Mikrooptiken zur Verbesserung eines optischen Abstandsensors

Mikrooptiken zur Verbesserung eines optischen Abstandsensors und Mikrofons
T. Fricke-Begemann, J. Ihlemann, R. Weichenhain
Laser-Laboratorium Göttingen e.V., Göttingen
mailto: [email protected]
Der Einsatz von fokussierenden optischen Elementen kann die Empfindlichkeit
von Glasfaser-basierten optischen Abstandsensoren erheblich steigern. Für die
Ausführung eines solchen Sensors als optisches Mikrofon werden verschiedene
mikrooptische
Komponenten
vorgestellt
und
die
erreichten
Leistungssteigerungen verglichen.
1 Einführung
2 Empfindlichkeit des Sensors
Optische Abstandsensoren, die auf der Basis der
Messung von Lichtintensitätsmodulation arbeiten,
können unter Einsatz von (Multimode-)Glasfasern
und einer verspiegelten Membran als optisches
Mikrofon ausgeführt werden [1]. Hier führt die
Membranschwingung zu einer Modulation der
Amplitude des übergekoppelten Lichts (Abb. 1).
Die Anwendung eines solchen Sensorkopfes findet
sich wegen seines metallfreien und stromlosen
Aufbaus in Messtechnik, Medizintechnik und Anlagenüberwachung [2].
Die Empfindlichkeit dieser Sensoren wird unter
anderem durch die Anordnung von Sende- und
Empfangsfaser zur reflektierenden Oberfläche
(Abb. 3), die Faserquerschnitte, die optischen Eigenschaften der Fasern und der reflektierenden
Fläche und die Strahlungsintensität bestimmt.
Membran in Ruhelage
∆d
α
L
α
∆z
Membran ausgelenkt
Membran
Abb. 3 Geometrie der faseroptischen Membranabtastung.
Empfangsfaser
Sendefaser
reflektierter
Lichtstrahl
Empfangsfaser
reflektierter
Lichtstrahl
Abb. 1 Funktionsprinzip der faseroptischen Membranabtastung.
Durch die im allgemeinen geringe Schwingungsamplitude der Membran ist die Mikrofonempfindlichkeit begrenzt. Eine Verbesserung ist durch
Fokussierung und Lenkung der Strahlung mittels
mikrooptischer Komponenten möglich (Abb. 2).
Membran in Ruhelage
Membran ausgelenkt
Membran
Der Einfluss des Winkels und der Distanz zwischen den Fasern auf die Kopplungskennlinie, die
die empfangene Strahlung in Abhängigkeit von der
Position der reflektierenden Fläche darstellt, ist in
Abb. 4 zu erkennen.
70
Kopplungsgrad K [%]
Sendefaser
60
α=20°
α=20°
α=40°
α=40°
50
L= 350µm
L= 530µm
L= 190µm
L= 280µm
40
30
20
10
0
0
100
200
300
400
500
Spiegelabstand d [µm]
Sendefaser
Empfangsfaser
reflektierter
Lichtstrahl
Sendefaser
Abb. 4 Kopplungskennlinien für Anordnungen ohne
fokussierende Elemente.
Empfangsfaser
reflektierter
Lichtstrahl
Abb. 2 Einsatz von fokussierenden Elementen im Faserkopf
Je flacher der Winkel zwischen Spiegel und Wellenleiter ist, desto steiler ist die Kopplungskennlinie. Die Steilheit dieser Kurve und die eingestrahlte Lichtmenge bestimmen u.a. die Empfindlichkeit
des Sensors in Form des Gütefaktors G [3]:
DGaO-Proceedings 2004
S
K
(1)
(S: Steilheit der Kopplungskurve im Arbeitspunkt;
K: Kopplungsgrad).
3 Fokussierende Mikrooptiken
Zur Verbesserung der Kopplungseffizienz können
miniaturisierte Linsen, wie z.B. Kugellinsen verwendet oder direkt auf Faserenden integrierte Linsen eingesetzt werden. Für eine erwünschte Miniaturisierung des Sensorkopfes ist eine möglichst
Platz sparende Anordnung nötig.
(a)
(b)
4 Sensoroptimierung
Mittels Ray-Tracing und experimenteller Parameterstudien wurden für die eingesetzten Optiken die
Anordnungen hinsichtlich maximaler Gütefaktoren
optimiert. Eine vergleichende Darstellung normierter Kopplungskurven ist in Abb. 7 dargestellt. Polymerlinsen führen zu einer deutlichen Zunahme
der Kopplungssteilheit und verbessern den SignalRauschabstand um bis zu 8 dB gegenüber der
Ausführung ohne Zusatzoptik.
1,0
normierte Kopplung K/Kmax
G=
ohne Optik
S/sqrt(K)= 0.16
Kugellinse
S/sqrt(K)= 0.15
Schmelzlinse
S/sqrt(K)= 0.28
Polymerlinse
S/sqrt(K)= 0.42
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0
50
100
150
200
Membranabstand d [µm]
Abb. 7 Normierte Kopplungskennlinien diverser optimierter Faserkopfgeometrien.
(c)
Abb. 5 Optische Komponenten zur Fokussierung von
Multimodefaserlicht (a) Schmelzlinse (Faserende aufgeschmolzen), (b) aufgetropfte und ausgehärtete Polymerlinse, (c) mittels F2-Laserablation am Ende der Glasfaser
hergestellte Linse [4].
Abb. 5 zeigt rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen einiger getesteter Varianten. Die durch
diese Anordnungen erzeugte Propagation der
Strahlquerschnitte (1/e²) im freien Raum ist in Abb.
6 dargestellt. Schmelz- und insbesondere Polymerlinsen und integrierte Linsen ermöglichen einen kompakten Aufbau.
2
Strahldurchmesser (1/e ) / µm
(a)
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Kugellinse
D = 1mm, LaSFN9
Schmelzlinse
r = 150 µm
F2-geschnitten
r = 125 µm
Polymerlinse
r = 115 µm
5 Zusammenfassung
Durch Verwendung von Mikrooptiken lässt sich die
Abstrahlung von Multimode-Glasfasern an spezifische Aufgabenstellungen anpassen. Für ein kompaktes optisches Mikrofon sind auf Fasern aufgebrachte Polymerlinsen oder laserbearbeitete Faserenden gut geeignet. Der Signal-RauschAbstand von Systemen mit fokussierenden Optiken verbessert sich gegenüber den ohne Optiken
optimierten Anordnungen deutlich.
6 Danksagung
Die Arbeiten wurden in Kooperation mit Sennheiser electronic, IMT Braunschweig, GZV Braunschweig und IOF Jena durchgeführt und durch die
Landesinitiative Mikrosystemtechnik Niedersachsen gefördert.
Literatur
[1] R. Herber, Faseroptische Sensoren für Luftschallanwendungen, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 10,
Nr. 125 (1990).
[2] W. Niehoff, V. Gorelik, M. Hibbing, Das optische
Mikrofon, rfe 4/1999, S. 24.
(b)
[3] D. Garthe, Faser- und integriert-optische Mikrofone
auf der Basis intensitätsmodulierender Membranabtastung, Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 10, Nr. 214
(1992).
Abb. 6 Strahlverlauf (a) hinter einer Polymerlinse in
Falschfarbendarstellung (50µm-Schritte), (b) aufgetragen über den Abstand zum Faserende
[4] J. Li, P.R. Herman, M. Wei, K.P. Chen, J. Ihlemann,
G. Marowsky, P. Oesterlin, B. Burghardt: Proc.
SPIE Vol. 4637A, 228 (2002).
0
200
400
Abstand zum Faserende / µm
600
DGaO-Proceedings 2004