DE3541027C2

DE3541027C2 -

Info

Publication number: DE3541027C2
Application number: DE3541027A
Authority: DE
Inventors: Masanori Tenri Nara Jp Watanabe
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1984-11-21
Filing date: 1985-11-19
Publication date: 1988-01-21
Also published as: GB8528724D0; GB2167554B; DE3541027A1; JPS61124834A; US4948255A; GB2167554A

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Sensoreinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Fig. 1 zeigt eine bekannte optische Sensoreinrichtung (DE-OS 31 29 847). Die Einrichtung besitzt zwischen Polarisatoren 1 und 4 ein Sensormaterial 2 und ein Viertelwellen-Plättchen 3, so daß sich der Lichtstrom der austretenden Strahlen nach Maßgabe der Änderungen des Sensormaterials 2 ändert. Speziell ändert sich der Lichtstrom der austretenden Strahlen nach Maßgabe der Phasenverzögerung R zwischen zwei polarisierten Strahlen, die durch die Doppelbrechung des Sensormaterials 2 erzeugt werden. Wenn in dem Sensor 2 keine geeignete Doppelbrechung stattfindet, beginnt die Phasenverzögerung R abhängig von der bei 0 beginnenden Änderung des physikalischen Volumens selbst bei 0°. Da die Änderung des Lichtstroms maximal ist bei R = 90°, ist, um die Empfindlichkeit unabhängig von dem Sensormaterial 2 optimal zu machen, in die optische Sensoreinrichtung ein Element eingefügt, welches eine Phasenverzögerung von 90° hervorruft. Dieses Element ist hier das Viertelwellen- Plättchen 3.

Als Viertelwellen-Plättchen 3 kommen verschiedene Materialien mit geeigneter Doppelbrechung und spezieller Dicke in Betracht, so z. B. Kristallplättchen, Glimmerplättchen, Kalzitplättchen, Rutilplättchen u. dgl. als hochgenaue Viertelwellenplättchen. Diese sind jedoch sehr teuer.

Aus der US-PS 32 67 932 ist in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein optischer Katheder bekannt, bei dem das Reflektorelement als Scheibe ausgebildet ist, auf die das aus dem Sensorelement schräg austretende Licht fällt und nach Reflexion wieder in das Sensorelement eintritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Sensoreinrichtung zu schaffen, die trotz eines ziemlich vereinfachten Aufbaus zuverlässig und genau zu arbeiten vermag.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung zielt also darauf ab, eine ideale Phasen- Grund- oder Vorverschiebung zu schaffen, um eine optimale Empfindlichkeit einer optischen Sensoreinrichtung zu ermöglichen. Dies geschieht durch die Einfügung eines Elements, welches bewirkt, daß der Strahlengang um 180° umgelenkt wird, und zwar durch zweimalige Totalreflexion.. Es ergibt sich eine Einrichtung, die kostengünstig hergestellt werden kann, kompakt aufgebaut ist, präzise arbeitet und leicht handhabbar ist. Die Einrichtung erfordert weder ein Viertelwellen-Plättchen noch einen "Fresnel-Rhombus"!

Aus der US-PS 37 97 940 ist ein Refraktometer bekannt, welches in einer möglichen Ausführungsform ein Rechtwinkelprisma (dachförmiges Prisma) aufweist, dessen total reflektierende Flächen eine Phasenverschiebung um 180° bewirken. Allerdings handelt es sich dabei nicht um eine Sensoreinrichtung der hier in Rede stehenden Art. Der Prüfling bei dem bekannten Refraktometer besitzt einen einfachen Brechungsindex n, während das erfindungsgemäße Sensorelement durch Doppelbrechung gekennzeichnet ist. Während bei der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung die Lage des Strahls stets stabil ist, schwankt sie bei dem Refraktometer abhängig vom Brechungsindex des Prüflings. Insoweit konnte der US-PS 37 97 940 keine Anregung in Richtung der Erfindung entnommen werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Reflektorelement um ein Rechtwinkel-Prisma, obschon auch andere Prismenformen möglich sind sind, die eine entsprechende Änderung des Strahlenwegs hervorrufen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Skizze einer herkömmlichen optischen Sensoreinrichtung, allerdings ohne Reflektorelement,

Fig. 2 eine vereinfachte Skizze eines herkömmlichen Fresnel-Rhombus,

Fig. 3 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Sensoreinrichtung,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht, welche die Beziehung zwischen den Hauptbauteilen der Einrichtung nach Fig. 3 veranschaulicht, und

Fig. 5 eine Skizze einer weiteren Ausführungsform einer optischen Sensoreinrichtung.

Fig. 3 zeigt anhand eines vereinfachten Blockdiagramms einen Drucksensor als Haupt-Ausführungsbeispiel der Sensoreinrichtung. Von einer Lichtquelle 11 kommende Lichtstrahlen gelangen durch eine optische Faser 12 und eine Stablinse 13 sowie einen Polarisator 14 und durchlaufen ein Sensorelement in Form photoelastischen (spannungsoptischen) Materials 15 sowie ein Rechtwinkel-Prisma 16. Durch zweimalige Reflexion in dem Rechtwinkel- Prisma 16 erreichen die Lichtstrahlen nach Durchlaufen des photoelastischen Materials 15, des Polarisators 14, einer weiteren Stablinse 17 und einer weiteren optischen Faser 18 einen Photodetektor 19. Auf das photoelastische Material 15 aufgebrachter Druck wird gemessen als Änderung des den Photodetektor 19 erreichenden Strahlvolumens.

Für das photoelastische Material 15 steht eine Vielfalt von Stoffen zur Verfügung, darunter Glas, GaP, LiNbO₃, LiTaO₃, ZnSe, Epoxyharz, Diallylphthalat (DAP), Acrylharz, Polykarbonat, Silikonharz. Es ist wünschenswert, daß auf das photoelastische Material kein hydrostatischer Druck einwirkt, es kann jedoch gegenüber der Polarisationsachse des Polarisators 14 um 45° gekippt sein. Das photoelastische Material 15 und das Rechtwinkel-Prisma 16 erzeugen eine spezifische Phasenverzögerung zwischen zwei einander unter rechtem Winkel kreuzenden polarisierten Strahlen. Die Polarisator-Platte 14 bewirkt, daß die Phasen der zwei polarisierten Strahlen korrekt übereinstimmen, wenn diese einfallenden polarisierten Strahlen einander unter rechten Winkeln kreuzen. Die Polarisator-Platte 14 gibt nach außen Strahlen ab, die jeweils eine spezielle Intensität aufweisen, und zwar entsprechend der Phasenverzögerung, die von dem photoelastischen Material 15 und dem Rechtwinkel-Prisma 16 erzeugt wird.

Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Polarisator- Platte 14, dem photoelastischen Material 15 und dem Rechtwinkel-Prisma 16. Die Lagebeziehung gemäß Fig. 4 wird bestimmt, indem man die Beziehung zwischen dem polarisierten Strahl und den drei Elementen berücksichtigt.

Es sei folgendes angenommen: Ein polarisierter Strahl, dessen elektrisches Feld parallel zu der sowohl das einfallende als auch das austretende Licht enthaltenden Einfallebene schwingt, sei eine Welle P; und der polarisierte Strahl, welcher die Welle P unter rechten Winkeln kreuzt, sei eine Welle S. Mit dieser Annahme kann man das durch die Polarisator-Platte 14 einfallende Licht als Eingangssignal betrachten, bei dem die Wellen P und S mit einander identischen Phasen einander überlappen. Wird dieses einfallende Licht in das photoelastische Element 15 eingegeben, welches parallel zur Schwingungsrichtung entweder der Welle P oder der Welle S belastet wird, so wird zwischen den Wellen P und S proportional zur Belastungsstärke eine spezifische Phasenverzögerung hervorgerufen. Durch die Schwankungen der Phasenverzögerung verursachte Lichtintensitäts- Schwankungen hängen ebenfalls ab von dem Verhältnis der Lichtintensitäten der Wellen P und S. Wenn das Verhältnis der Lichtintensitäten zwischen der Welle P und der Welle S 1 : 1 beträgt, wird das Maß der Schwankungen der Lichtintensität maximal. Dies läßt sich erreichen, indem man die Polarisationsachse des Polarisators 14 gegenüber der Einfallebene in einem Winkel von 45° anordnet. Hat jedoch die Polarisationsachse der Polarisator-Platte 14 gegenüber der Einfallebene einen Winkel von entweder 0° oder 90°, so reduziert sich die Lichtintensität entweder der Welle P oder der Welle S auf Null, so daß das Rechtwinkel- Prisma 16 nicht als eine Phasen-Grundverschiebung hervorrufendes Element arbeitet, sondern lediglich als Spiegel fungiert. Es ist daher in Zusammenhang mit dem Rechtwinkel-Prisma 16 von äußerster Wichtigkeit, daß die Polarisationsachse der Polarisator-Platte 14 gegenüber der Einfallebene in irgendeinem Winkel angeordnet ist, der von 0° und von 90° verschieden ist. Die oben angegebenen Bedingungen für die Maximierung der Schwankungen der Lichtintensität des photoelastischen Materials 15 sind auch nützlich für das Rechtwinkel- Prisma 16 und können einfach erreicht werden. Da die Bedingung für den polarisierten Strahl bezüglich der durch das photoelastische Material 15 und das Rechtwinkel-Prisma erzeugten Phasenverzögerung variabel ist, wenn der Strahl erneut durch die Polarisator- Platte 14 hindurchtritt, bestimmt sich die Intensität der austretenden Strahlen durch die Phasenverzögerung. Im folgenden werden weitere Einzelheiten der durch das Rechtwinkel-Prisma 16 hervorgerufenen Phasenverzögerung erläutert. Bei zwei totalreflektierten Strahlen hat die Phasenverzögerung zwischen zwei Wellen P und S allgemein die durch nachstehende Gleichung angegebene Beziehung

wobei n der Brechungsindex des Rechtwinkel-Prismas 16 und Φ der Einfallwinkel des Lichts gegenüber der auf der Licht reflektierenden Fläche senkrecht stehenden Linie ist.

Normalerweise wird das Rechtwinkel-Prisma 16 mit einem Winkel Φ von 45° eingesetzt. Dadurch ergibt sich folgende Gleichung:

Wie oben erläutert wurde, eignet sich eine Phasenverzögerung von 90° ideal für die Grund-Phasenverzögerung des Sensors. Wie aus der obigen Gleichung jedoch hervorgeht, läßt sich durch den Einsatz des Rechtwinkel- Prismas 16 eine Phasenverzögerung von 90° nicht nach Beendigung eines Zyklus oder einer Runde von Totalreflexionen der Strahlen erreichen. Nur die Bedingung n = 1,554 gestattet eine Phasenverzögerung 2δ von 90° nach zwei Zyklen von Totalreflexion. In der Praxis ist es ziemlich schwierig, solche Materialien verfügbar zu machen, die vollständig einem solchen idealen Brechungsindex entsprechen. Daher wird der Bereich des zulässigen Brechungsindexes in der unten angegebenen Weise berechnet. Es sei angenommen, zur Realisierung von 50% der maximalen Empfindlichkeit sei eine spezielle Bedingung vorgesehen. Wenn die Phasen-Grundverschiebung 2δ beträgt, läßt sich eine 50%ige minimale Empfindlichkeit dadurch realisieren, daß man denjenigen Wert von n sucht, der folgende Gleichung erfüllt:

Die Lösung beträgt 1,427 < n < 2,205. Um den obigen Wert korrekt zu erzielen, sind verschiedene Materialien verwendbar, so z. B. eine Vielfalt optischer Gläser, darunter BK-7- Quarzglas, Bleiglas oder Faraday-Rotations-Glas, akustooptisches Glas sowie weitere herkömmliche Glasarten; verschiedene optische Kristalle, darunter Fluorit, Kristall, Calcit, KDP, ADP, KDA, RDA, Al₂O₃, MgO, usw. Außerdem kommen optische Keramiken in Betracht sowie hochpolymere Stoffe wie Acrylharz oder Polymethylmethacrylat, Polyzyklohexylmethacrylat, Polystyrol, Polykarbonat, Epoxyharz, Polyakrylnitril, Polyvinylchlorid, photoempfindlicher Harz, der aus ungesättigtem Polyesterharz abgeleitet ist, etc. Es sei darauf hingewiesen, daß KDP, ADP, KDA und RDA die Abkürzungen sind für KH₂PO₄, NH₄H₂PO₄, KH₂AsO₄ und RbH₂AsO₄.

Fig. 5 zeigt anhand eines Blockdiagramms einen Spannungssensor als Ausführungsbeispiel der in Fig. 4 gezeigten Anordnung. Ein von einer Lichtquelle 21 kommender Strahl wird von einem Strahlaufspalter 22 in zwei Teile aufgespalten. Ein Teil wird zu einem Photodetektor 23 geleitet, wo der Lichtstrom überwacht wird. Der andere Teil wird über eine optische Faser 24, eine Stablinse 25 und einen Polarisator 26 zu einem elektrooptischen Material 27 geleitet, welches z. B. aus LiNbO₃ oder BSO (Bi₁₂SiO₂₀) besteht. Gleichzeitig moduliert eine externe Spannung die Phase zwischen den zwei einander unter rechten Winkeln kreuzenden polarisierten Strahlen. Dann erhalten die Strahlen durch das Rechtwinkel-Prisma 28 eine Phasen- Grundverschiebung, und der Strahlweg wird gleichzeitig um 180° gewendet, so daß die Strahlen in umgekehrter Richtung durch das optische Material 27 den Polarisator 26, die Stablinse 25 und die optische Faser 24 gelangen, bevor sie schließlich über den Strahlaufspalter 22 den Photodetektor 29 erreichen. Jegliche Schwankung der an das elektrooptische Material 27 angelegten Spannungen wird als Schwankung des an dem Photodetektor 29 ankommenden Strahlvolumens erfaßt. Die Lagebeziehung zwischen dem Polarisator 26 und dem Rechtwinkel-Prisma 28 bleibt die gleiche wie in den Fig. 3 und 4.

Bei dem ersten oben beschriebenen Ausführungsbeispiel handelte es sich um ein Drucksensor, bei dem zweiten Ausführungsbeispiel um einen Spannungssensor. Dadurch, daß das photoelastische Material 15 ersetzt wird durch das elektrooptische Material 27, kann das erste Ausführungsbeispiel auch als Spannungssensor und das zweite Ausführungsbeispiel auch als Drucksensor verwendet werden. Die optische Sensoreinrichtung mit dem photoelastischen Material 15 kann auch einen akustischen Sensor, einen Verzerrungssensor sowie einen Verschiebungs- oder Versetzungssensor bilden. Sie kann des weiteren als Temperatursensor ausgebildet sein, in dem das photoelastische Material 15 mit unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisenden Materialien kombiniert wird. Wenn man das photoelastische Material 15 mit elektrisch veränderbaren Materialien kombiniert, läßt sich ein Spannungssensor schaffen. Durch Kombination mit magnetisch verzerrbaren oder veränderbaren Materialien läßt sich ein Stromsensor oder ein magnetischer Sensor herstellen.

Claims

1. Optische Sensoreinrichtung mit einer Lichtquelle, deren Strahlenpfad über einen Polarisator und ein Sensorelement, dessen Doppelbrechung mit seinem von einer physikalischen Größe abhängigen Volumen variiert, zu einem Reflektorelement führt, dort um 180° umgelenkt wird, das Sensorelement und den Polarisator abermals durchläuft und schließlich bei einem Fotodetektor endet, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflektorelement (16; 28) zwei zur Wirkung gelangende, totalreflektierende, in Abhängigkeit von seiner Anordnung gegenüber der Polarisationsachse des Polarisators (14; 26) eine Phasen- Grundverschiebung hervorrufende Flächen aufweist.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflektorelement ein Rechtwinkel-Prisma ist.

3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormaterial ein photoelastisches (spannungsoptisches) Material ist.

4. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormaterial ein elektrooptisches Material ist.