorzugsweise schräg in einem Winkel zur brechenden Fläche angeordnet, durch die der Lichtstrahl in den Körper eintritt, wobei dieser Winkel weitgehend beliebig gewählt werden kann. Wird dieser Winkel ausreichend kleiner als 45° gewählt, so kann der Lichtstrahl senkrecht auf die brechende Fläche auftreffen, so daß er ungebrochen in den Körper eintritt.
Die teildurchlässige Fläche und die brechende Fläche können auch parallel zueinander sein. Auch in diesem Fall kann der Lichtstrahl senkrecht auf die brechende Fläche treffen, wenn der an der teildurchlässigen Fläche reflektierte Teilstrahl des zugeführten Lichtstrahls nicht von diesem getrennt werden muß. Andernfalls muß der Lichtstrahl unter einem schrägen Einfallswinkel auf die zu brechende Fläche treffen. Vorteilhaft ist es, wenn die teildurchlässige Fläche in einem Winkel von 45° zur brechenden Fläche angeordnet ist und der Lichtstrahl in einem schrägen Einfallswinkel auf die brechende Fläche trifft (Anspruch 3) . In diesem Fall kann der erfin- dungsgemäße Strahlteilerkörper wie ein bekannter Strahlteilerwürfel ausgebildet sein, er ist nur anders als bisher orientiert zum Lichtstrahl anzuordnen.
Der erfindungsgemäße Strahlteilerkörper ist vorteilhaft in einer bekannten Anordnung zur Messung eines Magnetfeldes periodisch schwankender Feldstärke nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4 als Strahlteiler verwendbar und bringt bei dieser Anordnung den Vorteil der Polarisationsneutralität und Temperaturempfindlichkeit des Strahlteilers. Demgemäß weist eine derartige Anordnung zur Messung eines Magnetfeldes periodisch schwankender Feldstärke die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 4 angegebenen Merkmale auf .
Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung nach Anspruch 4 sind in den Ansprüchen 5 und 6 angegeben und betreffen die Maßnahmen nach den Ansprüchen 2 und 3.
Der erfindungsgemäße Strahlteilerkörper ist wie der herkömmlich verwendete Strahlteilerwürfel bidirektional verwendbar und daher besonders für bekannte Anordnungen zur Messung eines Magnetfeldes periodisch schwankender Feldstärke geeignet, bei denen der durch die den Faraday-Effekt zeigende Sensoreinrichtung in einer Richtung hindurchgegangenen Lichtstrahl erneut in der entgegengesetzten Richtung durch die Sensoreinrichtung hindurchgeht und danach auf den Strahlteiler trifft. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in W. Bargmann, H. Winterhoff: „ Meßverfahren zur Strommessung in Hochspannungsanlagen", in Technisches Messen, Vol. 50, Nr. 2, Seiten 69 - 77, 1983, beschrieben. Im Anspruch 7 ist eine durch einen erfindungsgemäßen Strahlteilerkörper verbesserte derartige Anordnung angegeben. Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 in schematischer Darstellung ein Ausführungsbei- spiel eines erfindungsgemäßen Strahlteilerkörpers,
Figur 2 in schematischer Darstellung eine ansonsten bekannte Anordnung zur Messung eines Magnetfeldes periodisch schwankender Feldstärke mit einem erfin- dungsgemäßen Strahlteuer,
Figur 3 in schematischer Darstellung einen herkömmlichen Strahlteilerwürfel und
Figur 4 ein Diagramm, welches den Temperaturgang der Polarisation eines erfindungsgemäßen Strahlteilerkörpers im Vergleich zu dem eines herkömmlichen Strahlteilerwürfels zeigt.
Die Figuren sind nicht maßstäblich.
Der in der Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Strahlteilerkörper 1 und der in der Figur 3 dargestellte herkömmliche Strahlteilerwürfel 1' sind insoweit gleich, als Körper 1 und Würfel 1'
- jeweils aus einem für den aufzuspaltenden Lichtstrahl L transparenten Material bestimmter Brechzahl n bestehen,
- jeweils eine brechende Fläche 10 bzw. 10', durch die der Lichtstrahl L in den Körper 1 bzw. Würfel 1' eintritt, und - jeweils eine teildurchlässige Fläche 11 bzw. 11' aufweist, auf die der in den Körper 1 bzw. Würfel 1' eingetretene Lichtstrahl L in einem bestimmten Einfallswinkel ß trifft, und
- jeweils an der teildurchlässigen Fläche 11 bzw. 11' der Lichtstrahl L in einen reflektierten Teilstrahl Ll und einen durchgelassenen Teilstrahl L2 aufgespalten wird. Die im reflektierten Teilstrahl Ll geführte Lichtintensität II und die im durchgelassenen Teilstrahl L2 geführte Lichtintensität 12 ergeben bei Vernachlässigung von Intensitätsverlusten im Körper 1 bzw. Würfel 1' zusammen die im zugeführten Lichtstrahl L geführte Lichtintensität I.
Der erfindungsgemäße Strahlteilerkörper 1 und der herkömmliche Strahlteilerwürfel 1' sind in der Figur 1 bzw. Figur 3 jeweils so dargestellt, daß sowohl die brechende Fläche 10 bzw. 10' als auch die teildurchlässige Fläche 11 bzw. 11' senkrecht zur Zeichenebene steht und sich der Lichtstrahl L, der reflektierte Teilstrahl Ll und der durchgelassene Teilstrahl L2 sowohl in als außerhalb des Körpers 1 bzw. Würfels 1' in einer gemeinsamen Ebene ausbreiten, die parallel zur Zeichenebene ist .
Der erfindungsgemäße Strahlteilerkörper 1 ist derart im Lichtstrahl L angeordnet, daß der durch die brechende Fläche 10 in den Strahlteilerkörper 1 eingetretene Lichtstrahl L un- ter einem Einfallswinkel ß auf die teildurchlässige Fläche 11 trifft, der kleiner als 45°, vorzugsweise kleiner als 22,5° ist .
Im Gegensatz dazu ist der herkömmliche Strahlteilerwürfel 1' so im Lichtstrahl L angeordnet, daß der durch die brechende Fläche 10' in den Strahlteilerwürfel 1' eingetretene Lichtstrahl L unter einem Einfallswinkel ß auf die teildurchlässige Fläche 11' trifft, der gleich 45° ist.
Beim erfindungsgemäßen Strahlteilerkörper 1 breiten sich der in den Körper 1 eingetretene Lichtstrahl L und der an der teildurchlässigen Fläche 11 reflektierte Teilstrahl Ll im Körper 1 in voneinander verschiedenen Richtungen R und Rl aus die den Winkel 2ß zwischen sich einschließen, der kleiner als 90°, vorzugsweise kleiner als 45° ist. Der durchgelassene
Teilstrahl L2 breitet sich im Körper 1 in der gleichen Richtung R wie der Lichtstrahl L im Körper 1 aus. Beim herkömmlichen Strahlteilerwürfel 1' breiten sich der in den Würfel 1' eingetretene Lichtstrahl L und der an der Teil- durchlässigen Fläche 11' reflektierte Teilstrahl Ll im Würfel 1 ' in voneinander verschiedenen Richtungen RO ' und Rl ' aus die den Winkel 2ß = 90° zwischen sich einschließen. Der durchgelassene Teilstrahl L2 breitet sich im Würfel 1' in der gleichen Richtung RO ' wie der Lichtstrahl L im Würfel 1' aus.
Beim herkömmlichen Strahlteilerwürfel 1' ist die teildurchlässige Fläche 11' in einem Winkel α von 45° zur brechenden Fläche 10', durch die der Lichtstrahl L eintritt, angeordnet, und der Lichtstrahl L trifft senkrecht auf diese brechende Fläche 10', die eine Seitenfläche des Würfels 1' ist.
In der gegebenen Darstellung des Würfels 1' ist die brechende Fläche 10' eine vertikale rechte Seitenfläche des Würfels 1', relativ zu der sich die teildurchlässige Fläche 11' schräg im Winkel von 45° von rechts oben nach links unten erstreckt.
Der Lichtstrahl L ist der brechenden Fläche 10' in horizontaler Richtung R0 ' von rechts zugeführt und tritt ungebrochen in den Würfel 1' ein, so daß er sich auch im Würfel' in der Richtung R0 ' ausbreitet. Der reflektierte Lichtstrahl Ll breitet sich in Richtung Rl ' vertikal nach unten aus und tritt ungebrochen aus der unteren horizontalen Seitenfläche 12' des Würfels 1' aus. Der durchgelassene Lichtstrahl L2 breitet sich in der Richtung R0 ' horizontal nach links aus und tritt ungebrochen aus der linken vertikalen Seitenfläche 13' des Würfels 1' aus.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Strahlteilerkörpers 1 ist wie beim herkömmlichen Strahlteilerwürfel 1' die teildurchlässige Fläche 11 in einem Winkel α von 45° zur brechenden Fläche 10, durch die der Lichtstrahl L eintritt, angeordnet. Obgleich nicht notwendig, hat diese Maßgabe den Vorteil, daß der erfindungsgemäße Strahlteilerkörper 1 wie ein herkömmlicher Strahlteilerwürfel, beispielsweise der Strahlteilerwürfel 1' nach Figur 3, ausgebildet sein kann, der lediglich re- lativ zum Lichtstrahl L so angeordnet werden muß, daß der
Lichtstrahl L nicht senkrecht, sondern in einem schrägen Einfallswinkel γ auf die brechende Fläche 10 in Form einer im Winkel α von 45° zur teildurchlässigen Fläche 11 angeordneten Seitenfläche dieses würfelförmigen Körpers 1 trifft, daß er an dieser Fläche 10 gebrochen wird und als gebrochener
Strahl der teildurchlässigen Fläche 11 unter einem Einfallswinkel ß zugeführt wird, der kleiner als 45° ist.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 breitet sich der dem würfelförmigen Strahlteilerkörper 1 zugeführte Lichtstrahl L von rechts nach links in der Richtung R0 aus, vorzugsweise horizontal oder annähernd horizontal. Der würfelförmige Körper 1 ist im Lichtstrahl L so angeordnet, daß die teildurchlässige Fläche 11 vertikal angeordnet ist. Die brechende Flä- ehe 10 des Körpers 1, auf die der Lichtstrahl L trifft, ist speziell die sich schräg im Winkel von 45° zur teildurchlässige Fläche 11 von links oben nach rechts unten erstreckende obere rechte Seitenfläche des Körpers 1. Der auf diese brechende Fläche 10 schräg auftreffende Lichtstrahl L wird an dieser nach unten gebrochen und breitet sich im Körper 1 schräg nach unten in der Richtung R zur teildurchlässigen Fläche 11 aus und trifft unter dem Einfallswinkel ß auf diese Fläche 11.
Der an der teildurchlässigen Fläche 11 reflektierte Lichtstrahl Ll breitet sich von der teildurchlässigen Schicht 11 unter dem Ausfallwinkel ß in Richtung Rl schräg nach unten aus und trifft auf die sich schräg im Winkel von 45° zur teildurchlässige Fläche 11 von links unten nach rechts oben erstreckende untere rechte Seitenfläche 12 des Körpers 1, aus der er nach oben gebrochen austritt. Damit der reflektierte Lichtstrahl Ll aus der Seitenfläche 12 austreten kann, darf der zugeführte Lichtstrahl L in einem nicht zu großen Abstand von der Kante 112, an der die Flächen 10 und 12 zusammenstoßen, auf die Fläche 10 auftreffen.
Der durchgelassene Lichtstrahl L2 breitet sich im Körper 1 von der teildurchlässigen Schicht 11 in der Richtung R nach links aus und trifft auf die sich schräg im Winkel von 45° zur teildurchlässige Fläche 11 von rechts unten nach links oben erstreckende untere linke Seitenfläche 13 des Körpers 1, aus der er nach oben gebrochen austritt.
Unter Einfallswinkel ist stets der zur Flächennormale der betreffenden Fläche zu verstehen. Das gleiche gilt für den Ausfallswinkel .
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Einfallswinkel ß des Lichtstrahls L auf die teildurchlässige Fläche 11 kleiner als 22,5° und kann beispielsweise 19° betragen.
Der würfelförmige Strahlteilerkörper 1 kann wie ein herkömmlicher Strahlteilerwürfel aufgebaut sein, beispielsweise aus zwei Prismen, zwischen denen eine dielektrische oder hybride Schicht ausgebildet ist, welche die teildurchlässige Fläche 11 definiert.
Das Diagramm nach Figur 4 zeigt den Temperaturgang der Polarisation eines erfindungsgemäßen Strahlteilerkörpers 1, bei dem der Lichtstrahl L im Einfallswinkel ß = 19° auf die teildurchlässige Fläche 11 trifft, im Vergleich zu einem herkömm- liehen Strahlteilerwürfel 1' , bei dem der Lichtstrahl L im Einfallswinkel ß = 45° auf die teildurchlässige Fläche 11' trifft.
Im Diagramm ist auf der Abszisse die Temperatur und auf der Ordinate der Polarisationswinkel des polarisierten Lichtstrahls L aufgetragen. Die Messpunktreihe I zeigt den Temperaturgang der Polarisation des erfindungsgemäßen Strahltei- lerkörpers, die Messpunktreihe II den des herkömmlichen Strahlteilerwürfels. Gemessen wurde an einem Strahlteilerwürfel MellesGriot 8 mm, der sowohl als erfindungsgemäßer Strahlteilerkörper 1 als auch als herkömmlicher Strahlteiler- würfel 1' eingesetzt wurde.
Deutlich ist zu erkennen, daß der erfindungsgemäße Strahlteilerkörper im Temperaturbereich zwischen 15 °C und.50 °C keinen wesentlichen Temperaturgang aufweist, während er in diesem Bereich beim herkömmlichen Strahlteilerwürfel sehr stark ist. Ein überraschend gutes Ergebnis.
In der Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungs- gemäßen Anordnung zur Messung eines Magnetfeldes H in Form eines polarimetrischen Stromwandlers mit Rückreflexionsanord- nung, bei welchem das Magnetfeld H von einem durch einen Stromleiter 20 fließenden elektrischen Wechselstrom als Wechselfeld erzeugt wird.
Bei dieser Anordnung ist im Magnetfeld H eine den Faraday-
Effekt zeigenden Sensoreinrichtung 2 angeordnet, in ein polarisierter Lichtstrahl L eingekoppelt wird. Die Sensoreinrichtung 2 weist einen den Stromleiter 20 umschlingenden und den Faraday-Effekt zeigendes Material enthaltenden Lichtweg 21, beispielsweise eine Glasfaserspule, auf, in den der Lichtstrahl L eingekoppelt wird und durch den der eingekoppelte Lichtstrahl L in einer Richtung rl hindurchgeht.
Der durch die Sensoreinrichtung 2 in der einen Richtung rl hindurchgegangene Lichtstrahl L wird an einem Spiegel 22 reflektiert und der reflektierte Lichtstrahl L geht erneut in der zur einen Richtung rl entgegengesetzten Richtung r2 durch die Sensoreinrichtung 2 hindurch und trifft danach auf einen Strahlteiler 3.
Der Strahlteiler 3 spaltet den zugeführten polarisierten Lichtstrahl L in zwei polarisierte Teilstrahlen Ll und L2 auf, von denen wenigstens einer einer Auswerteeinrichtung 4 zugeführt ist.
Die Auswerteeinrichtung 4 weist beispielsweise und bekannter- maßen ein Wollaston-Prisma 40 und beispielsweise zwei Photodetektoren 41 und 42 auf deren Signale in der Auswerteeinrichtung auf bekannte Art und Weise weiterverarbeitet werden (siehe beispielsweise oben zitiertes Dokument Bargmann et al . ) , beispielsweise in einer nicht gezeigten Auswerteschal- tung.
Zur Erzeugung des polarisierten Lichtstrahls L sind beispielsweise eine Lichtquelle 5, beispielsweise eine Halbleiterlichtquelle, und ein Polarisator 6 zum Polarisieren des aus der Lichtquelle 5 austretenden unpolarisierten Lichtstrahls L' vorgesehen.
Zum Kollimieren des divergent aus der Lichtquelle 5 austretenden Lichtstrahls L' und des divergent aus der Sensorein- richtung 2 austretenden und dem Strahlteiler 3 zugeführten reflektierten Lichtstrahls L sind Kollimatoren 7 und 8 vorgesehen.
Erfindungsgemäß besteht der Strahlteiler 3 aus einem oben be- schriebenen erfindungsgemäßen Strahlteilerkörper 1, dessen brechender Fläche 10 der in der Richtung r2 durch die Sensoreinrichtung 2 hindurchgegangene reflektierte Lichtstrahl L zugeführt ist und der in bezug auf diesen Lichtstrahl L so angeordnet ist, daß der durch die brechende Fläche 10 in den Strahlteilerkörper 1 eingetretene Lichtstrahl L in einem Einfallswinkel ß auf die teildurchlässige Fläche 11 trifft, der kleiner als 45° ist, beispielsweise 19° beträgt.
An der teildurchlässige Fläche 11 wird dieser Lichtstrahl L in einen reflektierten Teilstrahl Ll und einen durchgelassenen Teilstrahl L2 aufgespalten wird, von denen wenigstens ei- ner, vorzugsweise der reflektierte, der Auswerteeinrichtung 4 zugeführt ist.
Vorzugsweise ist der verwendete Strahlteilerkörper 1 würfel- förmig.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung treten mit einem Temperaturgang der Polarisation des Lichtstrahls im Strahlteiler 3 verbundene Probleme nicht mehr auf .

Claims

Patentansprüche
1. Strahlteilerkörper (1) zum Aufspalten eines Lichtstrahls (L) in zwei Teilstrahlen (Ll; L2) , wobei der Strahlteiler- körper (1)
- aus einem für den Lichtstrahl (L) transparenten Material besteht, und
- eine brechende Fläche (10) , durch die der Lichtstrahl (L) in den Strahlteilerkörper (1) eintritt, sowie - eine teildurchlässige Fläche (11) aufweist, auf die der in den Strahlteilerkörper (1) eingetretene Lichtstrahl (L) in einem bestimmten Einfallswinkel (ß) trifft und an welcher der Lichtstrahl (L) in einen reflektierten Teilstrahl (Ll) und einen durchgelassenen Teilstrahl (L2) aufgespalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteilerkörper
(1) derart im Lichtstrahl (L) angeordnet ist, daß der durch die brechende Fläche (10) in den Strahlteilerkörper (1) eingetretene Lichtstrahl (L) unter einem Einfallswinkel (ß) auf die teildurchlässige Fläche (11) trifft, der kleiner als 45° ist.
2 . Strahlteilerkörper ( 1 ) nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Einfallswinkel (ß) kleiner als 22 , 5 ° ist .
3. Strahlteilerkörper (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die teildurchlässige Fläche (11) in einem Winkel (α) von 45° zur brechenden Fläche (10) angeordnet ist und der Lichtstrahl (L) in einem schrägen Einfalls- winkel (γ) auf die brechende Fläche (10) trifft.
4. Anordnung zur Messung eines Magnetfeldes (H) , die
- eine im Magnetfeld (H) angeordnete, den Faraday-Effekt zeigenden Sensoreinrichtung (2) zum Einkoppeln eines polarisier- ten Lichtstrahls (L) in die Sensoreinrichtung (2) , wobei der Lichtstrahl (L) zumindest einmal durch die Sensoreinrichtung
(2) hindurchgeht, und - einen Strahlteiler (3) aufweist, dem der durch die Sensoreinrichtung (2) hindurchgegangene Lichtstrahl (L) zugeführt ist und der den zugeführten polarisierten Lichtstrahl (L) in zwei polarisierte Teilstrahlen (Ll, L2) aufspaltet, von denen wenigstens einer einer Auswerteeinrichtung (4) zugeführt ist , dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (3) aus einem Strahlteilerkörper (1) besteht, der
- aus einem für den Lichtstrahl (L) transparenten Material besteht, und
- eine brechende Fläche (10) , durch die der durch die Sensoreinrichtung (2) hindurchgegangene Lichtstrahl (L) in den Strahlteilerkörper (1) eintritt, sowie
- eine teildurchlässige Fläche (11) aufweist, auf die der in den Strahlteilerkörper (1) eingetretene Lichtstrahl (L) in einem bestimmten Einfallswinkel (ß) trifft und an welcher der Lichtstrahl (L) in einen reflektierten Teilstrahl (Ll) und einen durchgelassenen Teilstrahl (L2) aufgespalten wird, von denen wenigstens einer der Auswerteeinrichtung (4) zugeführt ist, wobei
- der Strahlteilerkörper (1) derart im Lichtstrahl (L) angeordnet ist, daß der durch die brechende Fläche (10) in den Strahlteilerkörper (1) eingetretene Lichtstrahl (L) in einem Einfallswinkel (ß) auf die teildurchlässige Fläche (11) trifft, der kleiner als 45° ist.
5 Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der schräge Einfallswinkel (ß) kleiner als 22,5° ist .
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß die teildurchlässige Fläche (11) in einem Winkel (α) von 45° zur brechenden Fläche (10) angeordnet ist und der Lichtstrahl (L) in einem schrägen Einfallswinkel (γ) auf die brechende Fläche (10) trifft.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Sensoreinrichtung (2) in einer Richtung (rl) hindurchgegangene Lichtstrahl (L) erneut in der entgegengesetzten Richtung (r2) durch die Sensoreinrichtung (2) hindurchgeht und danach auf den Strahlteilerkörper (1) trifft.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5295019A (en) * 1992-01-17 1994-03-15 Allied-Signal Inc. Method and apparatus for color separation with an optical slab and roof prism
WO1995010045A1 (de) * 1993-10-01 1995-04-13 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und anordnung zum messen eines elektrischen stromes mit zwei gegenläufigen lichtsignalen unter ausnutzung des faraday-effekts
EP0740477A1 (de) * 1995-04-28 1996-10-30 THOMSON multimedia Vorrichtung zur Polarisationstrennung und Anwendung für ein Beleuchtungssystem eines Flüssigkristallschirms

Patent Citations (3)

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