DE3608465A1 - Light-transmitting device for a fibre-optical sensor - Google Patents
Light-transmitting device for a fibre-optical sensorInfo
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Abstract
Description
LICHTUBERTRAGUNGSEINRICHTUNG FÜR EINEN FASEROPTISCHEN SENSOR LIGHT TRANSMISSION DEVICE FOR A FIBER OPTICAL SENSOR
Die Erfindung betrifft eine Lichtübertragungseinrichtung für einen faseroptischen Sensor gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Deartige Lichtübertragungseinrichtungen werden beispielsweise bei der spektroskopischen Stoffanalyse verwendet, bei welcher das von einer Lichtquelle ausgesandte Licht in einem Sensor durch den zu untersuchenden Stoff modifiziert und meistens stark geschwächt wird.The invention relates to a light transmission device for a fiber optic sensor according to the preamble of claim 1. Such light transmission devices are used, for example, in spectroscopic substance analysis, in which the light emitted by a light source in a sensor by the to be examined Substance is modified and usually greatly weakened.
Bei bekannten Lichtübertragungseinrichtungen für faseroptische Sensoren sind eine mit einer Lichtquelle verbundene Sendefaser und eine mit einem Detektor verbundene Empfangsfaser an einen Strahl teiler geführt, der die Einkoppelung und die Auskoppelung von Licht in eine bzw. aus einer einzelnen Sensorfaser erlaubt. In bekannten faseroptischen Strahl teil ern sind Fasern in einem Verbindungsbereich parallel geführt und so bearbeitet, daß Licht von einer Faser in eine benachbarte eintreten kann. Die Übergangssteiien für Licht zwischen den verschiedenen Fasern sind präzise zu bearbeiten, so daß die Einrichtung teuer in der Herstellung ist. Da die Fasern fest miteinander verbunden sind, muß bei Anwendungen, bei denen die Sensorfaser nach dem Gebrauch nicht wiederverwendet werden kann und daher auswechselbar sein muß, ein zusätzlicher lösbarer optischer Steckverbinder vorgesehen werden. Ein solcher Steckverbinder weist zwei aufeinander passende Konnektoren auf, von denen der eine mit der Sensorfaser und der andere mit dem gemeinsamen Endstück der miteinander verbundenen Sendefaser und Empfangsfaser verbunden sind. Wenn die beiden Konnektoren dieses Steckverbinders zusammengefügt sind, liegen die beiden Enden der jeweiligen Fasern aufeinander und bilden eine Grenzfläche, an der ein Teil des auftreffenden Lichtes reflektiert werden kann. Somit kann ein Bruchteil der von der Lichtquelle übertragenen Lichtsignale von dieser Grenzfläche reflektiert werden und in die Empfangsfaser gelangen und im Detektor ein unerwünschtes Untergrundsignal verursachen. Dieses Untergrundsignal ist besonders störend, wenn das Licht durch die zu untersuchende Probe so stark geschwächt wird, daß die Intensität der unerwünschten Reflexionen gegenüber der Intensität des durch die Probe geschwächten Lichtes nicht mehr zu vernachlässigen ist. Da das Untergrundsignal die gleiche Modulation wie ein durch die Sensorfaser zu dem Detektor übertragenes und für eine zu analysierende Substanz charakteristisches Meßsignal hat, kann es auf herkömmliche Weise nicht eliminiert werden.In known light transmission devices for fiber optic sensors are a transmission fiber connected to a light source and one with a detector connected receiving fiber led to a beam splitter, the coupling and allows light to be coupled out into or out of a single sensor fiber. In known fiber optic beam dividers are fibers in a connection area guided in parallel and processed so that light from one fiber into an adjacent one can occur. The transition parts for light between the different fibers are precisely machinable so that the device is expensive to manufacture. Since the fibers are firmly connected to one another, in applications in which the Sensor fiber cannot be reused after use and is therefore replaceable must be, an additional detachable optical connector must be provided. Such a connector has two mating connectors, from one with the sensor fiber and the other with the common end piece of the interconnected transmission fiber and receiving fiber are connected. When the two Connectors of this connector are joined together, the two ends are of the respective fibers on top of each other and form an interface at which part of the incident light can be reflected. Thus, a fraction of that of The light signals transmitted by the light source are reflected by this interface and get into the receiving fiber and an unwanted background signal in the detector cause. This underground signal is particularly disruptive when the light is through the sample to be examined is weakened so much that the intensity of the undesired No reflections in relation to the intensity of the light weakened by the sample is more negligible. Because the background signal has the same modulation as one through the sensor fiber too transmitted to the detector and for a the substance to be analyzed has a characteristic measurement signal, it can be converted to conventional Way not to be eliminated.
Eine Möglichkeit zum Vermeiden dieser unerwünschten Reflexionen könnte darin bestehen, einen Strahl teiler in einen mit der Sensorfaser verbundenen Konnektor zu legen, wobei dieser Konnektor und sein entsprechendes Gegenstuck jeweils zwei räumlich.getrennte, zu der Sendefaser bzw. der Empfangsfaser gehörende Faserenden aufweisen, deren Achsen im verbundenen Zustand jeweils miteinander fluchten.One way to avoid these unwanted reflections could be consist of a beam splitter in a connector connected to the sensor fiber to lay, with this connector and its corresponding counterpart each two spatially separated fiber ends belonging to the transmitting fiber and the receiving fiber have, the axes of which are aligned with each other in the connected state.
Da bei einer solchen Vorrichtung eventuell an der Grenzfläche zwischen den beiden Konnektoren reflektierte Signale nicht von der Sendefaser in die Empfangsfaser gelangen können, würden zwar die genannten Reflexionsprobleme weitgehend vermieden, es müßten aber jeweils zwei Faserenden zum Erreichen einer guten optischen Verbindung in ihrer Lage sehr präzise aufeinander abgestimmt sein und es müßte ein Strahl teil er im Konnektor vorgesehen werden, so daß die Zerstellung einer solchen Vorrichtung mit einem vergleichsweise hohen Aufwand verbunden wäre.Since in such a device possibly at the interface between the two connectors do not reflect signals from the transmit fiber into the receive fiber can reach, the above-mentioned reflection problems would be largely avoided, but there would have to be two fiber ends to achieve a good optical connection be very precisely matched to one another in their position and a beam would have to part he can be provided in the connector, so that the preparation of such a device would be associated with a comparatively high level of effort.
Beispielsweise bei medizinischen Anwendungen, bei denen die Sensorfaser einschließlich des entsprechenden Konnektors aus hygienischen Gründen als Wegwerfteil konzipiert sind, wäre ein solcher, infolge der erforderlichen Herstel 1 ungsgenaui gkeit und des integrierten Strahl teilers teurer Konnektor besonders nachteilig.For example in medical applications where the sensor fiber including the corresponding connector as a disposable part for hygienic reasons are designed, would be such, as a result of the required manufacturing 1 ungsgenaui opportunity and the integrated beam splitter expensive connector is particularly disadvantageous.
Gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Lichtübertragungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 zu schaffen, bei welcher die genannten Reflexionsprobleme vermieden werden.The invention lies in relation to the prior art mentioned at the beginning the object of a light transmission device according to the preamble of To create claim 1, in which the aforementioned reflection problems are avoided will.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1.This object is achieved according to the invention by the characterizing Features of claim 1.
Erfindungsgemäß weist die Lichtübertragungseinrichtung eine Steckverbindung zum lösbaren Verbinden der Sendefaser und der Empfangsfaser auf der einen Seite mit der Sensorfaser auf der anderen Seite auf, wobei die Steckverbindung infolge der besonderen Anordnung der Fasern gleichzeitig die Funktion eines Strahlteilers erfüllt. Gemäß der Erfindung weist jede der Lichtleitfasern im Bereich des Strahlteilers, wo die Lichtsignale von einer Faser in eine jeweils andere Faser gelangen, eine Endfläche auf, aus welcher Lichtsignale aus der jeweiligen Faser austreten bzw. in die Faser eintreten können. Die Endfläche der Sendefaser und die Endfläche der Empfangsfaser liegen der Endfläche der Sensorfaser gegenüber, so daß Lichtsignale aus der Sendefaser in die Sensorfaser gelangen und Lichtsignale aus der Sensorfaser in die Empfangsfaser gelangen können. Im Unterschied zu bekannten Lichtübertragungseinrichtungen wird eine Reflexion von Lichtsignalen non der Sendefaser in die Empfangsfaser im wesentlichen verhindert, so daß ein Ubersprechen zwischen dem Sendekanal und dem Empfangskanal im wesent-Ii chen vermieden wird. Bei der Lichtübertragungseinri chtung nach der Erfindung kann auf der Sensorseite ein handelsüblicher preiswerter Konnektor verwendet werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei medizinischen Anwendungen, beispielsweise für die Analyse van Blutbestandteilen , bei welchen die Sensorfaser in ein Blutgefäß eingefUhrt wird und anschließend aus Sterilitätsgründen weggeworfen wird. Somit ermögicht die Erfindung die Verwendung eines preiswerten Wegwerfteiles auf der Sensorseite.According to the invention, the light transmission device has a plug connection for detachable connection of the transmitting fiber and the receiving fiber on one side with the sensor fiber on the other side, the connector as a result The special arrangement of the fibers also functions as a beam splitter Fulfills. According to the invention, each of the optical fibers has in the area of the beam splitter, Where the light signals from one fiber get into another fiber, an end face on which light signals emerge from the respective fiber or into the fiber can enter. The end face of the transmit fiber and the end face of the receive fiber lie opposite the end face of the sensor fiber, so that light signals from the transmission fiber get into the sensor fiber and light signals from the sensor fiber into the receiving fiber can get. In contrast to known light transmission devices a reflection of light signals non of the transmitting fiber in the receiving fiber essentially prevented, so that crosstalk between the transmission channel and the reception channel is essentially avoided. At the light transmission device according to In accordance with the invention, a commercially available, inexpensive connector can be used on the sensor side will. This is particularly advantageous in medical applications, for example for the analysis of blood components in which the sensor fiber is in a blood vessel is introduced and then thrown away for sterility reasons. Consequently The invention enables the use of an inexpensive disposable part on the sensor side.
Aus DE-OS 24 OB 623 ist zwar in einem anderen Zusammenhang eine Verbindung von drei Lichtleitfasern bekannt, bei welcher die Endflächen von zwei Fasern der Endfläche einer dritten Faser gegenüberliegend angeordnet sind, jedoch sind die Lichtleitfasern nicht lösbar miteinander verbunden und diese Art der Verbindung ist weder dazu bestimmt noch dazu geeignet, in einer Lichtübertragungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 eingesetzt zu werden.From DE-OS 24 OB 623 there is a connection in a different context known of three optical fibers, in which the end faces of two fibers of the End face of a third fiber are arranged opposite, however, the Optical fibers are not releasably connected to each other and this type of connection is neither intended nor suitable for use in a light transmission facility to be used according to the preamble of claim 1.
Wenn gemäß Anspruch 3 die Durchmesser der Sendefaser und der Empfangsfaser wesentlich größer als der Durchmesser der Sensorfaser gewählt werden, wird die Flächenüberdeckung der Endfläche der Sensorfaser mit den Endflächen der beiden anderen Fasern maximal. Da üblicherweise verwendete Lichtquellen (LED) und Detektoren (Photodioden) eine im Vergleich zur Sensorfaser große Fläche aufweisen, wird dadurch die gesamte Dämpfung der Li chtübertragungsei nri chtung verringert, solange die Sendefasern und Empfangsfasern in ihrer Querschnittsfläche gerade noch kleiner als die aktiven Sender- und Detektorfl ächen sind.If according to claim 3, the diameter of the transmitting fiber and the receiving fiber are chosen to be significantly larger than the diameter of the sensor fiber, the surface coverage will be the end face of the sensor fiber with the end faces of the other two fibers maximum. Since commonly used light sources (LED) and detectors (photodiodes) a have a large area compared to the sensor fiber, the entire attenuation is thereby reduced the light transmission device is reduced as long as the transmit fibers and receive fibers their cross-sectional area is just smaller than the active transmitter and detector areas areas are.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Figur 1: schematisch eine Lichtübertragungseinrichtung gemäß der Erfindung im Querschnitt, und Figur 2: schematisch einen Schnitt entlang der Linie A-A gemäß Figur 1 in vergrößerter Darstellung, welcher die relative Lage der Faserendflächen an der Verbindungsstelle veranschaulicht.An exemplary embodiment of the invention is described below with reference to FIG Drawing explained in more detail. The drawing shows: FIG. 1: schematically, a light transmission device according to the invention in cross section, and FIG. 2: schematically, a section along the line A-A according to Figure 1 in an enlarged view, which the relative position illustrated the fiber end faces at the junction.
gemäß Figur 1 umfaßt die Llchtübertragungselnrichtung eine mit einer L1chtquelle 14 verbindbare Sendefaser 4 , eine mit einem Lichtempfänger 15 verbindbare Empfangsfaser 5 , eine mit einem Sensor 13 für die optische Stoffanalyse verbi ndbare Sensorfaser 3 sowie eine als Strahl -teiler ausgefthrte optische Steckverbindung 1,2. Die Sensorfaser 3 kann beispielsweise über eine Klebeverbindung fest mit dem Sensor 13 verbunden sein, während die Sendefaser 4 und die Empfangsfaser 5 fest oder lösbar mit der Lichtquelle bzw. mit dem Lichtempfänger verbunden sein können. Der Sensor kann beispielsweise farbstoffhal ff ge Stoffe enthalten, deren optische Absorption oder Fl uoreszenz auf die zu untersuchende Substanz empfindlich ist. Nachfolgend wird die in der erfi ndungsgemäßen L i chtübertragun gsei nri chtun g verwendete Steckverbindung näher beschrieben.According to Figure 1, the light transmission device comprises one with one Light source 14 connectable transmission fiber 4, one with a light receiver 15 connectable Receiving fiber 5, one conni ndable with a sensor 13 for optical substance analysis Sensor fiber 3 and an optical connector designed as a beam splitter 1.2. The sensor fiber 3 can, for example, firmly with the Sensor 13 be connected, while the transmitting fiber 4 and the receiving fiber 5 fixed or can be detachably connected to the light source or to the light receiver. The sensor can, for example, contain substances containing dye, their optical Absorption or fluorescence is sensitive to the substance under investigation. In the following, this will not be done in the light transmission according to the invention g connector used is described in more detail.
GemäB Figur 1 weist die Steckverbindung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zwei Kopplungsstücke 1 und 2 auf, die handel sübl ichen optischen Konnektoren entsprechen können. Eine Lichtleitfaser 3 ist in das erste Kopplungsstück 1 in üblicher Weise bis zu einer die beiden Verbindungsstücke trennenden Ebene 6 geführt. Die beiden anderen Lichtleitfasern 4 und 5 sind durch das zweite Kopplungsstück 2 von der anderen Seite bis zu der Trennebene 6 geführt.According to Figure 1, the plug connection has according to an embodiment the invention has two coupling pieces 1 and 2, the commercial ichen optical Connectors can correspond. An optical fiber 3 is in the first coupling piece 1 in the usual way up to a level 6 separating the two connecting pieces guided. The other two optical fibers 4 and 5 are through the second coupling piece 2 guided from the other side to the parting plane 6.
Die Fasern sind eng aneinanderliegend parallel zueinander zu der Trennfläche 6 geführt. Die Faser 3 auf der Seite des ersten Kopplungsstückes 1 und die Fasern auf der Seite des zweiten Kopplungsstückes 2 sind derart geführt, daß die Achse der Faser 3 und die Berührungslinie der beiden Fasern 4 und 5 an der Trennfläche 6 miteinander fluchten.The fibers are closely spaced parallel to one another at the interface 6 led. The fiber 3 on the side of the first coupling piece 1 and the fibers on the side of the second coupling piece 2 are guided in such a way that the axis of the fiber 3 and the line of contact of the two fibers 4 and 5 at the interface 6 align with each other.
Die Verbindung der beiden Kopplungsstücke geschieht in üblicher Weise unter Verwendung eines Zwischenstückes (nicht dargestellt), welches die beiden Kopplungsstücke zusammenhält.The connection of the two coupling pieces is done in the usual way using an intermediate piece (not shown), which the two coupling pieces holds together.
In Figur 2 ist die relative Lage der drei Lichtleitfasern 3, 4 und 5 an der Grenzfläche 6 zwischen den beiden Koppl ungsstücken im Detail dargestellt. Die Lichtleitfasern 3, 4 und 5 sind jeweils mit einem Mantel 7, 8 bzw. 9 umgeben. Wenn die beiden Kopplungsstücke verbunden sind, liegt die Endfläche 10 der Faser 3 derart auf den beiden Endflächen 11 bzw. 12 der Fasern 4 bzw. s auf, daß der ittelpunkt der fläche 10 ii. wesentlithen übereinstinint mit dem Berührungspunkt der beiden Fasern 4 und 5 in der Ebene 6. Die Stärke der Umnantelung und die Durchmesser der Fasern sind dabei so zu wählen, daß eine Überlappung der lichtleitenden Fläche der Sensorfaser 3 mit jeweils einem Abschnitt der lichtleitenden Fläche der Fasern 4 bzw. 5 gewährleistet ist. Zur Maximierung der Fl ächenüberl appung kann der Durchmesser der Sensorfaser 3 klein im Vergleich zu den Durchmessern der mit dem Detektor bzw. mit der Lichtquelle verbundenen Fasern 4 bzw. 5 gewählt werden. Die gesamte Dämpfungsbilanz wird durch die Verwendung von Sendefasern und von Empfangsfasern, die einen größeren Durchmessern als die Sensorfaser haben, nicht verschlechtert, da typische Lichtquellen (lichtemittierende Dioden) bzw. Detektoren (Photodioden) im Vergleich zu den Fasern eine große Fläche und eine große numerische Apertur haben. Die Durchmesser der Fasern werden beispielsweise so gewählt, daß der Durchmesser der Sensorfaser im Vergleich zu den Durchmessern der mit dem Detektor bzw. der mit der Lichtquelle verbundenen Fasern so klein ist, daß praktisch die gesamte Endfläche der Sensorfaser auf den Endflächen der beiden anderen Fasern aufliegt.In Figure 2 is the relative position of the three optical fibers 3, 4 and 5 shown in detail at the interface 6 between the two coupling pieces. The optical fibers 3, 4 and 5 are each surrounded by a jacket 7, 8 and 9, respectively. When the two couplers are connected, the end face 10 of the fiber lies 3 in such a way on the two end faces 11 and 12 of the fibers 4 and s that the center point of area 10 ii. essentially coincide with the point of contact between the two Fibers 4 and 5 in level 6. The thickness of the sheathing and the diameter of the Fibers are to be selected so that an overlap of the light-guiding surface of the Sensor fiber 3 each with a section of the light-conducting surface of the fibers 4 or 5 is guaranteed. To maximize the surface overlap, the diameter the sensor fiber 3 is small compared to the diameter of the sensor or Fibers 4 and 5 connected to the light source can be selected. The total attenuation balance is achieved through the use of transmitting fibers and receiving fibers, which have a larger Diameters than the sensor fiber have not deteriorated as typical light sources (light emitting diodes) or detectors (photodiodes) compared to the fibers have a large area and a large numerical aperture. The diameter of the fibers are chosen, for example, so that the diameter of the sensor fiber in comparison to the diameters of those connected to the detector or to the light source Fibers is so small that practically the entire end face of the sensor fiber on the End faces of the other two fibers rests.
Bei einer praktischen Anwendung der Erfindung kann die Sensorfaser an eine zu untersuchende Substanz geführt sein, während die Faser 4 mit einer Lichtquelle und die Faser 5 mit einem lichtempfindlichen Detektor verbunden ist. Sind die beiden Kopplungsstücke zusammengefügt, werden Lichtsignale von der Quelle durch die Faser 4 in die Sensorfaser 3 geleitet. Nachdem die Lichtsignale in der zu untersuchenden Substanz teilweise absorbiert oder anderweitig modifiziert wurden, gelangen die modifizierten Signale wieder in die Faser 3 und laufen in entgegengesetzter Richtung zu der Trennfläche 6 , treten dort in die Faser 5 ein und gelangen zu einem mit der Faser 5 verbundenen Detektor.In a practical application of the invention, the sensor fiber be guided to a substance to be examined, while the fiber 4 with a light source and the fiber 5 is connected to a light sensitive detector. Are the two Coupling pieces put together, light signals from the source pass through the fiber 4 passed into the sensor fiber 3. After the light signals in the under investigation The substance has been partially absorbed or otherwise modified modified signals back into fiber 3 and run in the opposite direction to the separating surface 6, enter the fiber 5 there and get to a with the fiber 5 connected detector.
Da die Fasern 4 und 5 bis zur Grenzfläche 6 getrennt voneinander verlaufen, wird im wesentlichen verhindert, daß von der Lichtquelle ausgehende und an der Grenzfläche 6 reflektierte Signale in die mit dem Detektor verbundene Faser 5 gelangen und dort ein unerwünschtes Untergrundsignal hervorrufen können.Since the fibers 4 and 5 run separately from each other up to the interface 6, is essentially prevented from emanating from the light source and at the interface 6 reflected signals get into the fiber 5 connected to the detector and there can cause an undesirable background signal.
bei einer praktischen Ausfiihrungsform der Erfindung hat die Sensorfaser 3 einschl iet3l ich der Ammantelung einen Durchmesser von 114 Mikrometern, und der lichtleitende Kern dieser Faser hat einen Durchmesser von 107 Mikrometern. Die mit der Lichtquelle bzw. mit dem Detektor verbundenen Fasern 4 bzw. 5 haben jeweils einen Gesamtdurchmesser von 250 Mikrometern, und der lichtleitende Kern hat jeweils einen Durchmesser von 240 Mikrometern. Die Übergangsverluste für Licht beim Übergang von der Sensorfaser 3 in die Fasern 4 bzw. 5 betragen jeweils -5.5 dS. Die Übersprechdämpfung für optische Signale zwischen den Fasern 4 und 5 ist besser als -40 dB.in a practical embodiment of the invention, the sensor fiber has 3 including the sheathing has a diameter of 114 micrometers, and the The light-conducting core of this fiber has a diameter of 107 micrometers. With the light source or fibers 4 and 5 connected to the detector, respectively a total diameter of 250 micrometers, and the light-guiding core each has a diameter of 240 micrometers. The transition losses for light in transition from the sensor fiber 3 to the fibers 4 and 5 are each -5.5 dS. The crosstalk attenuation for optical signals between fibers 4 and 5 is better than -40 dB.
Es versteht sich, daß die Steckverbindung mit integriertem Strahlteiler gemäß der Erfindung nicht auf die Verbindung von drei Lichtleitfasern beschränkt ist, sondern mit einer beliebigen Anzahl von Lichtleitfasern ausgeführt werden kann, solange eine ausreichende Überlappung der Ii chtl ei tenden Flächen auf der einen Seite des Strahl teil ers mit den entsprechenden lichtleitenden Flächen auf der anderen Seite des Strahl teilers gewährleistet ist.It goes without saying that the plug connection with an integrated beam splitter according to the invention not limited to the connection of three optical fibers but can be made with any number of optical fibers, as long as there is sufficient overlap of the leaking surfaces on one side Side of the beam splitter with the corresponding light-guiding surfaces on the other side of the beam splitter is guaranteed.
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Claims (6)
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DE19863608465 DE3608465A1 (en) | 1985-03-16 | 1986-03-14 | Light-transmitting device for a fibre-optical sensor |
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