DE4437523A1

DE4437523A1 - Coupling system for sensors at assembly recording optical spectral shifts

Info

Publication number: DE4437523A1
Application number: DE19944437523
Authority: DE
Inventors: Alfred Boehme; Guenter Dr Schwotzer
Original assignee: Ultrakust Electronic GmbH
Current assignee: Bartec Messtechnik und Sensorik 94239 Gottes GmbH
Priority date: 1994-10-20
Filing date: 1994-10-20
Publication date: 1996-05-02

Abstract

The sensor coupling system involves light from differing light sources (1) which is supplied (31-34) to a detector (7) across an input of a dispersive or polychromatic assembly e.g. a truncated cone (5), and sensors (2), using light conducting fibres (41-44). The truncated cone consists of conically drawn fibres which are arranged systematically. The truncated cone can consist of a homogeneous glass body, following at least one truncated cone consisting of conical fibres arranged in the direction of the light, with the small top surface (52) of the glass truncated cone facing the polychromator, and contacting the large bottom surface (51) of the truncated cone facing the sensors.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Ankopplung von Sensoren an eine optische Spektralverschiebungen registrierende Baugruppe gemäß der Gattung der Patentansprüche und dient insbesondere zur Bestimmung der durch physikalische bzw. chemische Effekte hervorgerufenen optischen Spektralverschiebungen.The invention relates to an arrangement for coupling Sensors registering optical spectral shifts Assembly according to the genus of the claims and serves in particular to determine the physical or chemical Effects caused by optical spectral shifts.

Es sind bereits derartige Anordnungen bekannt (EP 0538664 A2, EP 0579257 A1, US-PS 4,241,738), bei denen die Anzahl der Lichtquellen, Lichtleitfasern und Eingänge in die dispersive bzw. polychromatische Baueinheit mit der Anzahl der Sensoren übereinstimmt. Zur Erzeugung der Bezugsspektren werden die gleichen Lichtleitfasern verwendet, wie zur Messung. Die Lichtleitfasern enthalten hierfür Trenneinrichtungen. Diese bekannten Anordnungen ermöglichen zwar eine hochgenaue, leistungsstarke und intensitätsgünstige Bestimmung der optischen Spektralverschiebungen; jedoch ist ihr Bedarf an teuren faseroptischen Bauelementen hoch und die Kalibrierung mit einem erheblichen instrumentellen und elektronischen Aufwand verbunden. Insbesondere sind bei einer Mehrzahl von Polychromatoreingängen nicht nur die Spektren zu erfassen, sondern auch vor der Korrelation von Vergleichs- und Meßspektrum die Lage der Spektren zu korrigieren, damit der seitliche Abstand der Polychromatoreingänge voneinander sich nicht auf die Bestimmung der Spektralverschiebungen auswirkt.Such arrangements are already known (EP 0538664 A2, EP 0579257 A1, US Pat. No. 4,241,738), in which the number of Light sources, optical fibers and inputs to the dispersive or polychromatic unit corresponds to the number of sensors. The same optical fibers are used to generate the reference spectra used as for measurement. For this purpose, the optical fibers contain Separators. These known arrangements make it possible a highly precise, powerful and low-intensity determination of the optical spectral shifts; however, their need is expensive fiber optic components high and calibration with one considerable instrumental and electronic effort. In particular, there are no polychromator inputs to record only the spectra, but also before the correlation of Comparison and measurement spectrum to correct the position of the spectra, so that the lateral distance of the polychromator inputs from each other does not affect the determination of the spectral shifts.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Ankopplung von Sensoren an eine optische Spektralverschiebungen registrierende Baugruppe zu schaffen, die Vereinfachungen im konstruktiven Aufbau und in der Funktion ermöglicht und die insbesondere bei Kalibrierungen von Anordnungen zur Bestimmung der Spektralverschiebung erhebliche Einsparungen an Hard- und Software zuläßt. The invention is therefore based on the object of an arrangement for Coupling sensors to an optical spectral shift to create registration assembly, the simplifications in constructive structure and function and the especially when calibrating arrangements for determining the Spectral shift considerable savings in hardware and software allows.

Gemäß der Erfindung wird dies durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs erreicht. Insbesondere ist es nicht mehr notwendig, das Nebeneinanderliegen der verschiedenen Eingänge mit seinem Einfluß auf die Spektrenverschiebungen mechanisch oder elektronisch zu berücksichtigen. Es wird also nicht nur eine Reduzierung der Polychromatoreingänge, sondern auch eine Vermeidung von teuren faseroptischen Bauelementen (Kopplern) ermöglicht. Das Verhältnis der Durchmesser von Grundfläche und Deckfläche eines verwendeten Kegelstumpfes beträgt vorzugsweise 2 : 1 bis 3 : 1; ist also bspw. der Durchmesser der Grundfläche 4 mm, so sollte der Durchmesser der Deckfläche ca. 1,6 mm betragen, damit günstige Verhältnisse für die Reflexionen, die eintretenden Intensitätsverluste und die aperturverändernden Wirkungen gegeben sind. Die Länge des Kegelstumpfes liegt bei 15 mm. Die Ankopplung der Lichtleitfasern an den Kegelstumpf/ die Kegelstümpfe kann bspw. durch Anstecken oder Verkleben erfolgen. Die Durchmesser der miteinander zu verkoppelnden Lichtleitfasern können unterschiedlich sein. Unter der Voraussetzung von Fasern gleichen Durchmessers ergeben sich günstige Varianten, wenn drei Lichtleitfasern oder Lichtleitfaserbündel bzw. sieben Lichtleitfasern oder Lichtleitfaserbündel auf der Seite der größeren Grundfläche mit einer Lichtleitfaser oder einem Lichtleitfaserbündel auf der Seite der kleineren Deckfläche gekoppelt werden. Sind sieben bis acht Lichtleitfasern einerseits mit einer Lichtleitfaser andererseits zu verbinden, so ist es von Vorteil, wenn zwei Kegelstümpfe hintereinander so angeordnet sind, daß die Grundfläche des zweiten Kegelstumpfes die Deckfläche des ersten Kegelstumpfes kontaktiert. Der erste Kegelstumpf kann dabei ein homogener Glaskörper und der zweite Kegelstumpf muß ein Faserkegel sein. Auch können mehrere Kegelstümpfe nacheinander im Lichtweg angeordnet sein, von denen jeweils nur der erste aus homogenem Glas bestehen darf. Bestehen die Kegelstümpfe aus Fasern, so sind diese, für sich gesehen, ebenfalls konisch ausgezogen. Zur Bildübertragung ist es günstig, die Fasern im Kegelstumpf zu ordnen und ihre Lage auf die außen anschließenden Fasern abzustimmen.According to the invention, this is achieved by the features of the first Claim reached. In particular, it is no longer necessary to The influence of the various inputs lies side by side the spectra shifts mechanically or electronically consider. So it won't just be a reduction in Polychromatic inputs, but also avoiding expensive ones fiber optic components (couplers). The ratio of Diameter of the base and top surface of a used Truncated cone is preferably 2: 1 to 3: 1; is, for example Diameter of the base 4 mm, so the diameter of the Cover area be about 1.6 mm, so favorable conditions for the Reflections, the loss of intensity that occurs and the aperture changing effects are given. The length of the The truncated cone is 15 mm. The coupling of the optical fibers the truncated cone / the truncated cones can, for example, by plugging in or Gluing done. The diameters of those to be coupled Optical fibers can be different. Assuming Fibers of the same diameter result in favorable variants if three Optical fibers or optical fiber bundles or seven optical fibers or Optical fiber bundle on the side of the larger base with one Optical fiber or an optical fiber bundle on the side of the smaller one Top surface to be coupled. Are seven to eight optical fibers to connect on the one hand with an optical fiber, so it is from Advantage if two truncated cones are arranged one behind the other so that the base of the second truncated cone the top of the first Truncated cone contacted. The first truncated cone can be a homogeneous glass body and the second truncated cone must be a fiber cone his. Several truncated cones can also be successively in the light path be arranged, of which only the first of homogeneous glass may exist. If the truncated cones are made of fibers, they are for seen each other, also tapered. It is for image transmission favorable to arrange the fibers in the truncated cone and their position on the to match the outside fibers.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnung dreier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the schematic drawing three exemplary embodiments explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Kegelstumpf, Fig. 1 shows an embodiment of an inventive arrangement with a truncated cone,

Fig. 2 wesentlichen Teile einer zweiten Ausführungsform mit zwei Kegelstümpfen, Fig. 2 essential parts of a second embodiment with two truncated cones,

Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt an der Stelle A-A der Fig. 2, Fig. 3 is an enlarged cross-section at the location A of FIG. 2,

Fig. 4 die wesentlichen Teile einer dritten Ausführungsform und Fig. 4 shows the essential parts of a third embodiment and

Fig. 5 einen vergrößerten Querschnitt an der Stelle B-B der Fig. 4. Fig. 5 is an enlarged cross-section at the location BB of Fig. 4.

In Fig. 1 sind zwischen Lichtquellen 11, 12, 13, 14 und Sensoren 21, 22, 23, 24 Lichtleitungen (Lichtleitfasern) 31, 32, 33, 34 zur Beleuchtung der Sensoren 21 bis 24 vorgesehen. Von diesen Sensoren führen Lichtleitungen 41, 42, 43, 44 zu einem Eingang 5 eines Polychromators 6. Der Eingang 5 ist als Kegelstumpf ausgebildet, an dessen größerer Grundfläche 51 die Lichtleiter 41 bis 44 enden, die mit dieser Grundfläche verklebt sind. Von der kleineren Deckfläche 52 wird das Licht mit vergrößerter Apertur direkt oder indirekt an die im übrigen nicht dargestellten Funktionselemente des Polychromators 6 gegeben, und die spektralen Signale werden von einem Detektor 7 im Polychromator 6 empfangen, über Leitungen 8 an eine Registrier- und Auswerteeinheit 9 weitergeleitet, die ihrerseits mit den Lichtquellen 11 bis 14 über Leitungen 10 rückgekoppelt ist.In FIG. 1, light lines (optical fibers) 31 , 32 , 33 , 34 are provided between light sources 11 , 12 , 13 , 14 and sensors 21 , 22 , 23 , 24 for illuminating sensors 21 to 24 . Light lines 41 , 42 , 43 , 44 lead from these sensors to an input 5 of a polychromator 6 . The entrance 5 is designed as a truncated cone, on the larger base 51 of which the light guides 41 to 44 end, which are glued to this base. From the smaller top surface 52 , the light with an enlarged aperture is given directly or indirectly to the functional elements of the polychromator 6 , which are otherwise not shown, and the spectral signals are received by a detector 7 in the polychromator 6 , via lines 8 to a registration and evaluation unit 9 forwarded, which in turn is fed back to the light sources 11 to 14 via lines 10 .

Die Registrier- und Auswerteeinheit 9 wählt elektronisch nacheinander oder in einer vorbestimmten Reihenfolge die Lichtquellen 11 bis 14 aus, von denen jeweils eine durch eine Lichtleitfaser 31 bis 34 zeitlich moduliertes Licht zu einem Sensor 21 bis 24 sendet, das durch den jeweiligen Sensor beeinflußt und durch die entsprechende Lichtleitfaser 41, 42, 42 oder 44 sowie den einzigen Eingang 5 in den Polychromator 6 eintritt. Jedes der im Polychromator 6 erzeugten und dispersiv zerlegten Sensorspektren ist auf den Detektor 7 gerichtet. Da nur ein Eingang vorhanden ist, werden auf dem Detektor 7 die Spektren an derselben Stelle erzeugt. Der Detektor 7 liefert aufgrund jedes Spektrums im Takt der Ansteuerung der Lichtquellen 11 bis 14 ein Signal an die Registrier- und Auswerteeinheit 9, das dem jeweiligen Sensor 21 bis 24 durch elektronische Filterung zuordenbar ist und das registriert und zur Auswertung benutzt wird. Bei dieser Vorgehensweise sind die Beeinflussungen der Lichtströme durch die Sensoren 21 bis 24 nacheinander erfaß- und auswertbar. In Fig. 1 ist nur ein Kegelstumpf 5 aus homogenem Glas zur Querschnittsverringerung um das 2,5-fache ausreichend. Dadurch wird zwar die zu übertragende Lichtintensität verringert; jedoch ist sie groß genug, um exakte Meßwerte zu ermöglichen. Ebenso werden zur Meßwertgewinnung bspw. die vier Sensoren 21 bis 24 benutzt. Jedoch können in Abhängigkeit von der Meßaufgabe auch mehr oder weniger Sensoren und dementsprechend Lichtquellen und Lichtleiter erforderlich sein.The registration and evaluation unit 9 electronically selects the light sources 11 to 14 one after the other or in a predetermined sequence, each of which transmits light modulated in time by an optical fiber 31 to 34 to a sensor 21 to 24 which is influenced by the respective sensor and by the corresponding optical fiber 41 , 42 , 42 or 44 and the only input 5 enters the polychromator 6 . Each of the sensor spectra generated and dispersed in the polychromator 6 is directed at the detector 7 . Since there is only one input, the spectra are generated on the detector 7 at the same location. On the basis of each spectrum, the detector 7 delivers a signal to the registration and evaluation unit 9 in time with the activation of the light sources 11 to 14, which signal can be assigned to the respective sensor 21 to 24 by electronic filtering and which is registered and used for evaluation. With this procedure, the influencing of the luminous fluxes by the sensors 21 to 24 can be detected and evaluated in succession. In Fig. 1, only a truncated cone 5 made of homogeneous glass is sufficient to reduce the cross-section by 2.5 times. As a result, the light intensity to be transmitted is reduced; however, it is large enough to allow accurate readings. The four sensors 21 to 24 are also used, for example, to obtain measured values. However, depending on the measurement task, more or fewer sensors and, accordingly, light sources and light guides may be required.

In Fig. 2 enden die von sieben nicht dargestellten Sensoren kommenden Lichtleiter 41 bis 47 an der größeren Grundfläche 51 eines aus einem homogenen Glaskörper bestehenden Kegelstumpfes 5, dessen kleinere Deckfläche 52 die größere Grundfläche 111 eines zweiten, aus konischen Glasfasern bestehenden Kegelstumpfes 110 kontaktiert, dessen kleinere Deckfläche wiederum Licht in den Polychromator 6 abstrahlt. Die Kegelstümpfe 5 und 110 haben dieselbe geometrische Form; ihre Länge beträgt 10 mm und für beide besteht das Durchmesserverhältnis 2,5 : 1. Die Lichtleiter 41 bis 47 und die Kegelstümpfe 5, 110 bestehen z. B. aus Quarzglas und sind mit entsprechenden Umhüllungen versehen.In FIG. 2, the seven not shown sensors coming light guide ends 52, the larger base 111 contacted 41 of a second, consisting of tapered fibers truncated cone 110-47 at the larger base 51 of a group consisting of a homogeneous vitreous truncated cone 5 whose smaller top surface, the smaller cover surface in turn emits light into the polychromator 6 . The truncated cones 5 and 110 have the same geometric shape; their length is 10 mm and for both there is a diameter ratio of 2.5: 1. The light guides 41 to 47 and the truncated cones 5 , 110 are made, for. B. made of quartz glass and are provided with appropriate envelopes.

Fig. 3 läßt den vergrößerten Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 2 erkennen. In der größeren Grundfläche 51 sind mit dem Kegelstumpf 5 die sieben Lichtleiter 41 bis 47 verklebt. Die kleiner Deckfläche 52 des Kegelstumpfes 5 ist durch einen gerissenen Linienzug dargestellt. Letzterer gibt gleichzeitig die Umrißlinie eines nicht dargestellten Lichtleiters an, der von der Deckfläche 52 ausgehen könnte. Fig. 3 shows the enlarged cross section along the line AA in Fig. 2. In the larger base area 51 , the seven light guides 41 to 47 are glued to the truncated cone 5 . The small top surface 52 of the truncated cone 5 is represented by a broken line. The latter also indicates the outline of a light guide, not shown, which could extend from the top surface 52 .

Fig. 4 zeigt einen Polychromator 6 mit einem Eingang 15, der über einen Lichtleiter 16 mit der kleineren Deckfläche 52 eines Kegelstumpfes 5 verbunden ist, an dessen größerer Grundfläche 51 Lichtleitfasern 41, 42, 43 enden, die zu Sensoren führen, von denen nur der Sensor 21 dargestellt ist. Der Sensor 21 ist über Lichtleitfasern 31 mit einer Lichtquelle 11 verbunden, die den Sensor 21 beleuchtet, dessen spektrale Veränderung erfaßt werden soll. Ähnliches gilt für die nicht dargestellten Sensoren. Die Lichtleitfasern 31, 41 enthalten einen gemeinsamen Kegelstumpf 17, der aus homogenen Glas oder konischen Fasern bestehen kann und der auf der Seite der Lichtquelle 11 sowie des Polychromators 6 mit einer größeren Grundfläche 171 und auf der Seite des Sensors 21 bzw. eines zwischen Kegelstumpf 17 und Sensor 21 angeordneten Steckers 18 oder eines vergleichbaren Trennelements mit einer kleineren Deckfläche 172 versehen ist. Zwischen dem Kegelstumpf 17 und dem Sensor 21 befindet sich also nur ein Lichtleiter 19, der sowohl der Beleuchtung des Sensors 21 als auch der Führung des Sensorlichtes zum Polychromator 6 dient. Der Kegelstumpf 17 hat in diesem Fall die Funktion einer Y-Weiche. Während also der Kegelstumpf 5 die Aufgabe einer Querschnittswandlung hat, sorgt der Kegelstumpf 17 für eine definierte Lichtleitung. Der Stecker 18 dient zum Lösen der Verbindung zum Sensor 21, z. B. zu Eichzwecken. Die Lichtleiter 42 und 43 werden gemäß vorstehendem in gleicher Weise geführt, wie der Lichtleiter 41. Fig. 4 shows a polychromator 6 with an input 15 , which is connected via an optical fiber 16 to the smaller top surface 52 of a truncated cone 5 , on the larger base 51 of which ends optical fibers 41 , 42 , 43 , which lead to sensors, of which only the Sensor 21 is shown. The sensor 21 is connected via optical fibers 31 to a light source 11 which illuminates the sensor 21 , the spectral change of which is to be detected. The same applies to the sensors, not shown. The optical fibers 31 , 41 contain a common truncated cone 17 , which can consist of homogeneous glass or conical fibers and which has a larger base area 171 on the side of the light source 11 and the polychromator 6 and on the side of the sensor 21 or one between the truncated cone 17 and sensor 21 arranged connector 18 or a comparable separating element is provided with a smaller cover surface 172 . Between the truncated cone 17 and the sensor 21 there is therefore only one light guide 19 , which serves both to illuminate the sensor 21 and to guide the sensor light to the polychromator 6 . The truncated cone 17 has the function of a Y-switch in this case. So while the truncated cone 5 has the function of a cross-sectional conversion, the truncated cone 17 ensures a defined light conduction. The plug 18 is used to disconnect the sensor 21 , for. B. for calibration purposes. The light guides 42 and 43 are guided according to the above in the same way as the light guide 41 .

In Fig. 5 sind mit der Grundfläche 51 des Kegelstumpfes 5 die Enden der Lichtleiter 41 bis 43 verbunden. Bei einem Verhältnis der Durchmesser der Grundfläche 51 zur Deckfläche 52 von ca. 2 : 1 ist der Durchmesser des Lichtleiters 16 im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Lichtleiter 41 bis 43. Ist der Durchmesser des Lichtleiters 16 entsprechend der Darstellung kleiner als die Durchmesser der Lichtleiter 41 bis 43, so ergibt sich für die Durchmesser von Grundfläche 51 zu Deckfläche 52 ein Verhältnis von 3 : 1. Die als gerissene Umfangslinie eingezeichnete Deckfläche 52 ist gleichzeitig die Umfangslinie des Lichtleiters 16.In Fig. 5 of the truncated cone 5 are the ends of the optical fibers 41 to 43 connected with the base 51st With a ratio of the diameter of the base surface 51 to the top surface 52 of approximately 2: 1, the diameter of the light guide 16 is essentially equal to the diameter of the light guides 41 to 43 . If the diameter of the light guide 16 as shown smaller than the diameter of the light conductors 41 to 43, the result for the diameter of base 51 to top surface 52, a ratio of 3: 1. The drawn as broken perimeter top surface 52 is at the same circumferential line of the Light guide 16 .

Die in den vorstehenden Ausführungsbeispielen enthaltenen Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig miteinander kombinierbar. Die Erfindung ist überall anwendbar, wo es um die Erfassung und Mehrkanalauswertung von durch chemische oder physikalische Effekte hervorgerufenen optischen Spektralverschiebung geht.The features contained in the above exemplary embodiments can be combined with one another in the context of the invention. The Invention is applicable wherever it is about capturing and Multi-channel evaluation of chemical or physical effects caused optical spectral shift goes.

BezugszeichenlisteReference list

5 - Eingang (Kegelstumpf)
6 - Polychromator
7 - Detektor
8, 10 - Leitungen
9 - Registrier- und Auswerteeinheit
17 - Kegelstumpf
18 - Stecker
19 - Lichtleiter
11, 12, 13, 14 - Lichtquellen
21, 22, 23, 24, - Sensoren
31, 32, 33, 34,
41, 42, 43, 44,
45, 46, 47 - Lichtleitfasern
51, 171 - Grundfläche
52, 172 - Deckfläche 5 - entrance (truncated cone)
6 - polychromator
7 - detector
8 , 10 - lines
9 - Registration and evaluation unit
17 - truncated cone
18 - connector
19 - light guide
11 , 12 , 13 , 14 - light sources
21 , 22 , 23 , 24 , - sensors
31 , 32 , 33 , 34 ,
41 , 42 , 43 , 44 ,
45 , 46 , 47 - optical fibers
51 , 171 - footprint
52 , 172 - top surface

Claims

1. Arrangement for coupling sensors to an optical spectral shift registering assembly, in which light from different light sources via sensors with the aid of optical fibers is fed to an input of a dispersive or polychromatic assembly with a detector, characterized in that at least between each sensor and the input an optically effective truncated cone is provided, the larger base of which faces the sensors and whose smaller top surface faces the entrance.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the The truncated cone consists of conically drawn fibers and the fibers are ordered.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that one truncated cone consisting of a homogeneous glass body at least one truncated cone made of conical fibers in Light direction is subordinate, the larger area of which smaller surface of the homogeneous glass Truncated cone contacted.

4. Arrangement according to at least one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the smaller top surface of the in the direction of light last truncated cone is the light entry surface of the entrance.

5. Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that an optically effective truncated cone between the respective light source and the associated sensor is provided.

6. Arrangement according to claim 4 or 5, characterized in that the optical fibers are permanently connected to the truncated cone.

7. Arrangement according to claim 3, characterized in that the Truncated cones permanently connected at their contact points are.

8. Arrangement according to at least one of the preceding claims, characterized in that the ratio of the diameters of Base and top surface of a truncated cone is 2: 1 to 3: 1.

9. Arrangement according to claim 8, characterized in that the length of a truncated cone is 10 to 20 mm.