DE102015224064A1 - Light-guiding device and method for operating a light-guiding device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Lichtleitvorrichtung (100) zum Leiten eines Lichtstrahls (110) auf eine Messeinheit zum Messen einer Stoff- oder Gaskonzentration. Die Lichtleitvorrichtung (100) umfasst eine Lichtleiteinheit (102) mit einem Einkoppelabschnitt (104) zum Einkoppeln des Lichtstrahls (110) und einem Auskoppelabschnitt (106) zum Auskoppeln des Lichtstrahls (110) in einen Strahlgang zur Messeinheit. Des Weiteren umfasst sie eine Lichtaufnahmeeinheit (108), die ausgebildet ist, um einen beim Aussenden des Lichtstrahls (110) an der Lichtleiteinheit (102) vorbeigehenden Anteil (112) des Lichtstrahls (110) und/oder einen beim Leiten des Lichtstrahls (110) zwischen dem Einkoppelabschnitt (104) und dem Auskoppelabschnitt (106) ausgekoppelten Transmissionsanteil (114) des Lichtstrahls (110) zu detektieren und/oder weiterzuleiten.The invention relates to a light-conducting device (100) for directing a light beam (110) onto a measuring unit for measuring a substance or gas concentration. The light guide device (100) comprises a light guide unit (102) having a coupling-in section (104) for coupling the light beam (110) and a coupling-out section (106) for coupling the light beam (110) into a beam path to the measuring unit. Furthermore, it comprises a light receiving unit (108) which is designed to detect a portion (112) of the light beam (110) passing by the light guide unit (102) when emitting the light beam (110) and / or a light beam (110). between the coupling portion (104) and the decoupling portion (106) coupled-out transmission component (114) of the light beam (110) to detect and / or forward.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.The invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims. The subject of the present invention is also a computer program.
Abgase können beispielsweise mittels Absorptionsspektroskopie im UV-Bereich detektiert werden. Hierfür kann das Licht von LEDs geteilt werden, wobei ein Teil auf einen Referenzdetektor und ein weiterer Teil, etwa über eine Glasfaser, zu einer Messzelle in einem Abgasstrang geführt werden kann.Exhaust gases can be detected, for example, by means of absorption spectroscopy in the UV range. For this purpose, the light can be shared by LEDs, wherein a part can be guided to a reference detector and another part, such as a glass fiber, to a measuring cell in an exhaust line.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Lichtleitvorrichtung zum Leiten eines Lichtstrahls auf eine Messeinheit zum Messen einer Gaskonzentration, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Lichtleitvorrichtung, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.Against this background, with the approach presented here, a light-guiding device for directing a light beam onto a measuring unit for measuring a gas concentration, a method for operating such a light-guiding device, furthermore a control unit which uses this method, and finally a corresponding computer program according to the main claims are presented. The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claim device are possible.
Es wird eine Lichtleitvorrichtung zum Leiten eines Lichtstrahls auf eine Messeinheit zum Messen einer Stoff- oder Gaskonzentration vorgestellt, wobei die Lichtleitvorrichtung folgende Merkmale aufweist:
eine Lichtleiteinheit mit einem Einkoppelabschnitt zum Einkoppeln des Lichtstrahls und einem Auskoppelabschnitt zum Auskoppeln des Lichtstrahls in einen Strahlgang zur Messeinheit; und
eine Lichtaufnahmeeinheit, die ausgebildet ist, um einen beim Aussenden des Lichtstrahls an der Lichtleiteinheit vorbeigehenden Anteil des Lichtstrahls und/oder einen beim Leiten des Lichtstrahls zwischen dem Einkoppelabschnitt und dem Auskoppelabschnitt ausgekoppelten Transmissionsanteil des Lichtstrahls zu detektieren und/oder weiterzuleiten.A light-guiding device for guiding a light beam to a measuring unit for measuring a substance or gas concentration is presented, wherein the light-guiding device has the following features:
a light guide unit having a coupling-in section for coupling the light beam and a coupling-out section for coupling the light beam into a beam path to the measuring unit; and
a light-receiving unit which is designed to detect and / or forward a portion of the light beam passing by the light-guiding unit when the light beam is emitted and / or a transmission component of the light beam coupled out between the coupling-in portion and the coupling-out portion when the light beam is conducted.
Unter einer Messeinheit kann beispielsweise eine Messzelle, ein Messdetektor oder ein Referenzdetektor verstanden werden. Unter einer Lichtleiteinheit kann beispielsweise eine Linse oder ein Lichtleiter, etwa ein planarer Lichtleiter oder ein Glasfaserkabel, verstanden werden. Bei dem Einkoppelausschnitt bzw. dem Auskoppelabschnitt kann es sich jeweils um eine Querschnittsfläche eines Endes der Lichtleiteinheit handeln. Unter einer Lichtaufnahmeeinheit kann beispielsweise eine Detektoreinheit, etwa ein Fotodetektor, zum Detektieren des vorbeigehenden Anteils oder ausgekoppelten Transmissionsanteils oder eine mit der Lichtleiteinheit verbundene weitere Lichtleiteinheit zum Weiterleiten des vorbeigehenden Anteils oder ausgekoppelten Transmissionsanteils, etwa an einen Referenzdetektor, verstanden werden. Beispielsweise kann die Lichtaufnahmeeinheit ausgebildet sein, um Anteile des Lichtstrahls, die zwischen dem Ein- und Auskoppelabschnitt durch eine Mantelfläche der Lichtleiteinheit durchgelassen bzw. ausgekoppelt werden, aufzunehmen.By a measuring unit, for example, a measuring cell, a measuring detector or a reference detector can be understood. A light-guiding unit may, for example, be understood to mean a lens or a light guide, for example a planar light guide or a fiber optic cable. The coupling-in section or the coupling-out section can each be a cross-sectional area of one end of the light-guiding unit. For example, a detector unit, for example a photodetector, for detecting the passing component or coupled-out transmission component or a further light-guiding unit connected to the light-guiding unit, can be understood to be a forwarding unit or a coupled-out transmission component, for example a reference detector. For example, the light receiving unit may be configured to receive portions of the light beam that are transmitted or coupled out between the input and output coupling sections through a lateral surface of the light guide unit.
Die Lichtleitvorrichtung eignet sich beispielsweise zur Verwendung in der Absorptionsspektroskopie, insbesondere zu Referenzmessungen in der UV-Absorptionsspektroskopie zur optischen Detektion von (Ab-)Gasen wie Stickoxiden (NO, NO2), Schwefeloxiden (SO2), Ammoniak (NH3) oder Ozon (O3).The light-guiding device is suitable, for example, for use in absorption spectroscopy, in particular for reference measurements in UV absorption spectroscopy for the optical detection of (off) gases such as nitrogen oxides (NO, NO 2 ), sulfur oxides (SO 2 ), ammonia (NH 3 ) or ozone (O 3 ).
Der hier beschriebene Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, Lichtverluste, die beim Leiten eines Lichtstrahls durch eine Lichtleitvorrichtung auftreten, aufzufangen und diese zu nutzen, um beispielsweise eine Referenzmessung zum Bestimmen einer Referenzintensität durchzuführen. Die Lichtverluste können beispielsweise beim Einkoppeln und Teilen des Lichts auftreten. Der hier beschriebene Ansatz bietet den Vorteil, dass bereits verlorenes Licht bei der Kopplung aus einer Lichtquelle in einen Lichtleiter und/oder von einem Lichtleiter in einen weiteren Lichtleiter ausgenutzt werden kann, um die Systemeffizienz zu erhöhen.The approach described here is based on the knowledge that it is possible to absorb and use light losses which occur when a light beam passes through a light guide device, for example to perform a reference measurement for determining a reference intensity. The light losses can occur, for example, when coupling and sharing the light. The approach described here has the advantage that already lost light can be exploited in the coupling from a light source into a light guide and / or from a light guide into another light guide in order to increase the system efficiency.
Beim Übertragen von Licht von einer optischen Komponente zu einer anderen optischen Komponente können Lichtverluste auftreten. Dies kann beispielsweise beim Einkoppeln von Licht aus Lichtquellen in einen Lichtleiter wie etwa Glasfasern oder Wellenleiter oder auch bei der Übertragung von einem Lichtleiter in einen weiteren Lichtleiter, etwa zwischen Glasfasern und Wellenleiter, der Fall sein. Die Lichtverluste können beispielsweise durch (Fresnel-)Reflexionen an Grenzflächen, durch Ausrichtungsfehler der optischen Komponenten zueinander, wie beispielsweise Verschiebung oder Verkippung, durch mangelhafte Oberflächen von Facetten, durch unterschiedlich große Facettenflächen verschiedener Komponenten oder durch unterschiedliche Akzeptanzwinkel verursacht sein.When transmitting light from one optical component to another optical component, light losses can occur. This may be the case, for example, when coupling light from light sources into a light guide, such as glass fibers or waveguides, or when transmitting from one light guide to another light guide, such as between glass fibers and waveguides. The light losses may be caused for example by (Fresnel) reflections at interfaces, by alignment errors of the optical components to each other, such as displacement or tilting, by defective surfaces of facets, by differently sized facet surfaces of different components or by different acceptance angles.
Die Lichtverluste können etwa durch Einführen eines Index-Matching-Gels zwischen den Komponenten zur Reduktion von Lichtverlusten durch Lichtreflexionen, durch aktives Ausrichten zur Reduktion von Lichtverlusten durch Ausrichtungsfehler oder durch eine Oberflächenbehandlung der Facetten, etwa durch Polieren, reduziert werden.The light losses can be reduced, for example, by introducing an index matching gel between the components to reduce light losses by light reflections, by active alignment to reduce light losses due to alignment errors, or by surface treatment of the facets, such as by polishing.
Die maximale Kopplungseffizienz kann durch unterschiedlich große Flächen und Akzeptanzwinkel des auskoppelnden Elements gegenüber dem einkoppelnden Element limitiert sein. Dies rührt daher, dass Lichtleiter nur innerhalb des Akzeptanzwinkels des Lichtleiters liegende Lichtstrahlen aufnehmen und führen können. Lichtstrahlen, die außerhalb des Akzeptanzwinkels liegen, können zwar in den Lichtleiter eintreten, werden dort aber nicht geführt.The maximum coupling efficiency can be achieved by different areas and acceptance angle of the coupling-out element over the einkoppelnden element be limited. This is due to the fact that optical fibers can only pick up and guide light beams lying within the acceptance angle of the light guide. Light rays that are outside the acceptance angle can indeed enter the light guide, but are not guided there.
So werden beispielsweise Lichtstrahlen innerhalb des Akzeptanzwinkels an der Grenzfläche vom Leiterkern zum Leitermantel totalreflektiert, während es bei Lichtstrahlen außerhalb des Akzeptanzwinkels nicht zur Totalreflexion, sondern zur Fresnel-Reflexion kommt. Hierbei wird gemäß den Fresnel‘schen Formeln nur ein bestimmter Anteil der Lichtleistung reflektiert, während der Rest, unter Vernachlässigung von Absorption, in den Leitermantel gelangt und damit für die gewünschte Lichtleitung im Leiterkern verloren ist.Thus, for example, light rays are totally reflected within the acceptance angle at the interface from the conductor core to the conductor jacket, whereas in the case of light rays outside the acceptance angle, the total reflection does not occur, but the Fresnel reflection. In this case, according to Fresnel's formulas, only a certain proportion of the light output is reflected, while the remainder, ignoring absorption, enters the conductor jacket and is thus lost for the desired light conduction in the conductor core.
Insbesondere beim Einkoppeln von Licht aus Lichtquellen mit breiter Abstrahlcharakteristik, wie etwa Leuchtdioden, Gasentladungslampen oder thermischen Strahlern, in Lichtleiter mit Akzeptanzwinkeln von typischerweise unter 20 Grad, wie etwa bei Glasfasern, kann die Einkoppeleffizienz weniger als 20 Prozent betragen.In particular, when coupling light from light sources having a broad emission characteristic, such as light-emitting diodes, gas discharge lamps or thermal radiators, in light guides with acceptance angles of typically less than 20 degrees, such as glass fibers, the coupling efficiency may be less than 20 percent.
In verschiedenen Anwendungen kann es erforderlich sein, die optische Leistung der Lichtquelle während des Betriebs mitzuverfolgen. So kann beispielsweise bei der Absorptionsspektroskopie ein von der Lichtquelle ausgehender Lichtstrahl derart aufgeteilt werden, dass ein Teil des Lichtstrahls auf einen Referenzdetektor trifft und ein weiterer Teil des Lichtstrahls in eine Messzelle geleitet wird. Somit können Schwankungen der von der Lichtquelle erzeugten Lichtleistung bereits vor der Messzelle ermittelt werden, womit vermieden werden kann, dass die Schwankungen fälschlicherweise als Messsignal interpretiert werden. Solche Leistungsschwankungen können etwa über eine Referenzmessung herausgerechnet werden.In various applications, it may be necessary to track the optical power of the light source during operation. For example, in the case of absorption spectroscopy, a light beam emanating from the light source can be divided such that a part of the light beam strikes a reference detector and a further part of the light beam is directed into a measuring cell. Thus, fluctuations of the light power generated by the light source can be determined before the measuring cell, which can be avoided that the fluctuations are mistakenly interpreted as a measurement signal. Such power fluctuations can be eliminated by a reference measurement.
Bei einer derartigen Lichtteilung können Verluste anfallen, zum einen durch die Teilung selbst, bei der ein bestimmter Anteil für die Referenzmessung benötigt wird, zum anderen durch Verluste am Teiler, etwa weil sich durch die Richtungsänderung des Haupt- oder Nebenstrahls die Bedingungen für die Totalreflexion im Lichtleiter ändern.In such a division of light losses may be incurred, on the one hand by the division itself, in which a certain proportion is required for the reference measurement, on the other hand by losses on the divider, for example because of the change in direction of the main or secondary beam, the conditions for total reflection in the Change light guide.
Bei solchen Lichtteilern kann es sich beispielsweise um halbdurchlässige Spiegel, auch Teilerspiegel genannt, oder Strahlteilerwürfel handeln. In der integrierten Optik, d. h. in Wellenleitersystemen, kann die Lichtaufspaltung durch Teilung der lichtführenden Struktur in zwei oder mehr Lichtleiter realisiert sein.Such light dividers can be, for example, semipermeable mirrors, also called splitter mirrors, or beam splitter cubes. In the integrated optics, d. H. In waveguide systems, the light splitting can be realized by dividing the light-guiding structure into two or more light guides.
Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht nun eine nahezu verlustfreie Abspaltung von Licht an Übergängen zwischen optischen Komponenten unter Ausnutzung von Lichtstrahlen, die nicht zur weiteren Systemfunktion, etwa zur Lichtleitung, beitragen. Beispielsweise ermöglicht der hier vorgestellte Ansatz das nahezu verlustfreie Abspalten von Licht zur Nutzung auf Referenzdetektoren.The approach presented here now allows a virtually loss-free splitting off of light at transitions between optical components by utilizing light beams which do not contribute to the further system function, for example to the light pipe. For example, the approach presented here enables almost loss-free splitting off of light for use on reference detectors.
Hierzu kann beispielsweise eine sekundäre optische Komponente wie die Lichtaufnahmeeinheit, etwa ein Lichtleiter oder Fotodetektor, an einer Übergangsstelle zwischen einer ersten und einer zweiten primären optischen Komponente angebracht werden, wobei der Akzeptanz- oder Abstrahlwinkel der ersten primären Komponente größer sein kann als der Akzeptanzwinkel der zweiten primären Komponente oder eine Abstrahlfläche der ersten primären Komponente größer sein kann als eine Aufnahmefläche der zweiten primären Komponente. Die erste primäre Komponente kann beispielsweise eine Lichtquelle oder ein Lichtleiter sein. Bei der zweiten primären Komponente kann es sich etwa um einen Lichtleiter handeln. Aufgrund des kleineren Akzeptanzwinkels der zweiten primären Komponente im Vergleich zur ersten primären Komponente wird ein bestimmter Lichtanteil nicht im Lichtleiter gehalten, sondern ausgekoppelt. Ebenso kann ein bestimmter Lichtanteil an der zweiten primären Komponente vorbeigehen. Durch eine geeignete Platzierung der sekundären Komponente kann dieses Licht genutzt werden, etwa um eine Referenzmessung durchzuführen. Mittels eines derartigen hocheffizienten optischen Lichtteilers können Verluste an optischen Schnittstellen minimiert werden.For this purpose, for example, a secondary optical component such as the light receiving unit, such as a light guide or photodetector, are mounted at a transition point between a first and a second primary optical component, wherein the acceptance or radiation angle of the first primary component may be greater than the acceptance angle of the second primary component or a radiating surface of the first primary component may be larger than a receiving surface of the second primary component. The first primary component may be, for example, a light source or a light guide. The second primary component may be, for example, an optical fiber. Due to the smaller acceptance angle of the second primary component compared to the first primary component, a certain amount of light is not held in the light guide, but decoupled. Likewise, a certain amount of light may pass the second primary component. By appropriate placement of the secondary component, this light can be used, for example to perform a reference measurement. By means of such a high-efficiency optical light divider losses of optical interfaces can be minimized.
Ein weiterer Vorteil liegt in der kompakten und kostengünstigen Bauweise der Lichtleitvorrichtung, da zusätzliche lichtteilende Elemente, etwa ein abzweigender Ast oder ein Strahlteiler, entfallen können.Another advantage lies in the compact and inexpensive construction of the light guide device, since additional light-dividing elements, such as a branching branch or a beam splitter, can be omitted.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Lichtaufnahmeeinheit an der Lichtleiteinheit angeordnet sein. Dadurch kann die Lichtaufnahmeeinheit möglichst nah an der Lichtleiteinheit angeordnet werden, wodurch eine kompakte Bauform der Lichtleitvorrichtung ermöglicht wird und Lichtverluste beim Aufnehmen des vorbeigehenden Anteils oder ausgekoppelten Transmissionsanteils durch die Lichtaufnahmeeinheit vermieden werden können.According to one embodiment, the light receiving unit can be arranged on the light guide unit. Thereby, the light receiving unit can be arranged as close to the light guide unit, whereby a compact design of the light guide is made possible and light losses can be avoided when receiving the passing share or decoupled transmission component by the light receiving unit.
Es ist vorteilhaft, wenn die Lichtaufnahmeeinheit benachbart zu dem Einkoppelabschnitt angeordnet ist. Dadurch kann der am Einkoppelausschnitt vorbeigehende Anteil des Lichtstrahls oder der typischerweise im Bereich des Einkoppelausschnitts ausgekoppelte Transmissionsanteil von der Lichtaufnahmeeinheit aufgenommen werden.It is advantageous if the light receiving unit is arranged adjacent to the coupling-in section. As a result, the portion of the light beam passing through the coupling-in section or the transmission component, which is typically decoupled in the region of the coupling-in section, can be picked up by the light-receiving unit.
Die Lichtleitvorrichtung kann gemäß einer weiteren Ausführungsform eine Aussendeeinheit zum Aussenden des Lichtstrahls aufweisen. Die Aussendeeinheit kann dem Einkoppelabschnitt zugewandt angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Aussendeeinheit auch der Lichtaufnahmeeinheit gegenüberliegend angeordnet sein. Unter einer Aussendeeinheit kann beispielsweise eine Lichtquelle, ein Lichtleiter oder eine Linse verstanden werden. Mittels der Aussendeeinheit kann der Lichtstrahl auf die Lichtaufnahmeeinheit bzw. die Lichtleiteinheit gelenkt werden. The light-guiding device may, according to a further embodiment, have a emitting unit for emitting the light beam. The emitting unit can be arranged facing the coupling-in section. Additionally or alternatively, the emitting unit may also be arranged opposite the light receiving unit. By a emitting unit, for example, a light source, a light guide or a lens can be understood. By means of the emitting unit, the light beam can be directed to the light receiving unit or the light guide unit.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Aussendeeinheit an dem Einkoppelabschnitt angeordnet ist. Dadurch können Lichtverluste beim Einkoppeln des Lichtstrahls in die Lichtleiteinheit möglichst gering gehalten werden. Insbesondere kann die Aussendeeinheit mittels Butt Coupling mit der Lichtleiteinheit oder im Fall eines räumlichen Abstands zwischen Aussendeeinheit und Lichtleiteinheit über ein geeignetes Material, z. B. einem Index Matching Kleber, verbunden sein.It is advantageous if the emitting unit is arranged on the coupling-in section. As a result, light losses when coupling the light beam into the light guide unit can be kept as low as possible. In particular, the emitting unit by means of butt coupling with the light guide unit or in the case of a spatial distance between emitting unit and light guide unit via a suitable material, for. As an index matching adhesive connected.
Des Weiteren kann die Lichtleiteinheit als Lichtleiter mit einem Kern und einem den Kern umgebenden Mantel mit einer kleineren Brechzahl als der Kern realisiert sein. Die Lichtaufnahmeeinheit kann zumindest abschnittsweise auf dem Mantel angeordnet und ausgebildet sein, um den Transmissionsanteil durch den Mantel aufzunehmen. Bei dem Kern kann es sich beispielsweise um Glasfasern oder ein sonstiges lichtleitendes Material mit einer größeren Brechzahl als der Mantel handeln. Durch diese Ausführungsform kann der Lichtstrahl mittels Totalreflexion vom Ein- zum Auskoppelabschnitt geleitet werden. Durch die Anordnung der Lichtaufnahmeeinheit auf dem Mantel der Lichtleiteinheit kann die Lichtleitvorrichtung einfach hergestellt und platzsparend ausgeführt werden.Furthermore, the light guide unit can be realized as a light guide having a core and a jacket surrounding the core with a smaller refractive index than the core. The light receiving unit may be at least partially disposed on the shell and formed to receive the transmission component through the jacket. The core may, for example, be glass fibers or another light-conducting material having a greater refractive index than the cladding. By this embodiment, the light beam can be directed by total reflection from input to outcoupling. The arrangement of the light receiving unit on the jacket of the light guide unit, the light guide can be easily manufactured and designed to save space.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein Teilabschnitt der Lichtaufnahmeeinheit über ein den Einkoppelabschnitt umfassendes Ende der Lichtleiteinheit hinausragen. Hierbei kann der Einkoppelabschnitt beispielsweise durch eine Querschnittsfläche des Endes gebildet sein. Durch diese Ausführungsform kann ein möglichst großer Anteil des Lichtstrahls von der Lichtaufnahmeeinheit aufgefangen werden. Hierbei kann beispielsweise die Aussendeeinheit sowohl dem über das Ende der Lichtleiteinheit hinausragenden Teilabschnitt als auch dem Einkoppelabschnitt gegenüberliegend angeordnet sein.According to a further embodiment, a partial section of the light-receiving unit can project beyond an end of the light-guiding unit which encompasses the coupling-in section. In this case, the coupling-in section can be formed, for example, by a cross-sectional area of the end. By this embodiment, the largest possible portion of the light beam can be absorbed by the light receiving unit. In this case, for example, the emitting unit can be arranged both opposite to the projecting beyond the end of the light guide unit section and the coupling section.
Die Lichtaufnahmeeinheit kann je nach Ausführungsform als Fotodetektor, Lichtleiter oder Linse oder eine Kombination aus Fotodetektor, Lichtleiter oder Linse realisiert sein. Dadurch wird eine effiziente Detektion oder Weiterleitung des an der Lichteinheit vorbeigehenden Anteils bzw. ausgekoppelten Transmissionsanteils ermöglicht.Depending on the embodiment, the light-receiving unit can be realized as a photodetector, light guide or lens or a combination of photodetector, light guide or lens. This makes possible an efficient detection or transmission of the component or coupled-out transmission component passing by the light unit.
Von Vorteil ist ferner, wenn die Lichtaufnahmeeinheit ringförmig oder recht- bzw. rahmenartig ausgestaltet ist. Beispielsweise kann sich die Lichtaufnahmeeinheit ringförmig um die Lichtleiteinheit erstrecken. Dadurch kann die Effizienz der Lichtaufnahmeeinheit gesteigert werden.Furthermore, it is advantageous if the light receiving unit is designed to be annular or rectangular or frame-like. For example, the light receiving unit may extend annularly around the light guide unit. Thereby, the efficiency of the light-receiving unit can be increased.
Die Lichtleitvorrichtung kann ferner ein Abdeckelement zum lichtundurchlässigen Abdecken zumindest eines Teils der Lichtaufnahmeeinheit aufweisen. Dadurch wird eine kontrollierte Beleuchtung der Lichtaufnahmeeinheit ermöglicht. The light-guiding device may further comprise a cover element for covering at least part of the light-receiving unit in an opaque manner. This allows a controlled illumination of the light receiving unit.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Lichtleitvorrichtung zumindest eine weitere Lichtleiteinheit mit einem weiteren Einkoppelabschnitt zum Einkoppeln eines weiteren Lichtstrahls und einem weiteren Auskoppelabschnitt zum Auskoppeln des weiteren Lichtstrahls in einen Strahlgang zur Messeinheit und/oder zu einer weiteren Messeinheit zum Messen einer Stoff- oder Gaskonzentration und zumindest eine weitere Lichtaufnahmeeinheit aufweisen. Die weitere Lichtaufnahmeeinheit kann ausgebildet sein, um einen beim Aussenden des weiteren Lichtstrahls an der weiteren Lichtleiteinheit vorbeigehenden Anteil des weiteren Lichtstrahls und/oder einen beim Leiten des weiteren Lichtstrahls zwischen dem weiteren Einkoppelabschnitt und dem weiteren Auskoppelabschnitt ausgekoppelten Transmissionsanteil des weiteren Lichtstrahls zu detektieren und/oder weiterzuleiten. Durch diese Ausführungsform kann die Effizienz der Lichtleitvorrichtung gesteigert werden.According to a further embodiment, the light-guiding device can have at least one further light-guiding unit with a further coupling-in section for coupling in a further light beam and a further coupling-out section for decoupling the further light beam into a beam path to the measuring unit and / or to another measuring unit for measuring a substance or gas concentration and at least have another light receiving unit. The further light receiving unit can be designed to detect a portion of the further light beam passing by the further light guide unit when the further light beam is emitted and / or a transmission component of the further light beam coupled out between the further coupling section and the further coupling section when the further light beam is conducted and / or forward. By this embodiment, the efficiency of the light guide can be increased.
Der hier beschriebene Ansatz schafft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Lichtleitvorrichtung gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Einlesen einer Intensität des an der Lichtleiteinheit vorbeigehenden Anteils und/oder einer Intensität des Transmissionsanteils;
Empfangen eines von der Messeinheit bereitgestellten Messsignals;
Ermitteln einer Referenzintensität unter Verwendung der Intensität des an der Lichtleiteinheit vorbeigehenden Anteils und/oder der Intensität des Transmissionsanteils; und
Bestimmen einer Stoff- oder Gaskonzentration unter Verwendung der Referenzintensität und des Messsignals.The approach described here furthermore provides a method for operating a light-conducting device according to one of the preceding embodiments, the method comprising the following steps:
Reading in an intensity of the component passing by the light guide unit and / or an intensity of the transmission component;
Receiving a measurement signal provided by the measurement unit;
Determining a reference intensity using the intensity of the portion passing the light guide unit and / or the intensity of the transmission portion; and
Determining a mass or gas concentration using the reference intensity and the measurement signal.
Durch dieses Verfahren kann der von der Lichtaufnahmeeinheit aufgenommene an der Lichtleiteinheit vorbeigehende Anteil bzw. Transmissionsanteil zum Durchführen einer Referenzmessung, etwa im Rahmen einer Absorptionsspektroskopie zur Abgasmessung, genutzt werden. As a result of this method, the proportion or transmission component received by the light-receiving unit that passes by the light-guiding unit can be used to perform a reference measurement, for example in the context of absorption spectroscopy for exhaust gas measurement.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein. This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. The approach presented here also creates a control unit which is designed to execute, to control or to implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices. Also by this embodiment of the invention in the form of a control device, the object underlying the invention can be achieved quickly and efficiently.
Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.For this purpose, the control unit can have at least one arithmetic unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading sensor signals from the sensor or for outputting control signals to the actuator and / or or at least a communication interface for reading or outputting data embedded in a communication protocol. The arithmetic unit may be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the memory unit may be a flash memory, an EPROM or a magnetic memory unit. The communication interface can be designed to read or output data wirelessly and / or by line, wherein a communication interface that can read or output line-bound data, for example, electrically or optically read this data from a corresponding data transmission line or output to a corresponding data transmission line.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.In the present case, a control device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon. The control unit may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In the case of a hardware-based embodiment, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains various functions of the control unit. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
Bei den Sensorsignalen kann es sich beispielsweise um Signale eines Sensors eines Kraftfahrzeugs bzw. von in einem Kraftfahrzeug verbauten Sensoren handeln. Bei den Sensorsignalen kann es sich somit um Signale eines Gassensors, beispielsweise einer Lambdasonde, eines Drucksensors, der beispielsweise in einer Stoßstange verbaut ist, oder eines Beschleunigungssensors, beispielsweise eines ESP-Sensors, handeln. Bei den Steuer- und/oder Datensignalen kann es sich um Signale handeln, die an eine Steuereinheit, beispielsweise ein Brems- oder Motorsteuergerät, gesendet werden. Anhand dieser Signale kann dann die Steuereinheit entscheiden, ob bei einer Fehlfunktion des geprüften Sensors beispielsweise ein Warnsignal ausgegeben wird und/oder ein Notlaufprogramm aktiviert wird, das bestimmte Einheiten wie etwa Bremsaktoren im Kraftfahrzeug ansteuert, und/oder bestimmte Einheiten des Kraftfahrzeugs deaktiviert werden, um so einen sicheren Betriebszustand herbeizuführen.The sensor signals may, for example, be signals of a sensor of a motor vehicle or of sensors installed in a motor vehicle. The sensor signals may thus be signals of a gas sensor, for example a lambda probe, a pressure sensor, which is installed, for example, in a bumper, or an acceleration sensor, for example an ESP sensor. The control and / or data signals may be signals sent to a control unit, such as a brake or engine control unit. On the basis of these signals, the control unit can then decide whether, for example, a warning signal is output during a malfunction of the tested sensor and / or an emergency program is activated which activates certain units, such as brake actuators in the motor vehicle, and / or certain units of the motor vehicle are deactivated to bring about a safe operating state.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.Also of advantage is a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above is used, especially when the program product or program is executed on a computer or a device.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description. It shows:
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of favorable embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similar acting, with a repeated description of these elements is omitted.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Lichtleitvorrichtung
In
Hierbei wird Licht aus der Aussendeeinheit
Wie in
Insbesondere beim Einkoppeln von Licht aus einer Leuchtdiode in einen Lichtleiter kann physikalisch bedingt nur ein geringer Lichtanteil in den Lichtleiter eingekoppelt werden. Beispielsweise berechnet sich die theoretische maximale Einkoppeleffizienz η einer Leuchtdiode mit Lambert’schem Strahlverhalten, Abstrahlfläche ALED = 200 × 200 µm2, in einen Lichtleiter, hier Glasfasern mit einem Kerndurchmesser von 62,5 µm, mit einer Fläche des Leiterkerns von AKern = π(62,5 µm)2/4 = 3068 µm2 und einer numerischen Apertur NA = 0,3 in Luft als Medium mit einem genäherten Brechungsindex von nMedium = 1 nach
Anstatt nun diesem eingekoppelten Lichtanteil für Lichtteilungen, etwa für eine Referenzmessung, zusätzlich Licht zu entnehmen, können mittels der Lichtleitvorrichtung
Je nach Ausführungsbeispiel ist die Aussendeeinheit
Die Aussendeeinheit
Die Lichtaufnahmeeinheit
Insbesondere bei einer räumlichen Trennung zwischen der Aussendeeinheit
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auch eine Kombination der in den
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das in
Durch eine derartige Platzierung der Lichtaufnahmeeinheit
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Lichtaufnahmeeinheit
Wird die Lichtaufnahmeeinheit
Durch Verwendung eines lichtundurchlässigen Abdeckelements, etwa eines Absorbers, Reflektors oder einer Blende, ist es möglich, die Lichtaufnahmeeinheit
Die Lichtleiteinheiten
Die in
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Lichtleiteinheiten
Mögliche Detektorpositionen sind beispielhaft oberhalb, unterhalb und seitlich der Lichtleiteinheiten
Die Lichtaufnahmeeinheiten sind je nach Ausführungsbeispiel in direktem Kontakt oder mit Abstand an den Aussendeeinheiten oder Lichtleiteinheiten platziert.Depending on the exemplary embodiment, the light-receiving units are placed in direct contact or at a distance from the emitting units or light-guiding units.
Hierbei sind die Lichtaufnahmeeinheiten beispielsweise auf, unter oder neben einem planaren Lichtleiter als Lichteinheit platziert. Denkbar ist auch, dass mehrere Lichtaufnahmeeinheiten an einer Lichtleiteinheit angebracht sind.Here, the light receiving units are placed, for example, on, under or next to a planar light guide as a light unit. It is also conceivable that a plurality of light receiving units are mounted on a light guide unit.
Je nach Ausführungsbeispiel sind die Lichtaufnahmeeinheiten so geformt, dass sie an mehreren Seiten Kontakt mit ihrer jeweiligen Lichtleiteinheit haben. Dadurch können mehr Lichtstrahlen aufgenommen werden. Beispielsweise können die Lichtaufnahmeeinheiten in Ring- oder Rechteckform um eine Glasfaser herum angebracht sein, wie nachfolgend anhand von
In integrierten photonischen Systemen kann die Anbringung sekundärer Komponenten, d. h. von Lichtaufnahmeeinheiten, auch durch direkte Integration erfolgen. Beispielsweise kann eine Fotodiode als Lichtaufnahmeeinheit direkt auf, neben oder unter einem planaren Lichtleiter als Lichtleiteinheit in einem Halbleiterprozess prozessiert werden.In integrated photonic systems, the attachment of secondary components, i. H. of light receiving units, also by direct integration. For example, a photodiode can be processed as a light receiving unit directly on, next to or below a planar light guide as a light guide unit in a semiconductor process.
Insbesondere für Referenzmessungen stellt neben zeitlich variierenden Lichtleistungen der Lichtquelle die sich zeitlich ändernde Transmission, etwa an Grenzflächen, eine wichtige Größe zur korrekten Referenzierung dar. Beispielsweise kann ein optischer Kleber, der zwischen einer LED und einem Lichtleiter eingebracht ist, durch Lichtbestrahlung, Temperatureinfluss oder chemische Reaktionen mit Umgebungsmedien altern und seine Transmission ändern. Diese Änderung wird durch eine Messung des Lichtanteils, der nicht in der Lichtleiteinheit geführt wird, erfasst und kann dann mit geeigneten Methoden kompensiert werden.In particular, for reference measurements in addition to temporally varying light outputs of the light source, the time-varying transmission, such as at interfaces, an important variable for correct referencing. For example, an optical adhesive, which is introduced between an LED and a light guide, by light irradiation, temperature influence or chemical Reactions with ambient media age and its Change transmission. This change is detected by a measurement of the proportion of light that is not carried in the light guide unit, and can then be compensated with suitable methods.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- M. Hudson, Calculation of the Maximum Optical Coupling Efficiency into Multimode Optical Waveguides, Applied Optics Vol. 13 No. 5, 1974, S. 1029–1033 [0056] M. Hudson, Calculation of the Maximum Optical Coupling Efficiency into Multimode Optical Waveguides, Applied Optics Vol. 5, 1974, pp. 1029-1033 [0056]
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