DE69619010T2

DE69619010T2 - Spektroskop mit faseroptischer Verzweigung

Info

Publication number: DE69619010T2
Application number: DE69619010T
Authority: DE
Inventors: Akihiro Murata; Tomoaki Nanko; Takeo Tanaami
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 2003-01-30
Anticipated expiration: 2016-03-29
Also published as: US5715055A; JPH08271337A; EP0735350B1; DE735350T1; EP0735350A2; EP0735350A3; DE69619010D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Spektroskop, wie Fourier-Transformations-Spektroskope, oder dispersive Spektroskope, speziell auf die Verbesserung in der Genauigkeit der durch diese Spektroskope gemessenen Daten.

Beschreibung des Stands der Technik

Herkömmliche Fouriertransformations-Spektroskope wurden entwickelt um die spektralen Charakteristika von Proben zu erhalten, in dem die besagten Proben durch eine optische Faser mit dem Ausgangslicht eines Michelson-Interferometers, auf welches weißes Licht aus einer weißen Lichtquelle (ab jetzt abgekürzt als weißes Licht) einfallt, durchleuchtet werden, und indem das von den Proben durchgelassene Licht mit einem Photodetektor (ab jetzt abgekürzt als Detektor) in elektrische Signale konvertiert sowie fouriertransformiert wird.
Fig. 1 zeigt ein Konfigurationsblockdiagramm für ein Beispiel eines solch herkömmlichen Fourier-Transformations- Spektroskops. Von der Lichtquelle 1 emittiertes weißes Licht wird erst durch ein optisches Gerät 2, welches normalerweise eine Linse verwendet, in paralleles Licht umgewandelt, und fällt auf ein Michelson-Interferometer 50. Das am Michelson- Interferometer 50 erhaltene Interferenzlicht wird durch ein zweites optisches Gerät 6, (welches normalerweise eine Linse verwendet) fokussiert und fällt auf eine optische Faser 7. Das Interferenzlicht fällt, nach Durchlaufen von Probe 8, über eine optische Faser auf einen Detektor 10.
In solch einer Konfiguration ist ein fester Spiegel 4 im Michelson-Interferometer 50 fixiert, und nur ein abtastender Spiegel 5 wird in Richtung von "a" nach "b" in dieser Figur bewegt. In diesem Fall wird eine Veränderung im Interferenzsignal durch den Detektor 10 gemessen und dann durch einen Fouriertransformationswandler (nicht in dieser Figur gezeigt) fouriertransformiert, um die spektrale Charakteristik von Probe 8 zu erhalten.
Wenn sich in solch einem System aufgrund von Umgebungsveränderungen, wie Umgebungs- Temperaturveränderungen, die Charakteristika der optischen Fasern 7 und 9 verändern, dann ergibt sich das Problem, daß die Messung so gemacht wird, als wenn sich die spektralen Charakteristika von Probe 8 auch verändert hätte.
Ein Gerät, das dieses Problem löst, ist das Fouriertransformations-Spektroskop, erwähnt in einem veröffentlichten Gebrauchsmuster mit der Nr. 23243-1995, eingereicht durch den Anmelder dieser Anmeldung beim japanischen Patentamt. Fig. 2 zeigt diesen Fouriertransformations-Spektroskop-Aufbau. Die Unterschiede zwischen Fig. 1 und Fig. 2 sind wie folgt:
In Fig. 2 sind eine optische Faser 11 und ein Detektor 12 hinzugefügt. Genauer, an einer Position, wo das Bild der Lichtquelle 1 gebildet wird, ist die optische Faser 11 in der Nähe zu und entlang der optischen Faser 7 angebracht. Faser 11 wird so angeordnet, daß sie den gleichen Pfad, wie die optischen Fasern 7 und 9 nimmt, außer daß in ihrem Weg keine Probe liegt, und ihre optische Charakteristik ist damit die gleiche wie die von den optischen Fasern 7 und 9.
Das von der optischen Faser 11 emittierte Licht wird vorn Detektor 12 detektiert und auf identische Weise, wie das durch den Detektor 10 detektierte Interferenzsignal, verarbeitet. In diesem Fall können da Veränderungen der spektralen Charakteristik in der optischen Faser 11 aufgrund von Umgebungsveränderungen in einem Spektrum des von mitgemessenen Interferenzlichts enthalten sind, das Detektor 12 und da die Veränderungen in der optischen Faser 11 als identisch zu denen der optischen Fasern 7 und 9 betrachtet werden, da die optische Faser 11 den gleichen Pfad wie die Fasern 7 und 9 benutzt, die Umgebungsveränderungen in den optischen Fasern kompensiert werden, indem man das Verhältnis der beiden Interferenzsignal-Spektren nimmt.
Das Michelson-Interferrometer 50 wird auf jeden Fall, auch von Effekten, wie etwa Temperaturveränderungen, beeinflußt. Wenn sich die inneren Spiegel aufgrund solcher Temperaturveränderungen dejustieren (filted), wird das Interferenzlicht in der Position von "d" in Bild 2 nicht-uniform. Deswegen bleibt das Problem, daß dies zu unterschiedlichen Charakteristika zwischen dem Interferenzlicht, das in die optische Faser 7 und optischer Faser 11 einfällt, führt. Dieser Unterschied wird nicht kompensiert sondern in der spektralen Charakteristik von Probe 8 überlagert gemessen
Des weiteren, da diese zwei optischen Fasern das emittierte Licht von verschiedenen Plätzen von der Lichtquelle empfangen, führt das dort, wo sich das Interferenzlicht von beiden optischen Fasern aufgrund einer Verschlechterung der Lichtquelle unterscheidet, noch zu einem weiteren Problem.
Dieses Problem existiert auch in einem Spektroskop, das ein akusto-optisches Gerat (AOTF) verwendet, wie es in Fig. 3 ist, oder in einem Spektroskop, das ein Beugungsgitter 18 verwendet. Wenn nur der Teil von dem Spektroskop in Fig. 3, der sich von dem in Fig. 2 unterscheidet, beschrieben wird, ist es wie unten gezeigt. Das AOTF 60 teilt das einfallende Licht von Lichtquelle 1 in zwei Lichtstrahlen wegen der Doppelbrechung seines Kristalls. Diese Strahlen werden parallel ausgerichtet mit Linse 13 und die parallelen Stahlen werden mit Linse 14 und 15 fokussiert und fallen auf die entsprechende optische Faser. In diesem Fall kann Licht einer beliebigen Wellenlänge oder mit kontinuierlicher Wellenlänge durch Veränderung der Frequenz der Ultraschallwelle, die durch den Ultraschallgenerator 16 erzeugt wird, entnommen werden.
Für das Spektroskop, das ein Beugungsgitter, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, verwendet, wird das Licht von der Lichtquelle 1 mit einem konkaven Spiegel 17a reflektiert, angewendet auf ein Beugungsgitter 18, und das gebrochene Licht wieder mit einem konkaven Spiegel 17b reflektiert und fällt dann auf die optische Probenfaser 7 und die optische Referenzfaser 11 ein. Die Wellenlänge des auf die Fasern 7 und 11 einfallenden Lichts kann durch Rotieren des Beugungsgitters 18 verändert werden.
Sogar in diesen Spektroskopen nach dem obigen Aufbau existiert ein Problem, daß die Lichtquantität, die in beide optische Fasern (Proben- und Referenzfaser) eintritt, und die Spektren sich leicht verändern, da sich das AOTF und das Beugungsgitter verformen oder sich bewegen aufgrund von Temperaturänderungen und/oder einer externen Vibration, wie beim Michelson- Interferometer 50.
US-A-4,696,570 zeigt ein Spektroskop, das Lichtführer mit mehreren optische Fasern für Proben- und Referenzlicht verwendet. Weiter wird in diesem Dokument die Wichtigkeit einer statistischen Gleichgewichtsverteilung von Licht zwischen Proben- und Referenzzellen diskutiert.

Zusammenfassung der Erfindung

Die oben genannte Aufgabe wird durch ein Spektroskop, nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen auf weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindungen.
Der Zweck der Erfindung im Hinblick auf die obigen Probleme, liegt im Aufbau eines Spektroskops, welches die spektralen Charakteristika von Proben genau messen kann, sogar wenn das herausgehende Licht von der Spektroskoplichtquelle (die eine ursprüngliche Lichtquelle und ein Interferometer enthält) wegen umweltbedingten Veränderungen auf der Spektroskopseite nicht- uniform wird, wobei ein Aufbau bereitgestellt wird, bei dem nach Empfangen des Lichts von der Spektroskoplichtquellenseite mit einer einzigen optischen Faser das Licht zu zwei optische Fasern aufzweigt.
Mit diesem Aufbau können die spektralen Charakteristika genau gemessen werden, da der herausgehende Lichtstrahl von der -- Spektroskoplichtquellenseite gemeinsam sowohl auf die optischen Meß- als auch die Referenzfasern einfällt, sogar wenn der herausgehende Lichtstrahl aufgrund von umweltbedingten Veränderungen auf der Spektroskoplichtquellenseite nicht-uniform wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Beispiel des Aufbaus von herkömmlichen Fouriertransformations-Spektroskopen.
Fig. 2 ist ein Beispiel des Aufbaus von weiteren herkömmlichen Fouriertransformations-Spektroskopen.
Fig. 3 ist ein Beispiel des Aufbaus von herkömmlichen Spektroskopen, die ein akusto-optisches Gerät verwenden.
Fig. 4 ist ein Beispiel des Aufbaus von herkömmlichen Spektroskopen, die ein Beugungsgitter verwenden.
Fig. 5 ist ein Diagramm, das eine auf die Erfindung bezogene Ausführungsform zeigt.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform, um die Details eines optischen Kopplers zu illustrieren.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des optischen Kopplers. Fig. 8 zeigt noch eine weitere Ausführungsform des optischen Kopplers.
Fig. 9 zeigt eine vierte Ausführungsform des optischen Kopplers.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Nun wird die vorliegende Erfindung im Detail mit Hilfe der Zeichnungen beschrieben. Fig. 5 veranschaulicht ein Beispiel der Ausführungsform des Spektroskops bezogen auf die Erfindung. In Bild 5 sind äquivalente Teile in der Zeichnung mit den gleichen Symbolen versehen wie in Fig. 2 und die Beschreibung dieser Teile ist ausgelassen.
Die Unterschiede zwischen Fig. 5 und Fig. 2 sind die Abschnitte einer optischen Faser 19 und eines optischen Kopplers 20. Interferenzlicht vom Michelson-Interferometer 50 wird auf Teil "d" in der Figur fokussiert, wobei ein Abbild der Lichtquelle 1 erzeugt wird und fällt ein auf die optische Faser 19, deren Input-Ende an diesem Teil angeordnet ist. Dieses Interferenzlicht wird durch den optischen Koppler 20 in zwei Strahlen geteilt und fällt jeweils auf die optischen Fasern 7 und 11 ein.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, um die Details des optischen Kopplers 20 zu illustrieren. Der optische Koppler verwendet einen Halbspiegel. Ausgehendes Licht von der Faser 19 wird mit einer Linse 201 parallel ausgerichtet und fällt auf den Halbspiegel 204. Der Halbspiegel 204 lässt einen Teil des einfallenden Lichts durch und das durchgelassene Licht wird mit einer Linse 202 fokussiert und fällt auf die Endfläche der optischen Faser 7. Das von Halbspiegel reflektierte Licht 204 wird auch mit einer Linse 203 fokussiert und fällt auf die Endfläche der optischen Faser 11.
Fig. 7 zeigt einen Lichtkoppler, der einen Recht-Winkel- Spiegel verwendet. Von der Faser 19 herausgehendes Licht wird mit einer Linse 205 parallel ausgerichtet und fällt auf den Recht-Winkel-Spiegel 208 ein. Der Recht-Winkel-Spiegel 208 reflektiert die linke Hälfte des einfallenden Lichtstrahls hin zu einer Linse 206, die diesen Lichtstrahl fokussiert und auf die Endfläche der optischen Faser 11 strahlt. Ähnlich wird vom Recht-Winkel-Spiegel 208 die rechte Hälfte des einfallenden Lichtstrahls hinzu einer Linse 207 reflektiert, die diesen Lichtstrahl fokussiert und auf die Endfläche der optischen Faser 7 strahlt.
Fig. 8 zeigt eine andere Ausführungsform dieser Erfindung um einen optischen Koppler, der eine Linse verwendet, zu illustrieren. Das von einer ersten optischen Faser 301 emittierte Licht wird mit einer Linse 302 parallel ausgerichtet und fällt dann auf zweite und dritte optische Fasern 303 und 304.
In den oben erwähnten Konfigurationen sind die Charakteristika von der Lichtquelle 1 und den optischen Fasern 7, 9 und 19 zusätzlich zu denen der Probe 8 im Spektrum des Meßsignals einbezogen, wahrend die Charakteristika von Lichtquelle 1 und der optischen Fasern 19 und 11 im Spektrum des Referenzsignals einbezogen sind.
Da die optische Faser 11 auf dem gleichen Pfad wie die optischen Fasern 7 und 9 liegt, zeigt sie die gleichen spektralen Charakteristika. Deswegen können durch Teilen der spektralen Charakteristika des Meßsignals durch die des Referenzsignals, die umweltbedingten Veränderungen in den optischen Fasern 19, 7 und 9 kompensiert werden.
Die Nicht-Uniformität des Interferenzlichts in Position "d", welche in der Konfiguration aus Fig. 5 durch Dejustierungen der Spiegel aufgrund von Temperaturveränderungen erzeugt werden und die Signale beeinflussen können, auch kompensiert werden, weil das Licht mit einer einzelnen optischen Faser in der Position von "d" empfangen wird und dann in Licht für die Proben- und Referenzsignale geteilt wird. Diese Konfiguration ist in ähnlicher Weise auch für die Verschlechterung der Lichtquelle effektiv.
Weiter, ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformbeispiele beschränkt. Zum Beispiel, können als ein optischer Koppler auch die allgemein verwendeten, kommerziell erhaltbaren optischen Wellenleiter und Fusionssplice-optical-Fasern verwendet werden.
Die Erfindung kann auch so konfiguriert werden, daß die Meß- und Referenzsignale entnommen werden, in dem optische Fasern nahe zu einander in der Position von "d", wie es in Fig. 5 gezeigt ist, angeordnet werden, wie am Beispiel eines konventionellen Aufbaus in Fig. 2 gezeigt, und durch Hinzufügen eines optischen Kopplers an jede optische Faser. Durch eine solche Konfiguration werden Multikanal-Messungen, die das Interferometer als Lichtquelle verwendend, möglich.
Weiter müssen Lichtmengen für Meß- und Referenzsignale nicht unbedingt ein Verhältnis von 1 zu 1 aufweisen. Die Lichtmenge auf der Meßsignalseite wird durch die Probe und die Proben- Kammer abgeschwächt. Deswegen kann, wenn die Lichtmenge auf der Meßsignalseite entsprechend erhöht wird, zum Beispiel durch Setzen des Lichtmengenverhältnisses auf den Meß- und Referenzseiten auf 2 : 1, der Verlust aufgrund der Probe und anderem kompensiert werden, und ein kollektiv höheres S/N Verhältnis als im Fall eines 1/l Verhältnisses kann erreicht werden.
Fig. 9 ist eine Darstellung eines optischen Kopplers, der dieses Konzept realisiert. Licht von der optischen Faser 19 wird durch einen Strahlteiler 401 getrennt, bevor es auf die optische Faser 7 auf der Probenseite einfällt und das getrennte Licht fällt auf die optische Faser 11 auf der Referenzseite. Für einen Strahl im nahen Infrarot, kann eine Glasplatte ohne Metallfilm-Ablagerung durch Vakuumevaporation verwendet werden, weil die Oberflachenreflexion von der Glasoberflache ungefähr 4% ist.
Das führt zu einem Lichtsignal von ungefähr 90% des ausgehenden Lichts von der optischen Lichtfaser 19, sogar wenn Verluste in der Linse und anderem berücksichtigt werden, was zu einer Verbesserung des S/N Verhältnisses führt.
Wenn die Lichtmenge auf der Referenzseite aus dem Grund klein ist, daß ein Abfall der Lichtmenge auf der Meßseite nicht mit dem Aufspaltverhältnis übereinstimmt, wird eine Verschlechterung des S/N Verhältnisses verhindert durch, z. B. Verlängerung der Integrationszeit des empfangenen Signals nur auf der Referenzseite. Das kommt daher, daß die Integrationszeit auf der Referenzseite, welche Temperaturveränderungen in der Lichtquelle und den optischen Fasern selbst folgen kann, ausreicht, während die Zeit auf der Meßseite den Veränderungen der Probe gemäß, bestimmt werden muß. Zum Beispiel, für eine Probe, die durch eine Röhre fließt, unter Berücksichtigung der Steuerung mit einem Ventil, ist es wünschenswert eine Integrationsansprechzeit von 1 bis zu 10 Sekunden zu haben, während ein Zeitraum von wenigen bis zu 10 Minuten bei Temperaturveränderungen in der Lichtquelle und den optischen Fasern auf der Referenzseite ausreicht. Das bedeutet, daß die Integrationszeit auf der Referenzseite mehreren bis zu einigen zehnfachen des Zeitraums der Meßseite betragen kann.
Der obige Strahlteiler kann aus Quarz oder Kalziumfluorid gemacht sein. Ein Teiler, der keine Oberflächenreflektion, sondern einen dünnen Film, der auf seiner Oberfläche angebracht ist, benutzt, kann auch verwendet werden, was aber die Haltbarkeit geringfügig verschlechtert. Weiter ist das Verhältnis von Referenzlicht zu Meßlicht nicht auf den obigen Wert beschränkt, sondern es reicht aus, daß die Lichtmenge auf der Referenzseite kleiner als auf der Meßseite ist.
Wie oben erwähnt kann das Spektroskop der Erfindung eine genaue Messung liefern, ohne durch Temperatur- oder andere Veränderungen im Interferrometerbereich beeinträchtigt zu werden, da sein Aufbau so gewählt wurde, daß das herausgehende Interferenzlicht von einem Michelson- Interferrometer mit einer einzelnen optischen Faser empfangen wird und dann das Licht mit einem optischen Koppler, in zwei optische Fasern aufspaltet wird, um die Meß- und Referenzsignale zu erzeugen.

Claims

1. Spektroskop mit mindestens zwei optischen Fasern (7, 9, 11), eine zum Messen, die auf einem Lichtweg durch eine Probenkammer (8) verwendet wird, und eine als Referenz;

einer Spektroskop-Lichtquelle (1, 50);

einer ersten optischen Faser (19), deren Eingangsende auf einem ausgehenden Lichtweg von der Lichtquelle an die Probenkammer (8) angeordnet ist;

einem Optokoppler (20), der das Ausgangslicht der ersten optischen Faser (19) in zwei Lichtstrahlen trennt, die auf die optischen Fasern zum Messen bzw. für die Referenz (7, 9, 11) einfallen; und

ersten und zweiten Photodetektoren (10, 12), die Ausgangslichtstrahlen und von den optischen Fasern zum Messen bzw. für die Referenz (7, 9, 11) erfassen.

2. Spektroskop gemäß Anspruch 1, bei dem der Optokoppler (20) einen Halbspiegel (204) für den Verzweigungsteil des Lichts verwendet und konfiguriert ist, so daß das mit dem Halbspiegel (204) übertragene Licht und reflektierte Licht auf die optischen Fasern (7, 9, 11) zum Messen bzw. für die Referenz einfallen.

3. Spektroskop gemäß Anspruch 1, bei dem der Optokoppler (20) für den Verzweigungsteil des Lichts einen Spiegel mit zwei Oberflächen (208) verwendet, der an der Mitte des ausgehenden Lichtwegs von der ersten optischen Faser (19) angeordnet und konfiguriert ist, so daß von diesem Spiegel reflektierte Lichtstrahlen auf die optischen Fasern (7, 9, 11) zum Messen bzw. für die Referenz einfallen.

4. Spektroskop gemäß Anspruch 1, bei dem der Optokoppler (20) eine Sammellinse (302) oder -spiegel für den Verzweigungsteil des Lichts verwendet und konfiguriert ist, so daß das von der ersten optischen Faser (19) ausgehende Licht, das mit der obigen Sammellinse (203) oder -spiegel fokussiert wird, auf die optische Fasern (7, 9, 11) zum Messen bzw. für die Referenz einfällt.

5. Spektroskop gemäß Anspruch 1, bei dem der Verzweigungsteil des Optokopplers (20) mit einem optischen Wellenleiter gebildet ist.

6. Spektroskop gemäß Anspruch 1, bei dem der Verzweigungsteil des Optokopplers (20) durch paralleles Verschmelzen oder mechanisches Aneinanderhaften von zwei optischen Fasern gebildet wird.

7. Spektroskop gemäß Anspruch 1, bei dem die Spektroskop- Lichtquelle (1, 50) umfaßt:

eine Lichtquelle (1);

ein erstes optisches Mittel (2), das das Ausgangslicht der Lichtquelle parallel ausbildet;

ein Michelson-Interferometer (50), auf das das Ausgangslicht von dem ersten optischen Mittel einfällt; und

ein zweites optisches Mittel (6), das das Ausgangslicht von dem Michelson-Interferometer (50) fokussiert;

und wobei die erste optische Faser (19) ein Eingangsende aufweist, das in der Nähe der Brennebene des zweiten optischen Mittels (6) innerhalb des Bereichs des auf dieser Brennebene gemachten Bildes der Lichtquelle (1) angeordnet ist.

8. Spektroskop gemäß Anspruch 1, bei dem die Spektroskop- Lichtquelle (1, 50) umfaßt:

eine Lichtquelle (1);

eine akusto-optische Vorrichtung (60), ein Beugungsgitter oder ein optisches Filter, auf die/das das Ausgangslicht von dem ersten optischen Mittel (2) einfällt;

und ein zweites optisches Mittel (13), das das Ausgangslicht von der akusto-optischen Vorrichtung (60), dem Beugungsgitter oder dem optischen Filter fokussiert; und

wobei die erste optische Faser (19) ein Eingangsende aufweist, das in der Nähe der Brennebene des zweiten optischen Mittels (13) innerhalb des Bereichs des auf dieser Brennebene gemachten Bildes der Lichtquelle angeordnet ist.

9. Spektroskop gemäß Anspruch 1, Anspruch 7 oder Anspruch 8, bei dem der Optokoppler (20) einen Strahlenteiler für das Verzweigungsteil des Lichts verwendet; wobei das übertragene Licht bzw. das reflektierte Licht von dem Strahlenteiler auf die optischen Fasern (7, 9, 11) zum Messen bzw. für die Referenz einfällt; und die Lichtmenge in die optische Faser zum Messen (7, 9) konfiguriert ist, um größer als die Lichtmenge in die optische Faser (11) für die Referenz zu sein.

10. Spektroskop gemäß Anspruch 1, Anspruch 7 oder Anspruch 8, bei dem die Signalintegrationszeiten in den beiden Photodetektoren (10, 12), die die Ausgangslichtstrahlen aus den optischen Fasern (7, 9, 11) zum Messen bzw. für die Referenz erfassen, unterschiedlich voneinander sind.