DE102009041507A1

DE102009041507A1 - Optisches Tiefpassfilter und Verfahren zum Optischen Filtern

Info

Publication number: DE102009041507A1
Application number: DE200910041507
Authority: DE
Inventors: Thorbjörn BUCK; Mathias Müller; Alexander W. Koch
Original assignee: Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2011-03-31

Abstract

Eine spektroskopische Messvorrichtung (100) stellt eine spektrale Zerlegung von eingestrahltem Primärlicht (201) bereit. Die spektroskopische Messvorrichtng (100) schließt einen Eintrittsspalt (102) ein, der ausgelegt ist zur Eingabe des Primärlichts (201). Ein wellenlängendispersives Element (103) ist ausgelegt zur Aufnahme des eingegebenen Primärlichts (201) und zur räumlichen Zerlegung des Primärlichts (201) in Sekundärlichtkomponenten (202), wobei
ein Fluoreszenzelement (105) ausgelegt ist zur Aufnahme der Sekundärlichtkomponenten (202) und zur Abstrahlung von modifizierten Sekundärlichtkomponenten (203) auf der Grundlage der aufgenommenen Sekundärlichtkomponenten (202) und einer Fluoreszenzabklingzeit des Fluoreszenzelements (105). Eine Detektoreinheit (104) ist ausgelegt zur Erfassung der modifizierten Sekundärlichtkomponenten (203) und zur Ausgabe eines elektrischen Ausgangssignals (207) auf der Grundlage der erfassten modifizierten Sekundärlichtkomponenten (203).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine spektroskopische Messvorrichtung, wie beispielsweise einen Spektrographen zur spektralen Zerlegung Primärlicht einer Vielzahl von Wellenlängen in Sekundärlicht, welches einzelne Wellenlängenkomponenten enthält.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine spektroskopische Messvorrichtung zur spektralen Zerlegung von eingestrahltem Primärlicht mittels eines wellenlängendispersiven Elements. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein spektroskopisches Messverfahren zum Messen der spektralen Zerlegung von zu analysierendem Primärlicht.
In vielen Bereichen der Analyse- und Messtechnik finden spektroskopische Messvorrichtungen, wie beispielsweise auf wellenlängendispersiven Elementen beruhende Spektrographen, weit verbreitete Anwendung. Vorteile spektroskopischer Verfahren zur Erfassung von Messobjekten liegen in einer berührungslosen, d. h. optischen Messung relevanter Daten, derart, dass eine galvanische Verbindung zwischen Messobjekt und Messvorrichtung nicht erforderlich ist. Ferner weisen optische spektroskopische Messverfahren eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung bei geringer Störungsempfindlichkeit auf.
Faseroptische Messsysteme weisen den Vorteil auf, dass die Primärstrahlung in einem Lichtwellenleiter zu einem beispielsweise auf mechanische Messgößen empfindlichen Sensorelement geführt und von diesem detektiert werden kann. Die von dem Sensorelement ausgegebene optische Strahlung wird spektral zerlegt, wobei der Lichtwellenleiter mit einem Eintrittsspalt eines Spektrographen verbindbar ist.
STAND DER TECHNIK
Spektroskopische Messvorrichtungen und Messverfahren beruhen auf einer spektralen Zerlegung von eingestrahltem Primärlicht mit Hilfe eines wellenlängendispersiven Elements, wie beispielsweise einem Beugungsgitter oder einem Prisma. Hierzu wird die Primärstrahlung üblicherweise durch einen Eintrittsspalt (Eingangsspalt) eines Spektrographen auf das wellenlängendispersive Element (Gitter oder Prisma) eingestrahlt, wobei die Strahlung in dem wellenlängendispersiven Element dann in einzelne Wellenlängenkomponenten, d. h. in Sekundärlicht unterschiedlicher Wellenlängen zerlegt wird.
Bestimmte Ausführungsformen eines Spektrographen weisen einen Austrittsspalt (Ausgangsspalt) auf, wobei nur einige wenige Wellenlängen des erfassten Primärlichts durchgelassen werden. Um ein gesamtes Spektrum aufzunehmen, ist es beispielsweise möglich, das wellenlängendispersive Element auszurichten (beispielsweise mittels eines Sinustriebs zu drehen), um einzelne Wellenlängen abzutasten.
Eine weitere herkömmliche Ausführungsform einer spektroskopischen Messvorrichtung besteht in einer Anordnung, welche einen Eintrittsspalt zur Eingabe des Primärlichts, ein wellenlängendispersives Element zur Zerlegung des Primärlichts in einzelne Spektralkomponenten und einen Zeilendetektor zur gleichzeitigen Erfassung einer Reihe von interessierenden Wellenlängenkomponenten aufweist. Diese Anordnung weist den Vorteil auf, dass ein interessierender Teil des vom Messobjekt emittierten Lichts auf einmal spektral analysiert werden kann.
Derartige Zeilendetektoren können beispielsweise als CCD-Einrichtungen (CCD = Charge-Coupled Device) ausgelegt sein, wobei die von in einzelnen Bildelementen des Zeilensensors aufgenommene Strahlung mit einer bestimmten Abtastfrequenz ausgelesen wird.
Zur genauen Erfassung eines Spektrums eines zu untersuchenden Messobjekts muss die Anordnung zwischen Eintrittsspalt, wellenlängendispersivem Element und Zeilendetektor äußerst stabil und präzise aufgebaut sein. Unter Berücksichtigung der Abtastzeit des Zeilendetektors ergeben sich Messzeiten, während welcher auch Störungen, wie beispielsweise Vibrationen, Verschiebungen der einzelnen Wellenlängen, etc. auf den Detektor und in eine anschließende Auswerteeinheit gelangen können.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte spektroskopische Messvorrichtung mit geringer Störempfindlichkeit zur spektralen Analyse von eingestrahltem Primärlicht bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine spektroskopische Messvorrichtung zur spektralen Zerlegung von eingestrahltem Primärlicht mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Ferner wird die obige Aufgabe durch ein in dem nebengeordneten Patentanspruch 14 angegebenes spektroskopisches Messverfahren zum Messen einer spektralen Zerlegung von zu analysierendem Primärlicht bereitgestellt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, vor einer Abtastung von in einzelne Spektralkomponenten zerlegtem Primärlicht mittels einer Detektoreinheit eine Tiefpassfilterung zur Eliminierung hochfrequenter Störungen bereitzustellen. Eine derartige Tiefpassfilterung wird im optischen Bereich durch ein Fluoreszenzelement verwirklicht, das ausgelegt ist zur Aufnahme von Sekundärlichtkomponenten, in welche das eingegebene Primärlicht mittels des wellenlängendispersiven Elements zerlegt wurde, und zur Abstrahlung von modifizierten Sekundärlichtkomponenten auf der Grundlage der aufgenommenen Sekundärlichtkomponenten und einer Fluoreszenz-Abklingzeit des Fluoreszenzelements.
Gemäß einem Hauptaspekt stellt die vorliegende Erfindung eine spektroskopische Messvorrichtung zur spektralen Zerlegung von eingestrahltem Primärlicht bereit, welche einen Eintrittspalt, der ausgelegt ist zur Eingabe des Primärlichts, ein wellenlängendispersives Element, das ausgelegt ist zur Aufnahme des eingegebenen Primärlichts und zur räumlichen Zerlegung des Primärlichts in Sekundärlichtkomponenten, ein Fluoreszenzelement, das ausgelegt ist zur Aufnahme der Sekundärlichtkomponenten und zur Abstrahlung von modifizierten Sekundärlichtkomponenten auf der Grundlage der aufgenommenen Sekundärlichtkomponenten und einer Fluoreszenzabklingzeit des Fluoreszenzelements, eine Detektoreinheit, die ausgelegt ist zur Erfassung der modifizierten Sekundärlichtkomponenten und zur Ausgabe eines elektrischen Ausgangssignals auf der Grundlage der erfassten modifizierten Sekundärlichtkomponenten; und eine Auswerteeinheit, die ausgelegt ist zur Auswertung der spektralen Zerlegung des Primärlichts auf der Grundlage des elektrischen Ausgangssignals einschließt.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein spektroskopisches Messverfahren zum Messen einer spektralen Zerlegung von zu analysierendem Primärlicht bereit, welches die Schritte aufweist: Einstrahlen des zu analysierenden Primärlichts in einen Eintrittsspalt; Aufnehmen des eingestrahlten, zu analysierenden Primärlichts mittels eines wellenlängendispersiven Elements; räumliches Zerlegen des aufgenommenen Primärlichts in Sekundärlichtkomponenten mittels des wellenlängendispersiven Elements; Einstrahlen der Sekundärlichtkomponenten in ein Fluoreszenzelement; Abstrahlen, aus dem Fluoreszenzelement, von modifizierten Sekundärlichtkomponenten auf der Grundlage der aufgenommenen Sekundärlichtkomponenten und einer Fluoreszenzabklingzeit des Fluoreszenzelements; Erfassen der modifizierten Sekundärlichtkomponenten und Ausgeben eines elektrischen Ausgangssignals auf der Grundlage der erfassten modifizierten Sekundärlichtkomponenten mittels einer Detektoreinheit; und Analysieren des ausgegebenen elektrischen Ausgangssignals und Auswerten der spektralen Zerlegung des Primärlichts mittels einer elektrischen Auswerteeinheit.
In vorteilhafter Weise kann die spektroskopische Messvorrichtung, welche das Fluoreszenzelement enthält, Aliasing-Effekte unterdrücken. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung der spektroskopischen Messvorrichtung ist es damit möglich, eine fehlerhafte Detektion von Spiegelfrequenzen in einem Frequenzspektrum zu unterdrücken.
In vorteilhafter Weise stimmt eine räumliche Ausdehnung des Fluoreszenzelements mit einer räumlichen Ausdehnung der Detektoreinheit überein. Die Detektoreinheit besteht beispielsweise aus einer eindimensionalen oder zweidimensionalen Anordnung einzelner Bildelemente (CCD = Charge-Coupled Device). Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Detektoreinheit eine Vielzahl von in einer Zeile angeordneten Bildelementen einschließt. Bei einem Flächensensor schließt die Detektoreinheit vorzugsweise eine Vielzahl von in einer Fläche angeordneten Bildelementen ein.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das wellenlängendispersive Element als ein optisches Gitter bereitgestellt. Ferner ist es möglich, das wellenlängendispersive Element als ein optisches Prisma bereitzustellen, um die eingestrahlte Primärstrahlung in Sekundärlicht unterschiedlicher Wellenlängen räumlich zu zerlegen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das Fluoreszenzelement als eine Beschichtung auf der Detektoreinheit (Zeilensensor oder Flächensensor) ausgebildet. Das Material, aus welchem die Beschichtung besteht, ist gewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Erbium-dotierten Glas, einem organischen Farbstoff, einer Lanthanoidkomplexverbindung, einem fluoreszierenden anorganischen Material und jedweder Kombination davon. Allgemein kann jedwedes fluoreszierende Material eingesetzt werden, welches eine geeignete Abklingzeit aufweist.
Es ist vorteilhaft, dass die Detektoreinheit eine Detektorabtastzeit in einem Bereich von 50 Mikrosekunden (μs) bis 80 Mikrosekunden (μs) aufweist. In typischer Weise liegt die Detektorabtastzeit bei etwa 150 Mikrosekunden. Ferner weist das Fluoreszenzelement eine Fluoreszenzabklingzeit in einem Bereich von 100 Nanosekunden (ns) bis 1500 Mikrosekunden (μs) auf. In typischer Weise beträgt die Fluoreszenzabklingzeit des Fluoreszenzelements etwa 500 Mikrosekunden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das Fluoreszenzelement ausgelegt zur Transmission der eingestrahlten Sekundärlichtkomponenten, wobei die eingestrahlten Sekundärlichtkomponenten in modifizierte Sekundärlichtkomponenten transmittiert werden.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist das Fluoreszenzelement ausgelegt zur Reflexion der eingestrahlten Sekundärlichtkomponenten. Hierbei sind die modifizierten Sekundärlichtkomponenten in dem Reflexionslicht ausgebildet, d. h. die eingestrahlten Sekundärlichtkomponenten werden in die modifizierten Sekundärlichtkomponenten durch das Fluoreszenzelement reflektiert.
Bei einer Reflexion der eingestrahlten Sekundärlichtkomponenten in die modifizierten Sekundärlichtkomponenten ist es vorteilhaft, dass das Fluoreszenzelement separat von der Detektorzeile angeordnet werden kann. Bei der Transmission der Sekundärlichtkomponenten in die modifizierten Sekundärlichtkomponenten ist es vorteilhaft, dass das Fluoreszenzelement integral mit der Detektoreinheit (Detektorzeile oder Detektor-Array) ausgebildet werden kann.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist der Eintrittsspalt als eine Lichtaustrittsöffnung eines optischen Wellenleiters bereitgestellt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm, das ein Prinzip der spektroskopischen Messvorrichtung zur spektralen Zerlegung von eingestrahltem Primärlicht mittels eines als Prisma ausgebildeten wellenlängendispersivem Elements veranschaulicht;
2 ein Gesamtblockdiagramm eines faseroptischen Messsystems, in welchem die spektroskopische Messvorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthalten ist;
3 eine Sensorfaser, welche ein als ein Faser-Bragg-Gitter ausgebildetes Sensorelement zur Messung einer Faserdehnung enthält;
4 eine Sensorreflexionsantwort, die hervorgerufen wird durch ein in 3 dargestelltes Sensorelement innerhalb einer Faser, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
5 ein schematisches Blockbild einer spektroskopischen Messvorrichtung mit einem in Transmission betriebenen Fluoreszenzelement, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 ein schematisches Blockbild einer spektroskopischen Messvorrichtung mit einem in Reflexion betriebenen Fluoreszenzelement, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
7 ein schematisches Blockdiagramm eines Messsystems, das die spektroskopische Messvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einschließt;
8 ein Übertragungsfunktionsdiagramm zur Veranschaulichung der Wirkung eines Fluoreszenzelements, das vor einer Detektoreinheit angeordnet ist, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel; und
9 ein Flussdiagramm, das ein spektroskopisches Messverfahren zum Messen einer spektralen Zerlegung von zu analysierendem Primärlicht gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer spektroskopischen Messvorrichtung 100 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Ein Bezugszeichen 300 bezeichnet ein Messobjekt, dessen spektrale Antwort auf ein eingestrahltes Messlicht 204 mittels des spektroskopischen Messsystems 100 analysiert wird. Das Messlicht 204 wird aus einer Lichtquelle 101 emittiert, die beispielsweise als eine breitbandige Lichtquelle ausgelegt sein kann. Durch die Wechselwirkung des eingestrahlten Messlichts 204 mit dem Messobjekt 300, welches unten stehend unter Bezugnahme auf die 3 und 4 näher erläutert wird, entsteht am Ausgang des Messobjekts ein Primärlicht 201, welches beispielsweise das durch die Absorption modifizierte Messlicht 204 ist.
D. h., eingestrahltes Messlicht 204 wird durch das Messobjekt 300 in charakteristischer Weise, beispielsweise durch Absorption verändert, so dass eine Wellenlängenverteilung des Primärlichts 201 eine Aussage über den Zustand des Messobjekts 300 durch ”Fingerabdruck”-Spektren zulässt. In dem durch eine gestrichelte Linie gekennzeichneten Kasten befinden sich die wesentlichen Komponenten der spektroskopischen Messvorrichtung 100.
Durch einen Eintrittsspalt 102 der spektroskopischen Messvorrichtung 100 wird das Primärlicht 201, das aus dem Messobjekt 300 emittiert wird, eingestrahlt. Ein wellenlängendispersives Element 103, welches in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als ein optisches Prisma ausgebildet ist, nimmt das eingestrahlte Primärlicht 201 auf und zerlegt dieses räumlich in Sekundärlicht 202. Jede Komponente des Sekundärlichts 202 (jeweils durch einen Pfeil angedeutet) enthält nunmehr eine unterschiedliche Wellenlänge, derart, dass das Sekundärlicht 202 anhand der Intensitäten der einzelnen Komponenten mittels einer Detektoreinheit 104 spektral analysiert werden kann.
Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung trifft das Sekundärlicht 202 zunächst auf ein Fluoreszenzelement 105 an unterschiedlichen lokalen Positionen entsprechend der räumlichen Aufteilung des Sekundärlichts 202. Das Fluoreszenzelement 105 ist ausgelegt zur Aufnahme des Sekundärlichts und zur Ausgabe eines modifizierten Sekundärlichts 203, welches bestimmt ist durch die Fluoreszenz-Abklingzeit des Fluoreszenzelements 105. Die Abstrahlung der modifizierten Sekundärlichtkomponenten 203 erfolgt somit in räumlicher Zuordnung zu den aufgenommenen Sekundärlichtkomponenten 202, wobei eine Fluoreszenz-Abklingzeit des Fluoreszenzelements 105 berücksichtigt wird.
Die Abstrahlung der modifizierten Sekundärlichtkomponenten 203 auf der Grundlage der aufgenommenen Sekundärlichtkomponenten 202 und der Fluoreszenz-Abklingzeit des Fluoreszenzelements 105 ist abhängig von einem Fluoreszenzmaterial des Fluoreszenzelements 105. Das Fluoreszenzelement 105 kann bereitgestellt sein als eine Beschichtung auf der Detektoreinheit 104. Die Beschichtung besteht vorzugsweise aus einem Material, welches Fluoreszenz-Abklingzeiten in der Größenordnung einer Detektorabtastzeit der Detektorzeile 104 aufweist.
Die Detektoreinheit 104 (Detektorzeile) weist eine Detektorabtastzeit in einem Bereich von 50 Mikrosekunden (μs) bis 800 Mikrosekunden (μs), und typischerweise von ungefähr 150 Mikrosekunden (μs) auf. Die Fluoreszenz-Abklingzeit wird vorzugsweise derart gewählt, dass diese in dem Bereich der Detektorabtastzeit liegt. Die Fluroeszenz-Abklingzeit der oben angegebenen Materialien liegt in einem Bereich von 100 Nanosekunden (ns) bis 1500 Mikrosekunden (μs), und typischerweise bei ca. 500 Mikrosekunden (μs). Das als ein optisches Prisma ausgelegte wellenlängendispersive Element 103 der spektroskopischen Messvorrichtung 100 stellt in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Zerlegung des aufgenommenen Primärlichts 201 in Sekundärlichtkomponenten 202 mittels Lichtbrechung bereit.
Ferner ist es möglich, obwohl dies in 1 nicht gezeigt ist, eine Zerlegung des aufgenommenen Primärlichts 201 in Sekundärlichtkomponenten 202 mittels Lichtbeugung bereitzustellen, wobei dann das wellenlängendispersive Element 103 als ein optisches Gitter (Reflexionsgitter oder Transmissionsgitter) ausgelegt ist (siehe auch 5 und 6).
Die Detektoreinheit 104 kann als eine eindimensional ausgebildete Detektorzeile oder als ein zweidimensional ausgebildetes Detektorfeld (Detektor-Array) aus Bildelementen ausgebildet sein. Die Detektoreinheit 104 kann als eine ladungsgekoppelte Einrichtung (CCD, Charge-Coupled Device), eine aus CMOS-Bildelementen (CMOS = Complementary Metal Oxide Silicium) ausbildete optische Erfassungseinheit, als ein Bildsensor, als eine positionsempfindliche Erfassungseinrichtung (PSD, Position Sensitive Device), als eine Photodiodenzeile oder als ein Photodiodenfeld (Photodioden-Array) etc. ausgebildet sein.
Durch die Einbringung des Fluoreszenzelements 105 in den optischen Pfad zwischen dem Messobjekt 300 und der Detektoreinheit 104 ist es möglich, aus den Sekundärlichtkomponenten 202 modifizierte Sekundärlichtkomponenten 203 zu erhalten. Die Sekundärlichtkomponenten 202 weisen entsprechend ihrer Wellenlängenzerlegung unterschiedliche Lichtintensitäten auf. Die Lichtintensitäten liegen permanent an dem Fluoreszenzelement 105 an. Die Detektoreinheit 104 ausgelesen werden, d. h. die Intensitätsinformation der einzelnen Bildelemente muss zu einer unter Bezugnahme auf 7 gezeigten Auswerteeinheit 305 transferiert werden.
Da die Detektorabtastzeit der mit der Detektoreinheit 104 in Abhängigkeit von der Auslegung der Detektoreinheit 104 festlegt, können Störungen bzw. Aliasing-Effekte auftreten, wenn das Sekundärlicht 202 bzw. die einzelnen Komponenten des Sekundärlichts 202 nicht eine ausreichend lange Zeit (länger als die Detektorabtastzeit) bereitgestellt werden. Durch das in 1 gezeigte Fluoreszenzelement 105 ist es möglich, auch nur kurzzeitig vorhandenes Sekundärlicht 202 aufzunehmen und für ein durch die Fluoreszenzabklingzeit gegebene Zeitdauer festzuhalten und zu der Detektoreinheit 104 zu emittieren. Intensitätsschwankungen in dem Sekundärlicht 202, die hervorgerufen sind durch Störungen oder eine schnelle Messabfolge in dem Messobjekt 300, werden somit durch das Fluoreszenzelement 105 geglättet.
Eine derartige Glättung im optischen Bereich, welche durch das Fluoreszenzelement 105 bereitgestellt wird, hat eine ähnliche Wirkung wie ein der Detektoreinheit 104 nachgeschalteter elektrischer Tiefpass. Wegen der notwendigen, hohen Detektorabtastzeiten des Fluoreszenzelements 105 ist jedoch eine elektrische Tiefpassfilterung nach der Detektoreinheit 104 nicht möglich. Das Fluoreszenzelement 105 stellt somit eine optische Tiefpassfilterung bereit, welche der oben beschriebenen Glättung entspricht. Eine derartige als optische Tiefpassfilterung ausgebildete Glättung wird unten stehend unter Bezugnahme auf 8 näher erläutert.
Die geometrische Anordnung und die Auflösung der spektroskopischen Messvorrichtung 100 können derart sein, dass eine Anzahl von Sekundärlichtkomponenten 202 ungefähr einer Anzahl von Bildelementen der Detektoreinheit 104 entspricht. Vorzugsweise weist die Detektoreinheit 104 eine Anzahl von nebeneinander in einer Zeile angeordneten Bildelementen auf.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass das mit der spektroskopischen Messvorrichtung 100 erfassbare Primärlicht 201 einen weiten Wellenlängenbereich aufweisen kann, in Abhängigkeit von den verwendeten optischen Komponenten innerhalb der spektroskopischen Messvorrichtung 100, insbesondere in Abhängigkeit von dem wellenlängendispersiven Element 103. Als Licht im Sinne der vorliegenden Beschreibung ist somit nicht nur Licht im optischen Spektralbereich gemeint, sondern Licht, welches Wellenlängen aufweist in einem Bereich von Ultraviolett bis Infrarot, typischerweise in einem Bereich von 200 Nanometern (nm) bis zu 10 Mikrometern (μm).
Als Lichtquelle 101 kann eine breitbandige, Licht emittierende Diode (LED, Light Emitting Diode), eine Superluminiszenzdiode, ein in der Frequenz variierbarer Laserstrahl, etc. bereitgestellt werden.
Vorzugsweise stimmt die räumliche Ausdehnung des Fluoreszenzelements mit einer räumlichen Ausdehnung der Detektoreinheit überein. Die Detektoreinheit schließt hierbei eine Vielzahl von in einer Zeile angeordneten Bildelementen (Pixel) ein. Ferner ist es möglich, dass die Detektoreinheit eine Vielzahl von in einer Fläche angeordneten Bildelementen (Pixel) aufweist, derart, dass ein zweidimensionales Feld von Bildelementen bereitgestellt wird.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm, welches ein Messsystem auf der Grundlage von faseroptischen Bragg-Gittern veranschaulicht.
Eine Lichtquelle 101 emittiert breitbandiges Licht, wie durch einen Spektralverlauf in dem Kasten 101 in 2 veranschaulicht. Über eine Faserkopplung wird das aus der Lichtquelle 101 emittierte Licht zu einem Eingangsanschluss eines Faserkopplers 301 geleitet. Der Faserleiter kann als ein 3 dB-Koppler ausgelegt sein, welcher dann das Licht typischerweise gleichmäßig (50:50 im Intensitätsverhältnis) auf zwei Ausgangsanschlüsse aufteilt.
Ein erster Ausgangsanschluss (oberer Ausgangsanschluss in 2) des Faserkopplers 301 ist mit einer Übertragungsfaser 302 verbunden, welche wiederum eine optische Verbindung zu einer Sensoreinheit 303 bereitstellt. Die Sensoreinheit 303 weist eine Reihe von hintereinander angeordneten Faser-Bragg-Gittern 304 auf, welche beispielsweise zur Messung von Temperaturen, Dehnungen und anderen interessierenden Größen herangezogen werden können.
Eines der als Faser-Bragg-Gitter ausgebildeten Sensorelemente 304 weist beispielsweise eine Reflexionsantwort auf, wie sie unten stehend unter Bezugnahme auf 4 beschrieben ist. D. h., eine Reflexionsantwort weist ein Wellenlängenspektrum auf, welches mit der spektroskopischen Messvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung zu analysieren lässt. Zu diesem Zweck wird das von mindestens einem Sensorelement 304 der Sensoreinheit 303 zurückgeworfene Licht zurück in die Übertragungsfaser 302 eingekoppelt und zu dem Faserkoppler 301 geleitet. Das in den ersten Ausgang des Faserkoppler 301 zurückgekoppelte Licht wird wiederum in einem Intensitätsverhältnis 50:50, gemäß dem ausgelegten 3 dB-Koppler, zu den Eingängen zurückgekoppelt. An dem unteren Eingang des Faserkopplers 301 wird ein entsprechender Anteil (50%) des aus der Sensoreinheit 303 rückgekoppelten Lichts (Primärlicht 201) hinsichtlich seiner spektralen Zerlegung analysiert.
In dem in 2 gezeigten Anwendungsbeispiel ist der Eintrittsspalt 102 der spektroskopischen Messvorrichtung 100 als das Austrittsende derjenigen Lichtleitfaser ausgebildet, welche den Faserkoppler 301 mit der spektroskopischen Messvorrichtung 100 ausbildet. In diesem Fall ist es möglich, direkt aus einem optischen Wellenleiter (optische Faser) emittiertes Licht in der spektroskopischen Messvorrichtung 100 zu analysieren, wobei der das Primärlicht 201 leitende Teil des Lichtwellenleiters, d. h. der Kern des Lichtwellenleiters, durch seine geringen Abmessungen von einigen Mikrometern bereits als Eintrittsspalt 102 in die spektroskopische Messvorrichtung dient.
Durch eine optische Abbildung (nicht gezeigt) wird das eingekoppelte Primärlicht spektral mittels des wellenlängendispersiven Elements 103 zerlegt und auf das Fluoreszenzelement 105 abgebildet.
Das Fluoreszenzelement 105 ist in der in 2 gezeigten spektroskopischen Messvorrichtung 100 integral mit der Detektoreinheit 104 ausgebildet. Die Detektoreinheit 104 nimmt das oben stehend unter Bezugnahme auf 1 erläuterte modifizierte Sekundärlicht bzw. die modifizierten Sekundärlichtkomponenten 203 auf und gibt ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von der räumlichen Position der auf der Detektoreinheit 104 auftreffenden modifizierten Sekundärlichtkomponenten 203 aus.
Die Detektoreinheit 104 ist über einen Ausgangsanschluss der spektroskopischen Messvorrichtung 100 mit einer Auswerteeinheit 305 verbunden, die beispielsweise einen Personalcomputer (PC) einschließen kann. Durch die Analyse der Reflexionsantwort 400 (siehe 4) von einem oder mehreren Faser-Bragg-Gittern 304 ist es möglich, interessierende Messgrößen wie Dehnungen, Temperaturen etc., die in der Sensoreinheit 303 aufgenommen werden, zu analysieren. Eine derartige Analyse beruht u. a. auf einer Bestimmung einer Zentralwellenlänge (Mittenwellenlänge) des jeweiligen Faser-Bragg-Gitters, da diese Zentralwellenlänge ein Maß bildet, mit welchem die Dehnung des Faser-Bragg-Gitters und damit die Dehnung der Struktur widerspiegelt, in welche das Faser-Bragg-Gitter eingebettet ist.
3 veranschaulicht eine Sensoreinheit 303, welche ein Faser-Bragg-Gitter 304 aufweist.
Obwohl in 3 nur ein einziges Faser-Bragg-Gitter 304 gezeigt ist, ist zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine Datenerfassung aus einem einzelnen Faser-Bragg-Gitter 304 beschränkt ist, sondern dass längs einer Übertragungsfaser bzw. einer Sensorfaser eine Vielzahl von Faser-Bragg-Gittern 304 angeordnet sein können. 3 zeigt somit nur einen Abschnitt eines optischen Wellenleiters, welcher als Sensorfaser 306 ausgebildet ist, wobei diese Sensorfaser 306 empfindlich auf eine Faserdehnung 308 ist.
Eine Mittenwellenlänge des Faser-Bragg-Gitters, d. h. eine so genannte Bragg-Wellenlänge λ_W, wird durch die folgende Gleichung erhalten: λ_W = 2·n_k·A
Hierbei ist n_k die effektive Brechzahl des Grundmodus des Kerns der Sensorfaser 306 und A die räumliche Gitterperiode (Modulationsperiode) des Faser-Bragg-Gitters.
Eine spektrale Breite, die durch eine Halbwertsbreite der Reflexionsantwort gegeben ist, hängt von der Ausdehnung des Faser-Bragg-Gitters 304 längs der Sensorfaser 306 ab. Die Lichtausbreitung innerhalb der Sensorfaser 301 ist somit durch die Wirkung des Faser-Bragg-Gitters 304 beispielsweise abhängig von Kräften, Momenten und mechanischen Spannungen sowie Temperaturen, mit der die Sensorfaser 306 und insbesondere das Sensorelement 304 innerhalb der Sensorfaser 304 beaufschlagt werden.
Ein derartiges, als Faser-Bragg-Gitter 304 ausgebildetes Sensorelement kann beispielsweise mittels Laserstrahlung im Ultraviolett-Spektralbereich bereitgestellt werden, indem das Gitter durch eine durch UV-Strahlung hervorgerufene Brechungsindexänderung im Bereich des Sensorelements erzeugt wird. Zu diesem Zweck wird ein in 3 nicht gezeigter UV-Laserstrahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, welche unter einem vorgebbaren Winkel im Sensorort-Volumen gekreuzt werden.
Ein resultierendes Interferenzmuster, das durch die gekreuzten UV-Laserstrahlen hervorgerufen wird, entspricht dann ungefähr dem in 3 durch gekrümmte Linien 304 veranschaulichten, modulierten Brechungsindex-Verlauf im Bereich des Sensorelements. Wie in 3 gezeigt, tritt Messlicht 204 von links in die Sensorfaser 306 ein, wobei ein Teil des Messlichts 204 als ein transmittiertes Licht 206 mit einem im Vergleich zum Messlicht 204 veränderten Wellenlängenverlauf austritt. Ferner ist es möglich, reflektiertes Licht 205 am Eingangsende der Faser (d. h. an dem Ende, an welchem auch das Messlicht 204 eingestrahlt wird) zu empfangen, wobei das reflektierte Licht 204 ebenfalls eine modifizierte Wellenlängenverteilung, wie sie beispielsweise in 4 dargestellt ist (Sensorreflexionsantwort), aufweist.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass das Faser-Bragg-Gitter 304 auf unterschiedliche Kräfte, Momente und Dehnungen empfindlich ausgelegt werden kann, auch auf derartige, die nicht in Richtung einer Sensorachse 307 des als Faser-Bragg-Gitter 304 ausgebildeten Sensorelements ausgerichtet sind (Faserdehnung 308).
In einem Fall, in dem das Messlicht 204 in einem breiten Spektralbereich eingestrahlt wird, ergibt sich in dem transmittierten Licht 206 an der Stelle der Bragg-Wellenlänge ein Absorptionsminimum (im Vergleich zu dem in 4 gezeigten Verlauf invertierter Verlauf). In dem reflektierten Licht ergibt sich an dieser Stelle ein Reflexionsmaximum, welches unten stehend unter Bezugnahme auf 4 erläutert wird.
4 stellt schematisch eine Sensorreflexionsantwort 400 dar, die empfangen wird, wenn breitbandiges Messlicht 204 eingestrahlt wird, und wenn die Mittenwellenlänge des Faser-Bragg-Gitters 304 (3), d. h. die Bragg-Wellenlänge λ_B, der gestrichelten Linie 403 entspricht.
Die Sensorreflexionsantwort 400 weist einen bezüglich der Mittenwellenlänge 403 symmetrischen Verlauf auf, wobei der Verlauf eine Halbwertsbreite (FWHM, Full Width at Half Maximum), d. h. eine spektrale Breite bei der Hälfte der Maximalintensität aufweist. Dieser Bereich ist durch ein Bezugszeichen 404 gekennzeichnet ist. Bei dem in 2 gezeigten Anwendungsbeispiel wird nun diese Sensorreflexionsantwort 400 mittels der spektroskopischen Messvorrichtung 100 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung räumlich abgetastet.
Schematisch sind in 4 hierbei räumliche Abtastpunkte 405 (Kreise) eingezeichnet. Durch die Auswertung des in der Detektoreinheit 104 aufgenommenen modifizierten Sekundärlichts 203 ist es nunmehr möglich, den in 4 gezeigten Verlauf, d. h. die Sensorreflexionsantwort 400 als Funktion einer Wellenlänge λ zu erhalten. D. h., in 4 ist eine Intensitätsverteilung I(λ), d. h. die von dem Sensorelement 304 zurückgeworfene Intensität als Funktion der Wellenlänge λ dargestellt.
Eine durch die spektroskopische Messvorrichtung 100 zu erfassende Wellenlängenverteilung ergibt sich durch einen Wellenlängen-Ansprechbereich 406, der durch den Doppelpfeil in 4 dargestellt ist. Modifiziertes Sekundärlicht 203 weist in diesem Bereich Wellenlängenkomponenten auf, wenn das Faser-Bragg-Gitter 304 vermessen wird. Das modifizierte Sekundärlicht 203 entspricht dann der in 4 dargestellten Sensorreflexionsantwort 400, d. h., eine Reflexionsintensität 402 wird als Funktion der Wellenlänge 401 aufgenommen. Es sei hier darauf hingewiesen, dass die Vermessung einer Sensorreflexionsantwort 400 nur ein Beispiel für zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten der spektroskopischen Messvorrichtung 100 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist.
5 zeigt eine spektroskopische Messvorrichtung 100, bei welcher das Fluoreszenzelement 105 in Transmission betrieben wird.
Die spektroskopische Messvorrichtung 100 weist als das wellenlängendispersive Element 103 ein optisches Gitter auf, welches als Reflexionsgitter ausgebildet ist und welches das über den Eintrittsspalt 102 eingestrahlte Primärlicht 201 nach Reflexion in Sekundärlichtkomponenten 202 zerlegt. Die spektrale Breite der Sekundärlichtkomponenten kann einem Wellenlängen-Ansprechbereich 106 einer Sensorreflexionsantwort 400, wie sie oben stehend unter Bezugnahme auf 4 beschrieben ist, entsprechen. Das Fluoreszenzelement 104 nimmt die Sekundärlichtkomponenten 202 auf und strahlt modifizierte Sekundärlichtkomponenten 203 auf der Grundlage der aufgenommenen Sekundärlichtkomponenten 202 und der Fluoreszenzabklingzeit des Fluoreszenzelements 105 ab.
Die Detektoreinheit 104 ist ausgelegt zur Erfassung der modifizierten Sekundärlichtkomponenten 203 und zur Ausgabe eines elektrischen Ausgangssignals 207 auf der Grundlage der erfassten modifizierten Sekundärlichtkomponenten 203. Es sei hier darauf hingewiesen, dass, obwohl dies in 5 nicht gezeigt ist, das Fluoreszenzelement 105 und die Detektoreinheit 104 integral als eine Einheit ausgebildet sein können, derart, dass das Fluoreszenzelement direkt auf die Detektoreinheit (beispielsweise die Detektorzeile) 104 aufgebracht ist.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Fluoreszenzelement 105 als eine Beschichtung auf die Detektoreinheit 104 aufgebracht. Die Beschichtung besteht vorzugsweise aus einem Material, welches eine große Fluoreszenz-Abklingzeit von typischerweise in einem Bereich von 100 Nanosekunden bis 1500 Mikrosekunden, und in bevorzugter Weise von ungefähr 500 Mikrosekunden aufweist. Die Beschichtung kann aus einem Material bestehen, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Erbium-dotierten Glas, einem organischen Farbstoff, einer Lanthanoidkomplexverbindung, einem fluoreszierenden anorganischen Material und jedweder Kombination davon.
In dem Fall, dass das auftreffende Primärlicht 201 Schwankungen in der Wellenlänge und/oder Intensitätsschwankungen bzw. Störungen aufweist, werden diese optisch durch die Fluoreszenz-Abklingzeit des Fluoreszenzelements 105 geglättet. Durch Vibrationen und Störungen kann beispielsweise der Ort des modifizierten Sekundärlichts 203 auf der Detektoreinheit 104 (Detektorzeile) variieren.
Das Primärlicht 201 stellt hierbei einen spektral schmalen Anteil des in die Sensoreinheit eingestrahlten Messlichts 204 dar. Dieser spektrale Anteil wird mit der spektroskopischen Messvorrichtung 100 ausgewertet. Um mehrere Faser-Bragg-Gitter 304 (3) längs einer Sensorfaser 306 abzufragen, können einzelnen Sensoreinheiten (Faser-Bragg-Gittern) 304 jeweils unterschiedliche spezifische Reflexionswellenlängen zugeordnet werden. Durch Auswertung der aufgenommenen Spektren können die spezifischen Mittelwellenlängen der einzelnen Sensoreinheiten 304 extrahiert werden. Auf diese Weise kann auf am jeweiligen Sensorort vorherrschende Zustandsvariablen geschlossen werden.
Bei der spektrometrischen Auswertung von Faser-Bragg-Gitter-Sensorsignalen ergibt sich durch die zeitdiskrete Abtastung des Spektrums auf der Detektorzeile 104 keine Möglichkeit, nachträglich eine Tiefpassfilterung der Sensorsignale im Zeitbereich durchzuführen. Bei der Abtastung hochfrequenter Signale treten somit bei der spektralen Signalauswertung unvermeidliche Spiegelfrequenzen entsprechend dem Nyquist-Theorem auf, welche beispielsweise bei der Verwendung von Faser-Bragg-Gitter-Messsensoren in Regelanwendungen störend sein können. Durch hochfrequente Störungen können so genannte Aliasing-Effekte auftreten, welche einen Fundamentaltyp einer Frequenzbereichsstörung darstellen, wobei eine derartige Störung jedwedes System beeinträchtigt, das ein Signal abtastet, das nicht bandbegrenzt auf die Hälfte der Abtastfrequenz ist.
Bei elektrischen Sensoren wird ein derartiger Messparameter durch ein analoges Spannungssignal dargestellt, wobei Aliasing-Komponenten durch Einfügen eines elektrischen Tiefpassfilters vor einer Abtastung beseitigt oder zumindest reduziert. Eine derartige elektrische Filterung ist aus den oben genannten Gründen bei einer Abtastung mit einer Detektorzeile mit fester Abtastfrequenz nicht möglich. Sind Störungen im optischen Signal bei hohen Frequenzen vorhanden, so treten Spiegelfrequenzen in dem elektrischen Abtastsignal (elektrisches Ausgangssignal) 207 auf. Die vorliegende Erfindung vermeidet derartige Spiegelfrequenzen, indem mittels des Fluoreszenzelements 105 eine optische Glättung (Tiefpassfilterung) bereitgestellt wird.
Das in 5 gezeigte Reflexionsgitter reflektiert jede Wellenlänge auf einen spezifischen Ort auf dem Fluoreszenzelement 105 bzw. auf der Detektoreinheit 104. Das einfallende Licht auf den verschiedenen Bildelementen wird konvertiert in einen Fotostrom, integriert, vorverarbeitet und dann durch eine geeignete Ausleseschaltung multiplexiert. Eine derartige Wellenlängenaufspaltung wird in der in 5 gezeigten Anordnung mittels Lichtbeugung an dem als optisches Gitter ausgebildeten wellenlängendispersiven Element 103 bereitgestellt. Die eingestrahlten Sekundärlichtkomponenten 202 werden durch das Fluoreszenzelement 105 transmittiert und dabei in die modifizierten Sekundärlichtkomponenten 203 konvertiert.
6 zeigt eine schematische Anordnung einer spektroskopischen Messvorrichtung 100, bei welcher das Fluoreszenzelement 105 in Reflexion betrieben wird, gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel.
Da die von dem Fluoreszenzelement 105 bereitgestellte Fluoreszenz (das Fluoreszenzlicht bzw. die modifizierten Sekundärlichtkomponenten 203) in unterschiedlichen Richtungen aus dem Fluoreszenzelement 105 austreten kann, ist unter Umständen die in 6 gezeigte Anordnung vorteilhaft. Das Fluoreszenzlicht, d. h. die modifizierten Sekundärlichtkomponenten 203, werden über eine durch eine Linse schematisch dargestellte Abbildungsoptik 106 auf die Detektoreinheit 104 abgebildet.
Die Detektoreinheit 104 befindet sich nunmehr nicht mehr, wie in 5 gezeigt, hinter dem Fluoreszenzelement 105, sondern unter einem Winkel vor dem Fluoreszenzelement 105. Auf diese Weise lässt sich, wie in 6 gezeigt, eine Anordnung bereitstellen, die für verschiedene Anwendungsfälle flexibel einstellbar ist. Das in 6 gezeigte Fluoreszenzelement 105 ist somit zur Reflexion der eingestrahlten Sekundärlichtkomponenten 202 in modifizierte Sekundärlichtkomponenten 203 ausgelegt. Hierbei werden die eingestrahlten Sekundärlichtkomponenten 202 an dem Fluoreszenzelement reflektiert und dabei in die modifizierten Sekundärlichtkomponenten 203 konvertiert.
7 veranschaulicht einen Gesamtaufbau eines Messsystems zur Erfassung einer Sensorreflexionsantwort 400 unter Verwendung der spektroskopischen Messvorrichtung 100 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
Eine Lichtquelle 101 strahlt das Messlicht 204 zu dem Messobjekt 300 ab, welches in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Sensorreflexionsantwort 400 ausgibt. Diese Sensorreflexionsantwort 400 wird als ein reflektiertes Licht 205 zu der spektroskopischen Messvorrichtung 100 gesendet. Das reflektierte Licht 205 wird als das Primärlicht 201 mittels des Eintrittsspalts 102 in die spektroskopische Messvorrichtung 100 eingegeben. Die oben stehend unter Bezugnahme auf die 1, 5 und 6 beschriebenen Komponenten der spektroskopischen Messvorrichtung 100 sind in 7 nur schematisch dargestellt, um den optischen und elektrischen Signalfluss zu verdeutlichen.
Das Primärlicht 201 wird auf ein wellenlängendispersives Element 103 gerichtet, welches beispielsweise als ein optisches Reflexionsgitter ausgebildet ist. Dieses optische Reflexionsgitter stellt eine Lichtbeugung des aufgenommenen Primärlichts 201 in Sekundärlichtkomponenten 202 bereit. Die Sekundärlichtkomponenten 202, die einer räumlichen Zerlegung des Primärlichts 201 hinsichtlich seiner Wellenlängenkomponenten entsprechen, werden von dem Fluoreszenzelement 105 aufgenommen.
Das Fluoreszenzelement 105 strahlt entsprechend der Fluoreszenzabklingzeit modifizierte Sekundärlichtkomponenten 203 auf der Grundlage der eingestrahlten Sekundärlichtkomponenten 202 ab. Durch die Nachleuchtdauer, d. h. die Fluoreszenz des Fluoreszenzelements 105, klingen diese modifizierten Sekundärlichtkomponenten 203 langsamer ab als in einer Messanordnung ohne das Fluoreszenzelement 105, d. h. hochfrequente Störungen, die den Sekundärlichtkomponenten 202 überlagert sind, können durch Zusammenwirkung des Fluoreszenzelements 105 mit der Detektoreinheit 104 eliminiert oder zumindest reduziert werden.
Die Detektoreinheit 104 gibt ein elektrisches Ausgangssignal aus, welches die an den einzelnen Bildelementen (Pixel) der Detektoreinheit 104 anliegende Intensität widerspiegelt. Auf diese Weise wird eine Wellenlängenverteilung auswertbar. Zu diesem Zweck wird das elektrische Ausgangssignal 207 einer Auswerteeinheit 305 zugeführt, welche ausgelegt ist zur Auswertung der spektralen Zerlegung des Primärlichts 201 auf der Grundlage des elektrischen Ausgangssignals 207. Ein Ergebnis der Auswertung wird als entsprechendes Messergebnis 208 aus der Auswerteeinheit 305 ausgegeben. In der Auswerteeinheit 305 wird beispielsweise eine Schwerpunktbestimmung zur Bestimmung der oben erläuterten Bragg-Wellenlänge (Mittenwellenlänge 403 (4)) ausgeführt.
8 veranschaulicht ein Übertragungsfunktionsdiagramm 500 mit zwei unterschiedlichen Übertragungscharakteristika 503, 504, zur Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung.
In dem in 8 gezeigten Übertragungsfunktionsdiagramm 500 ist eine Amplitude 502 in releativen Einheiten von 0 bis 10 als Funktion einer Frequenz 501 aufgetragen, wobei die in Amplitude und Frequenz dargestellten Übertragungscharakteristika 503, 504 Verläufe darstellen, die sich durch Aufnahme der Sekundärlichtkomponenten 203 mit der Detektoreinheit 104, welche eine vorgegebene Detektorabtastzeit aufweist, ergeben.
Als eine erste Übertragungscharakteristik 503 ist eine derartige Charakteristik dargestellt, welche sich in einer Anordnung ohne Fluoreszenzelement 105 bzw. bei abgeschaltetem Fluoreszenzelement ergibt. Die erste Übertragungscharakteristik 503 ist somit ein Amplituden-über-Frequenzverlauf-Diagramm, welches große Nebenmaxima aufweist. D. h., höhere Störfrequenzen, die in einem Messsignal enthalten sind, können sich auf das Messergebnis auswirken und hier Aliasing-Effekte hervorrufen.
Ein erstes Minimum 506 der jeweiligen Übertragungscharakteristika 503, 504 entspricht hierbei der durch die Detektorzeile 104 bereitgestellten Detektorabtastfrequenz bzw. dem Kehrwert der Detektorabtastzeit gemäß der folgenden Beziehung: f_a = 1/T_a, wobei f_a die Detektorabtastfrequenz darstellt und T_a die Detektorabtastzeit darstellt.
Die kombinierte zeitliche Integration und die zeitliche diskrete Abtastung ohne Wirkung des Fluoreszenzelements 105 resultiert in der ersten Übertragungscharakteristik 503, welche einen sin(x)/x = si(x) strichartigen Verlauf aufweist.
Wird hingegen, wie dies in der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, der Detektoreinheit 104 ein Fluoreszenzelement 105 vorgeschaltet, ergibt sich die zweite Übertragungscharakteristik 504, welche deutlich gedämpfte Nebenmaxima aufweist, d. h. höhere Frequenzen werden optisch teilweise oder vollständig ausgefiltert.
Ein Bezugszeichen 505 bezeichnet eine Nyquist-Abtastgrenze f_max, welche sich gemäß dem Nyquist-Kriterium aus der Detektorabtastfrequenz f_a ergibt und gegeben ist durch die folgende Beziehung: f_max < f_a/2.
Somit liegt die durch die gestrichelte Linie in 8 gezeigte Nyquist-Abtastgrenze 505 frequenzmäßig bei der halben Frequenz der Abtastfrequenz f_a. In Abhängigkeit von einer Fluoreszenz-Lebensdauer bzw. einer Fluroeszenz-Abklingzeit des Fluoreszenzelements 505, einer Quanteneffizienz der Absorption in der fluoreszierenden Schicht, einer Abtastfrequenz und eines Betriebszyklus der Detektoreinheit 104 können die in der Übertragungsfunktion auftretenden Signalamplituden in der Nähe höherer Harmonischer der Abtastfrequenz ausreichend gedämpft werden.
Als fluoreszierende Medien können Erbium-dotierte Gläser für den Wellenlängenbereich um 1550 nm wie auch organische und anorganische Farbstoffe mit entsprechenden Lebensdauern eingesetzt werden. Somit werden Aliasing-Artefakte vermieden, welche dann auftreten würden, wenn die Abtastfrequenz weniger als doppelt so groß ist wie die Frequenz des untersuchten Signals.
9 ist ein Flussdiagramm, welches ein spektroskopisches Messverfahren zum Messen einer spektralen Zerlegung von zu analysierendem Primärlicht 201 in Schritten S1 bis S9 veranschaulicht.
Die Prozedur startet bei einem Schritt S1, wobei in einem Schritt S2 zu analysierendes Primärlicht 201 in einen Eintrittsspalt 102 einer spektroskopischen Messvorrichtung 100 eingestrahlt wird. Schließlich wird das eingestrahlte, zu analysierende Primärlicht 201 mittels eines wellenlängendispersiven Elements 103 aufgenommen (Schritt S3) und räumlich in Sekundärlichtkomponenten 202 mittels des wellenlängendispersiven Elements 103 zerlegt (Schritt S4).
In einem anschließenden Schritt S5 wird das in Sekundärlichtkomponenten 202 zerlegte Primärlicht 201 in ein Fluoreszenzelement 105 eingestrahlt. In dem Fluoreszenzelement 105, welches eine vorgegebene Fluoreszenz-Abklingzeit aufweist, werden modifizierte Sekundärlichtkomponenten 203 auf der Grundlage der aufgenommenen Sekundärlichtkomponenten 202 und der Fluoreszenz-Abklingzeit des Fluoreszenzelements 105 erzeugt. Die modifizierten Sekundärlichtkomponenten 203 weisen eine längere Nachleuchtdauer auf, als dies die Sekundärlichtkomponenten 202, die aus dem wellenlängendispersiven Element 103 austreten, aufweisen würden.
Schließlich rückt die Prozedur zu einem Schritt S7 vor, bei dem die modifizierten Sekundärlichtkomponenten 203 erfasst werden. Die modifizierten Sekundärlichtkomponenten 203 werden pixelweise in ein elektrisches Signal konvertiert, wobei sämtliche elektrischen Signale ein elektrisches Ausgangssignal 207 ergeben, welches auf der Grundlage der erfassten modifizierten Sekundärlichtkomponenten 203 aus der Detektoreinheit 104 ausgegeben wird.
In einem anschließenden Schritt S8 wird das ausgegebene elektrische Ausgangssignal 207 analysiert und hinsichtlich der spektralen Zerlegung des Primärlichts 201 mittels einer elektrischen Auswerteeinheit 305 analysiert. Eine so erhaltene Analyse wird schließlich als ein Messergebnis 208 aus der Auswerteeinheit 305 ausgegeben. Danach wird die Prozedur in einem Schritt S9 beendet.
Die erfindungsgemäße spektroskopische Messvorrichtung zur spektralen Zerlegung von eingestrahltem Primärlicht 201 und das zugehörige Messverfahren zur Analyse des Primärlichts 201 sind anwendbar auf die Auswertung von Faser-Bragg-Sensorsignalen, wenn die Antworten der Faser-Bragg-Gitter einem Eingangsspalt 102 der spektroskopischen Messvorrichtung 100 zugeleitet werden. Hierbei werden allgemein Störungen, die hohe Frequenzen aufweisen und zu Aliasing-Artefakten führen würden, weitestgehend eliminiert.
Wird eine zweidimensionale Detektoreinheit, d. h. ein Detektor-Array aus einer zweidimensionalen Anordnung von Bildelementen (Pixel) bereitgestellt, so ergeben sich weitere Anwendungen im zweidimensionalen Tracking von Lichtpunkten für beispielsweise Justage-Aufgaben, wobei wiederum störende Artefakte durch Aliasing-Effekte vermieden werden.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich in der Biosensorik, bei der Temperaturmessung, bei der Kraft- und Drehmomentmessung sowie bei der Erfassung von Dehnungen.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Auch ist die Erfindung nicht auf die genannten Anwendungsmöglichkeiten beschränkt.
Bezugszeichenliste

100: Spektrokopische Messvorrichtung
101: Lichtquelle
102: Eintrittsspalt
103: wellenlängendispersives Element
104: Detektoreinheit
105: Fluoreszenzelement
106: Abbildungsoptik
201: Primärlicht
202: Sekundärlicht
203: modifiziertes Sekundärlicht
204: Messlicht
205: reflektiertes Licht
206: transmittiertes Licht
207: elektrisches Ausgangssignal
208: Messergebnis
300: Messobjekt
301: Faserkoppler
302: Übertragungsfaser
303: Sensoreinheit
304: Faser-Bragg-Gitter
305: Auswerteeinheit
306: Sensorfaser
307: Sensorachse
308: Faserdehnung
400: Sensorreflexionsantwort
401: Wellenlänge
402: Reflexionsintensität
403: Mittenwellenlänge
404: Halbwertsbreite
405: räumlicher Abtastpunkt
406: Wellenlängen-Ansprechbereich
500: Übertragungsfunktionsdiagramm
501: Frequenz
502: Amplitude
503: erste Übertragungscharakteristik
504: zweite Übertragungscharakteristik
505: Nyquist-Abtastgrenze
506: Abtastfrequenz

Claims

Spektroskopische Messvorrichtung (100) zur spektralen Zerlegung von eingestrahltem Primärlicht (201), umfassend: einen Eintrittspalt (102), der ausgelegt ist zur Eingabe des Primärlichts (201); ein wellenlängendispersives Element (103), das ausgelegt ist zur Aufnahme des eingegebenen Primärlichts (201) und zur räumlichen Zerlegung des Primärlichts (201) in Sekundärlichtkomponenten (202); ein Fluoreszenzelement (105), das ausgelegt ist zur Aufnahme der Sekundärlichtkomponenten (202) und zur Abstrahlung von modifizierten Sekundärlichtkomponenten (203) auf der Grundlage der aufgenommenen Sekundärlichtkomponenten (202) und einer Fluoreszenzabklingzeit des Fluoreszenzelements (105); eine Detektoreinheit (104), die ausgelegt ist zur Erfassung der modifizierten Sekundärlichtkomponenten (203) und zur Ausgabe eines elektrischen Ausgangssignals (207) auf der Grundlage der erfassten modifizierten Sekundärlichtkomponenten (203); und eine Auswerteeinheit (305), die ausgelegt ist zur Auswertung der spektralen Zerlegung des Primärlichts (201) auf der Grundlage des elektrischen Ausgangssignals (207).
Messvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei eine räumliche Ausdehnung des Fluoreszenzelements (105) mit einer räumlichen Ausdehnung der Detektoreinheit (104) übereinstimmt.
Messvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Detektoreinheit (104) eine Vielzahl von in einer Zeile angeordneten Bildelementen umfasst.
Messvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Detektoreinheit (104) eine Vielzahl von in einer Fläche angeordneten Bildelementen umfasst.
Messvorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das wellenlängendispersive Element (103) als ein optisches Gitter bereitgestellt ist.
Messvorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das wellenlängendispersive Element (103) als ein optische Prisma bereitgestellt ist.
Messvorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Fluoreszenzelement (105) als eine Beschichtung auf der Detektoreinheit (104) ausgebildet ist.
Messvorrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei die Beschichtung aus einem Material besteht, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Erbium-dotierten Glas, einem organischen Farbstoff, einer Lanthanoidkomplexverbindung, einem fluoreszierenden anorganischen Material und jedweder Kombination davon.
Messvorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Detektoreinheit (104) eine Detektorabtastzeit in einem Bereich von 50 Mikrosekunden (μs) bis 800 Mikrosekunden (μs), und typischerweise von ungefähr 150 Mikrosekunden (μs) aufweist.
Messvorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Fluoreszenzelement (105) eine Fluoreszenzabklingzeit in einem Bereich von 100 Nanosekunden (ns) bis 1500 Mikrosekunden (μs), und typischerweise von ungefähr 500 Mikrosekunden (μs) aufweist.
Messvorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Fluoreszenzelement (105) ausgelegt ist zur Transmission der eingestrahlten Sekundärlichtkomponenten (202) in die modifizierten Sekundärlichtkomponenten (203).
Messvorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Fluoreszenzelement (105) ausgelegt ist zur Reflexion der eingestrahlten Sekundärlichtkomponenten (202) in die modifizierten Sekundärlichtkomponenten (203).
Messvorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Eintrittsspalt als eine Lichtaustrittsöffnung eines optischen Wellenleiters bereitgestellt ist.
Spektroskopisches Messverfahren zum Messen einer spektralen Zerlegung von zu analysierendem Primärlicht (201), mit den Schritten: Einstrahlen des zu analysierenden Primärlichts (201) in einen Eintrittsspalt; Aufnehmen des eingestrahlten, zu analysierenden Primärlichts (201) mittels eines wellenlängendispersiven Elements (103); räumliches Zerlegen des aufgenommenen Primärlichts (201) in Sekundärlichtkomponenten (202) mittels des wellenlängendispersiven Elements (103); Einstrahlen der Sekundärlichtkomponenten (202) in ein Fluoreszenzelement (105); Abstrahlen, aus dem Fluoreszenzelement (105), von modifizierten Sekundärlichtkomponenten (203) auf der Grundlage der aufgenommenen Sekundärlichtkomponenten (202) und einer Fluoreszenzabklingzeit des Fluoreszenzelements (105); Erfassen der modifizierten Sekundärlichtkomponenten (203) und Ausgeben eines elektrischen Ausgangssignals (207) auf der Grundlage der erfassten modifizierten Sekundärlichtkomponenten (203) mittels einer Detektoreinheit (104); und Analysieren des ausgegebenen elektrischen Ausgangssignals (207) und Auswerten der spektralen Zerlegung des Primärlichts (201) mittels einer elektrischen Auswerteeinheit (305).
Messverfahren nach Anspruch 14, wobei das räumliche Zerlegen des aufgenommenen Primärlichts (201) in Sekundärlichtkomponenten (202) mittels Lichtbeugung an einem optischen Gitter durchgeführt wird.
Messverfahren nach Anspruch 14, wobei das räumliche Zerlegen des aufgenommenen Primärlichts (201) in Sekundärlichtkomponenten (202) mittels Lichtbrechung in einem optischen Prisma durchgeführt wird.
Messverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die eingestrahlten Sekundärlichtkomponenten (202) durch das Fluoreszenzelement (105) transmittiert und dabei in die modifizierten Sekundärlichtkomponenten (203) konvertiert werden.
Messverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die eingestrahlten Sekundärlichtkomponenten (202) an dem Fluoreszenzelement (105) reflektiert und dabei in die modifizierten Sekundärlichtkomponenten (203) konvertiert werden.