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Dokumentenidentifikation DE3852176T2 22.06.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0366696
Titel VERFAHREN ZUR STEUERUNG EINER STRAHLUNGSQUELLE UND EINER REGELBAREN STRAHLUNGSQUELLE.
Anmelder Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus, Espoo, FI
Erfinder KERÄNEN, Heimo, SF-90100 Oulu, FI;
MALINEN, Jouko, SF-90250 Oulu, FI
Vertreter Viering, H., Dipl.-Ing.; Jentschura, R., Dipl.-Ing.; Schlee, A., Dipl.-Ing., 80538 München; Nobbe, M., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., 46047 Oberhausen; Bogsch, A., Dipl.-Elektroing., Pat.-Anwälte; Festl-Wietek, W., Dr., Rechtsanw., 80538 München
DE-Aktenzeichen 3852176
Vertragsstaaten BE, DE, FR, GB, IT, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 23.06.1988
EP-Aktenzeichen 889058533
WO-Anmeldetag 23.06.1988
PCT-Aktenzeichen FI8800103
WO-Veröffentlichungsnummer 8810462
WO-Veröffentlichungsdatum 29.12.1988
EP-Offenlegungsdatum 09.05.1990
EP date of grant 23.11.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.06.1995
IPC-Hauptklasse G05D 25/02
IPC-Nebenklasse H05B 37/02   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Strahlungsquelle mit einer Mehrzahl von Leuchtdioden (LEDs); wobei das Verfahren einen Schritt des selektiven Ansteuerns einer der LEDs zum Erzeugen einer Ausgangsstrahlung innerhalb eines ausgewählten Wellenlängenbereichs aufweist, welcher der ausgewählten LED zugeordnet ist.

Die Erfindung betrifft auch eine regelbare Strahlungsquelle zum Erzeugen einer Ausgangs Strahlung innerhalb eines ausgewählten Wellenlängenbereichs, mit: einer Mehrzahl von Leuchtdioden (LEDS); einem Ausgangsspalt oder dergleichen; einem optischen Dispersionselement, das in dem optischen Weg zwischen der Mehrzahl von Leuchtdioden und dem Ausgangsspalt angeordnet ist, wobei das optische Dispersionselement zum Empfangen der Strahlung und zum Brechen der empfangenen Strahlung in eine Richtung ausgelegt ist, die von der Wellenlänge der empfangenen Strahlung abhängt; und einem Ansteuerungs- und Regelungsmittel zum selektiven Ansteuern einer der LEDs.

Eine Strahlungsquelle des beschriebenen Typs wird zum Beispiel in Spektrometern und Photometern verwendet. Oft ist die Strahlungsquelle der wichtigste Faktor, von dem die Leistungsfähigkeit und die Anwendbarkeit eines Instruments eingeschränkt wird. In Vorrichtungen, welche unter industriellen Bedingungen verwendet werden sollen, werden im allgemeinen Wärmestrahler, wie zum Beispiel aufeinem Glühfaden beruhende Quellen als Strahlungsquelle verwendet. Ihr Problem ist jedoch die geringe optische Wirksamkeit und ständig großer Wärmeverlust, wie auch die schwache Vibrationsverträglichkeit, kurze Betriebsdauer und die Schwierigkeit in der Modulation.

In den letzten Jahren wurden aufgrund der Entwicklung der Halbleitertechnologie wirksame Laser, welche auf den Halbleitersperrschichten beruhen, und Leuchtdioden oder LEDS aufden Markt gebracht. Sie bieten mehrere Vorteile im Vergleich zu den herkömmlichen Strahlungsquellen: zum Beispiel kleine Baugröße und geringer Energieverbrauch, große Zuverlässigkeit, lange Betriebsdauer (sogar mehr als 10&sup8; Stunden), große Betriebsgeschwindigkeit, einfaches Anschließen an optische Fasern. Ferner können sie einfach elektrisch moduliert werden. Halbleiterstrahlungsquellen sind heutzutage für den Wellenlängenbereich von etwa 400 nm bis über 10 um, jedoch im Betrieb bei Raumtemperatur lediglich bis aufetwa 3200 nm verfügbar. Dieser Bereich ist in der quantitativen wie auch qualitativen Analyse der meisten Substanzen nutzbar.

Halbleiterlaser sind nahezu ideale Strahlungsquellen für Spektrometer angesichts ihres schmalen Spektrums. Jedoch sind hoher Preis und geringe Stabilität ihre Probleme. Es ist ebenfalls eine Tatsache, daß die Auswahl von Standardwellenlängen, insbesondere in dem nahen IR-Bereich nicht ausreichend ist. Die LEDS ermöglichen aufgrund ihres breiteren Strahlungsspektrums, daß ein beträchtlich breiterer Wellenlängenbereich abgedeckt wird, und sie sind auch preisgünstiger. Die spektrale spezifische Lichtausstrahlung von LEDS liegt in derselben Größenordnung wie die der meisten Wärmestrahlungsquellen oder ist höher.

Das Strahlungsspektrum von LEDS ist meistens zu weit, um zu ermoglichen, daß die LEDS, wie sie sind, für spektroskopische Messungen verwendet werden. Ferner ändern sich die Form des Strahlungsspektrums, die maximale Wellenlänge und die Strahlungsleistung mit der Änderung der Temperatur, des Ansteuerungsstromes und der Zeit deutlich.

In Spektrometerausführungsformen nach dem Stand der Technik, welche auf der Anwendung von LED-Quellen beruhen, wird der Meßbereich von den LEDS im allgemeinen mit Hilfe von gesonderten Filtern aufgeteilt, oder die LED wird ohne Filterung verwendet, in welchem Falle die Auflösung ebenfalls gering ist. Die Anderung der Strahlungsintensität wird meistens ausgeglichen, entweder durch reine elektrische Kompensation oder durch Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur der LED, was zu einer anspruchsvollen und teuren mechanischen Konstruktion führt. Aufgrund des hohen Preises und der schwierigen Handhabung der Filter (zum Beispiel Miniaturisierung, Schneiden) ist die Anzahl der Wellenlängenbereiche in solchen Vorrichtungen im allgemeinen klein (2 bis 10).

Ein Verfahren, wie im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben, und eine Strahlungsquelle, wie in dem Oberbegriff des Anspruchs 3 beschrieben, sind in der europäischen Patentanmeldung 0 110 201 offenbart. Diese bekannte Vorrichtung weist jedoch quasimonochromatische Strahlungselemente auf, welche entlang eines Rowlandschen Kreise sorgfältig positioniert werden müssen. Von jedem der quasi-monochromatischen Strahlungselementen wird eine Strahlung in lediglich einem der auswählbaren Wellenlängenbereichen erzeugt, so daß alle Strahlungselemente voneinander verschieden sein müssen.

Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist, daß diese eine ziemlich komplexe Konfiguration erfordert, wobei die Gesamtheit der Stahlungselemente entlang des Rowlandschen Kreises bewegt wird und/oder das optische Dispersionselement gedreht wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist, unter anderem die oben genannten Nachteile zu vermeiden, und ein neues Verfahren zum Regeln einer Strahlungsquelle sowie eine regelbare Strahlungsquelle zu schaffen. Dies wird mit Hilfe der kennzeichnenden Merkmale der Erfindung verwirklicht, welche in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Mit Hilfe der Erfindung werden unter anderem die folgenden Vorteile erzielt. Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine regelbare Strahlungsquelle verwirklicht werden, welche hinsichtlich ihrer Konstruktion einfach ist und bewegliche Teile nicht enthält. Ferner kann die Strahlungsquelle in einer Ausführungsform mit kleinen Außenabmessungen verwirklicht werden. Trotz der kleinen Größe kann eine gute Wellenlängenauflösung erzielt werden. Die Wellenlängenauflösung wird in erster Linie durch die Größe der LED-Elemente (typisch nur 300 um x 300 um) und durch die Winkeldispersion und die Abmessungen der Optik bestimmt, von welcher die Strahlung spektral zerlegt wird. Die Anzahl der Meßkanäle in dem Spektrometer, in dem das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird, kann leicht aufmehrere Dutzend vergrößert werden. Die Anzahl der erforderlichen elektronischen Regelungs- und Ansteuerungsvorrichtungen hängt nicht unbedingt von der Anzahl der LEDS ab. Gemäß dem Verfahren wird die Intensität der Wellenlängenbänder ebenfalls stabilisiert. Das Kriechen des Spektrums der LEDS und der Gesamtstrahlungsleistung hat dann keinen Einfluß auf die Ausgangsintensität der Strahlungsquelle. Entsprechend dem Verfahren können die Wellenlängen der Strahlungsquelle elektrisch ausgewählt werden. Die Modulationsfrequenz kann, falls gewünscht, sehr hoch sein (zum Beispiel weniger als 1 us pro LED). Es ist möglich, zusammen mit der erfindungsgemäßen regelbaren Strahlungsquelle ein Einkanalradiometer als Detektor zu verwenden, wobei in dem Einkanalradiometer bevorzugt ein einziges Detektorelement verwendet wird. Das Verfahren und die es verwendende Strahlungsquelle können in dem sichtbaren Lichtbereich und dem IR-Strahlungsbereich verwendet werden.

Die Erfindung kann in dem Sendeteil des Sprektrometers verwendet werden. In bestimmten Anwendungen ist es ebenfalls möglich, das gesamte Spektrometer derart zu integrieren, daß es eine einzige Komponente bildet, welche hermetisch eingekapselt werden kann. Ein zuverlässiges und stabiles Spektrometer, und ein solches, das bei Außenarbeiten verwendbar ist, wird mit Hilfe einer solchen Integration erzielt.

Bedeutende Vorteile sind mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dieses verwendenden Strahlungsquelle bei Reflexions- oder Transmissionsmessungen an diffus reflektierenden Objekten erzielbar, verglichen mit der Mehrfachdetektortechnik, welche in den letzten Jahren allgemein verwendet wurde. In Spektrometern mit mehreren Elementen muß die diffuse Strahlung an kleinen Detektorelementen durch einen schmalen Eingangsspalt gesammelt werden, wodurch große optische Sammelverluste auftreten. Bei der erfindungsgemäßen regelbaren Strahlungsquelle können die optischen Sammelverluste durch Anwendung des oben erwähnten Einkanalradiometers als Detektor minimiert werden, wobei der Radiometer ein großes Detektorelement und gleichzeitig einen weiten Sammelwinkel aufweist.

Die Erfindung wird im folgenden mit Hilfe der Zeichnung detailliert beschrieben, in der:

Figur 1 ein Spektrometer schematisch zeigt, bei dem die Erfindung verwendet wird;

Figur 2 das Strahlungsspektrum einer LED und das mit Hilfe der Erfindung erzielbare Strahlungsspektrum beispielhaft zeigt;

Figur 3 in Form eines Blockdiagramms eine LED-Reihe und deren Ansteuerungs- und Regelungsmittel zeigt;

Figur 4 eine erfindungsgemäße Strahlungsquelle zeigt, in der eine optische Faser verwendet wird;

Figur 5 ein Reflexionsspektrometer schematisch zeigt, bei dem die Erfindung verwendet wird; und

Figur 6 eine Strahlungsquellenreihe zeigt, durch welche eine LED-Reihe (Figur 6A) ersetzt werden kann (Figur 6B).

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Strahlungsquelle mit einer LED-Anordnung verwirklicht, die aus Halbleiterchips oder LED-Elementen oder dergleichen zusammengesetzt ist. Aus der Strahlung der LED-Elemente wird ein Wellenlängenbereich in Abhängigkeit von der Stelle des LED-Elements in der Anordnung mit einem optischen Mittel separiert, von dem die Strahlung spektral zerlegt wird, und die Intensität dieses Wellenlängenbereichs oder der Ausgangs Strahlung wird durch Überwachen der Strahlungsintensität und mit Hilfe dieses Überwachens erfolgtes Regeln des durch das entsprechende LED- Element hindurchfließenden Stromes geregelt oder konstant gehalten. Der gewünschte Wellenlängenbereich kann dann durch Ansteuern des entsprechenden Elements in der LED-Anordnung elektrisch ausgewählt werden.

In dem Spektrometer nach Figur 1 wird das erfindungsgemäße Verfahren verwendet. Die Strahlungsquelle 1 des Spektrometers ist aus Leuchtdioden oder LEDs zusammengesetzt. Im einzelnen besteht die Strahlungsquelle 1 aus einer Reihe von LEDS 2, welche eine Mehrzahl von Seite an Seite angeordneten LED- Halbleiterchips oder LED-Elementen 21, 22, 23, ..., 26 aufweist, welche alle gleich sind. Die Strahlungsquelle weist ferner optische Mittel zum Separieren des gewünschten Wellenlängenbereichs aus der Strahlung, welche von den LEDs erzeugt wird, und Mittel zum Halten der Intensität der Strahlung in dem Wellenlängenbereich aufeinem konstanten Wert oder aufeinem gewünschten Pegel auf. Die optischen Mittel bestehen aus optischen Vorrichtungsteilen, wie Linsen, Spiegeln, Gittern, Spalten und Strahlenteilern, wobei die von den LEDs erzeugte Strahlung mit Hilfe dieser Mittel gesammelt und spektral zerlegt wird, und die Strahlung des gewünschten Wellenlängenbereichs auf einen Ausgangsspalt oder dergleichen gerichtet wird. Die optischen Mittel in dem Spektrometer nach Figur 1 umfassen eine Strahlungssammellinse 3, ein Reflexionsgitter 5, von dem die Strahlung spektral zerlegt wird, und eine Blende 6, die einen Ausgangsspalt darstellt. Es ist genauso möglich, als Strahlungssammelkomponente zum Beispiel einen konkaven Spiegel zu verwenden, und anstelle des Reflexionsgitters kann man ein Transmissionsgitter oder ein Prisma verwenden. Diese Komponenten können auch zum Beispiel durch Anwendung eines fokussierenden Reflexions- oder Transmissionsgitters zusammengefaßt werden.

Die erfindungsgemäße steuerbare Strahlungsquelle 1 weist ferner optische Mittel und einen Detektor 7 zum Überwachen und/oder Messen der Intensität der Ausgangsstrahlung auf. Die in dem Spektrometer nach Figur 1 verwendeten optischen Mittel bestehen aus einem Strahlenteiler 8. Die Strahlungsquelle weist auch ein Ansteuerungs- und Regelungsmittel 9 auf, an welches der Detektor 7 angeschlossen ist. Das Ansteuerungs- und Regelungsmittel 9 ist an die LED-Reihe 2, an jedes von deren Elementen 21, 22, ..., 26 angeschlossen. Mit Hilfe des Ansteuerungs- und Regelungsmittels 9 wird das gewünschte LED- Element ausgewählt. Daher wird aus der von jedem LED-Element erzeugten Strahlung der gewünschte Wellenlängenbereich auf den Ausgangsspalt hin gerichtet, wobei dieser Wellenlängenbereich von dem Ort des LED-Elements 21, 22, ..., 26 abhängt. Von der aus der Strahlungsquelle ausgehenden Strahlung wird ein Teil mit Hilfe eines optischen Mittels abgetrennt, um ihn auf den Detektor 7 zu richten, wobei der durch das entsprechende LED- Element hindurchfließende und die betreffende Strahlung erzeugende Strom entsprechend den von den Detektor gelieferten Intensitätsdaten derart gesteuert wird, daß die Strahlungsintensität dieses Wellenlängenbereichs und daher die Intensität der Ausgangsstrahlung konstant ist.

Ferner können auch andere optische Mittel der Strahlungsquelle 1 zugeordnet werden. In Figur 1 wird die durch den Spalt 6 hindurchtretende Ausgangs Strahlung mit Hilfe einer Linse 10 parallel ausgerichtet, wonach sie auf das Meßobjekt 11 gerichtet wird. Hinter dem Meßobjekt in der Fortpflanzungsrichtung der Strahlung ist ein Empfänger 12 angeordnet, als welcher für Messungen an diffus reflektierenden Objekten vorteilhaft ein Breitfeldradiometer dient. Das elektrische Signal von dem Empfänger 12 wird in einem Verstärker 13 verstärkt und einer Recheneinheit 14 zugeführt, und wird möglicherweise aufeinem Anzeiger angezeigt, der zusammen mit der Recheneinheit 14 vorgesehen ist. Von der Recheneinheit 14 oder Steuerorganen an einer zusammen mit dieser vorgesehenen Tafel kann die Ansteuerungs- und Regelungseinheit 9 der Strahlungsquelle 1 ebenfalls gesteuert werden.

Für Reflexions- und/oder Transmissionsmessungen ist es vorteilhaft, daß wenigstens die Strahlungsquelle 1 als eine integrierte Einheit ausgelegt ist. Sie kann gegen die Außenwelt geeignet abgeschirmt, zum Beispiel in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse eingeschlossen sein, um die Zuverlässigkeit zu verbessern.

Der Schaltkreis des Ansteuerungs- und Regelungsmittels 9 ist in Figur 3 in Form eines Blockdiagramms dargestellt. Die LED- Elemente 21, 22, ..., 2(N-1), 2N (N = eine ganze Zahl 1, 2, 3, ...) sind über eine Stromregelungsschaltung 15 an eine Spannungsquelle 30 angeschlossen. Die LED-Elemente sind an ein Auswahlmittel 16, wie einen Dekoder angeschlossen und dieser ist an die Recheneinheit 14 angeschlossen. Das gewünschte LED- Element, zum Beispiel das Element 23, und der gewünschte Wellenlängenbereich der Ausgangs Strahlung aus der Strahlungsquelle werden mit Hilfe des Auswahlmittels 16 ausgewählt. Ein Teil der von den LED-Elementen erhaltenen Strahlung wird mit Hilfe des optischen Mittels 8 erfaßt und auf den Detektor 7 übertragen. Der Detektor 7 ist mit der Steuereinheit 9a verbunden. Die Stromsteuerungsschaltung 15 wird von der Steuereinheit 9a mit Hilfe des Signals von dem Detektor 7 derart gesteuert, daß das Ausgangssignal des Detektors konstant die gewünschte Größe aufweist, wodurch auch die Intensität der Ausgangsstrahlung aufdem gewünschten Pegel gehalten wird.

Figur 2 zeigt das durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltene Spektrum der Ausgangsstrahlung. In den rechtwinkligen Koordinaten werden von den Ordinaten die Strahlungsintensität I und von den Abszissen die Wellenlänge repräsentiert. Das Strahlungsspektrum einer Normal-LED weist die Form einer weiten Glockenkurve L auf, Figur 2A. Die Spektra der aus der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle 1 austretenden Strahlung sind Schmalbänder gewunschter Höhe oder gewünschten Bereichs S, Figuren 2B - 2E, innerhalb des von der Glockenkurve L begrenzten Bereichs.

Das Spektrometer nach Figur 1 und die darin angewandte Strahlungsquelle arbeiten im Prinzip wie folgt. Von dem Ansteuerungs- und Regelungsmittel 9 wird das erste LED-Element 21 in der LED-Reihe 2 ausgewählt und aktiviert. Die Strahlung des LED-Elementes wird von der Linse 3 gesammelt und als ein paralleler Strahl zu dem Reflexionsgitter 4 gesendet. Von der Linse 3 wird ferner aus der von dem Gitter reflektierten Strahlung ein Spektrum an der Blende 5 erzeugt. Derjenige Teil der Strahlung (Wellenlängenbereich Δλ&sub1;) tritt durch den Ausgangsspalt 6 hindurch, der von der Lage des LED-Elementes 21 in der Reihe und von den Lagen und der Bemessung der anderen optischen Mittel 3,4,6 bestimmt wird. Von der Linse 10 wird eine parallele Ausgangsstrahlung erhalten, die auf das Meßobjekt 11 auftritt.

Durch das optische Mittel 8 hindurchtretend wird ein Teil der Ausgangsstrahlung zum Auftreffen aufden Detektor 7 gerichtet, und das erhaltene, die Intensität repräsentierende Signal wird von dem Ansteuerungs- und Regelungsmittel 9 aufgezeichnet. Von dem Ansteuerungs- und Regelungsmittel wird der zu dem LED- Element 21 fließende Strom auf einen solchen Wert eingestellt, daß das von dem Detektor 7 erhaltene Signal auf einen gewünschten Pegel erhöht wird, wodurch auch die Intensität der Ausgangsstrahlung den gewünschten Wert, zum Beispiel I&sub0; annimmt. Hiernach findet der tatsächliche Meßvorgang in dem Wellenlängenbereich Δλ&sub1; (Figur 2B) statt und das Ergebnis wird in der Recheneinheit 14 aufgezeichnet. Danach wird von dem Ansteuerungs- und Regelungsmittel 9 das LED-Element 22 aktiviert, und, nachdem die Ausgangsintensität ähnlich aufden erforderlichen Pegel eingestellt worden ist, findet der Meßvorgang in dem Wellenlängenbereich Δλ&sub2; (Figur 2C) statt. Von dem Ansteuerungs- und Regelungsmittel 9 werden alle LED- Elemente 21 ... 2N nacheinander aktiviert und Meßvorgänge werden ähnlich in den Wellenlängenbereichen Δλ&sub1;, ..., ΔλN (Figur 2E) durchgeführt, wonach von dem Ansteuerungs- und Regelungsmittel 9 wieder das LED-Element 21 aktiviert wird, u.s.w.. Die Recheneinheit 14 ist mit dem Ansteuerungs- und Regelungsmittel 9 elektrisch synchronisiert, so daß alle Meßergebnisse, welche aufgezeichnet worden sind, den richtigen Wellenlängenbereichen Δλ&sub1;, ... ΔλN zugeordnet werden können.

Beim vorangehend beschriebenen Spektrometer nach Figur 1 weisen die optischen Mittel zum Sammeln der Strahlung von der LED- Reihe, zum Zerlegen derselben in ein Spektrum und zum Richten des gewünschten Wellenlängenbereiches aufden Ausgangsspalt 6 hin eine Linse 3 und ein Reflexionsgitter 4 oder dergleichen auf. Bei der Strahlungsquelle nach Figur 4 weisen die optischen Mittel einen Strahlenteilerwürfel 17 und an dessen Oberfläche ein fokussierendes Transmissionsgitter 18 auf. In diesem Falle ist der Detektor 7 zum Überwachen der Intensität der Ausgangsstrahlung mit dem Strahlenteilerwürfel 17 verbunden angeordnet. Von der Trennfläche 17a des Strahlenteilerwürfels wird ein Teil der durch den Strahlenteilerwürfel hindurch zu dem Ausgangsspalt hin verlaufenden Strahlung aufden Detektor 7 reflektiert. Als Ausgangsspalt dient ein optischer Faseranschluß 19, an welchen eine optische Faser 31 angeschlossen ist. Die Strahlungsquelle 1 mit ihrer LED-Reihe 2 ist in einem geeigneten Gehäuse 32 eingeschlossen.

Figur 5 zeigt ein kompaktes Spektrometer für Reflexionsmessungen, das sowohl den Sender der Strahlungsquelle als auch den Empfänger aufweist. Die Strahlungsquelle 1 gleicht in ihrer Ausführungsform der Strahlungsquelle nach Figur 4 und dieselben Bezugsnummern werden verwendet, um gleiche Komponenten zu bezeichnen. In der Strahlungsfortpflanzungsrichtung vor der Strahlungsquelle 1 ist ein Empfänger 33 angeordnet. Dieser Empfänger besteht aus einem Strahlenteiler 34 und einem Empfangsdetektor 12. Die Ausgangs Strahlung wird von der Vorrichtung durch eine Blende 35 hindurchgeleitet. Das Meßobjekt 36, das eine Reflexionsfläche ist, ist vor der aus dem Spektrometer austretenden Strahlenbündel angeordnet. Die von dem Meßobjekt 36 reflektierte Strahlung kehrt durch die Blende 35 hindurch zu dem Strahlenteiler 34 des Empfängers 33 zurück, wobei der Hauptteil der Strahlung von der Trennfläche 34a des Strahlenteilers 34 aufden Empfangsdetektor 12 reflektiert und dort detektiert wird. Sowohl die Strahlungsquelle 1 als auch der Empfänger 33 sind in diesem Falle zum Bilden einer einzigen Einheit integriert, welche, falls gewünscht, mit einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse 36 versehen werden kann. In dieser Weise kann das Reflexionsspektrometer als eine außen verwendbare Vorrichtung ausgebildet sein. Die Strahlung aus dem Spektrometer kann zum Auftreten aufdas Meßobjekt 36 ohne jegliche gesonderte Ausgangsoptik, wie vorangehend beschrieben, oder durch Anwendung zum Beispiel eines Standard- Linsenoptiksystems oder einer Faseroptikkomponente gerichtet werden.

Die LED-Reihe kann durch eine Strahlungsquellenreihe anderen Typs ersetzt werden, wie dies aus Figur 6 ersichtlich ist.

Figur 6A zeigt von Seite her gesehen eine LED-Reihe 2, welche hintereinander angeordnete LED-Elemente 21, 22, ..., 2N aufweist. Die in Figur 6B dargestellte alternative Strahlungsquellenreihe weist eine Mehrzahl von LED-Elementen oder gesondert eingekapselten LEDS 21, 22, ..., 27 auf, an welche jeweils eine optische Faser 41, 42, ..., 47 mit ihrem einen Ende 41a, 42a, ..., 47a angeschlossen ist. Das andere Ende 41b, 42b, ..., 47b der optischen Fasern sind in einer Konfiguration, wie gewünscht angeordnet. Die Enden der optischen Fasern sind dann dicht aneinander und daher zum Beispiel mit der vorangehend beschriebenen LED-Reihe äquivalent.

Es soll daraufhingewiesen werden, daß, obwohl die Erfindung vorangehend in erster Linie lediglich mit Hilfe einer einzigen Meßvorrichtung beschrieben worden ist, es offensichtlich ist, daß das Verfahren zum Regeln einer Strahlungsquelle und die geregelte Strahlungsquelle auch in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden können, in welchen eine stabile oder einfach regelbare Strahlungsquelle erforderlich ist, von welcher Strahlung innerhalb eines gegebenen Wellenlängenbereichs in einer Mehrzahl von abwechselnd aktiven, und, falls erforderlich, schmalen Wellenlängenbändern erzeugt wird. Ferner wird in den vorangehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung eine LED-Reihe oder dergleichen verwendet, jedoch ist es auch möglich, an deren Stelle eine LED-Matrix oder irgendeine äquivalente LED-Anordnung zu verwenden.


Anspruch[de]

1. Verfahren zum Regeln einer Strahlungsquelle (1) mit einer Mehrzahl von Leuchtdioden oder LEDs (21, 22, 23, ... 26);

wobei das Verfahren einen Schritt des wahlweisen Ansteuerns einer der LEDs zum Erzeugen einer Ausgangs Strahlung innerhalb eines ausgewählten Wellenlängenbereichs (Δλ&sub1;, Δλ&sub2;, Δλ&sub3;, ... ) aufweist;

gekennzeichnet durch die Schritte, nach denen der ausgewählte Wellenlängenbereich aus einem verhältnismäßig breiten Wellenlängenbereich der Strahlung separiert wird, die von der einen LED emittiert wird, und dieser separierte Wellenlängenbereich zu einem Ausgangsspalt (6) oder dergleichen hin gerichtet wird, wobei das Separieren und das Richten mit Hilfe von optischen Dispersionsmitteln (3, 4, 5) durchgeführt werden, und der separierte Wellenlängenbereich von der Position der LED relativ zu den optischen Dispersionsmitteln (3, 4, 5) abhängt; wobei die Intensität der Strahlung in dem ausgewählten Wellenlängenbereich oder der Ausgangsstrahlung gemessen wird, und der durch die eine angesteuerte LED hindurchfließende Strom in Antwort aufdie gemessene Intensität derart gesteuert wird, daß diese gemessene Intensität geregelt oder konstant gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängenbereiche (Δλ&sub1;, Δλ&sub2;, Δλ&sub3;, ... ) der Ausgangsstrahlung durch Aktivieren eines geeigneten LED-Elements (21, 22, 23, ... 26) aus der Mehrzahl von LEDs elektrisch ausgewählt werden.

3. Regelbare Strahlungsquelle (1) zum Erzeugen einer Ausgangs Strahlung innerhalb eines ausgewählten Wellenlängenbereichs (Δλ&sub1;, Δλ&sub2;, Δλ&sub3;, ... ) mit:

einer Mehrzahl von Leuchtdioden oder LEDs (21, 22, 23, ... 26); einem Ausgangsspalt (6) oder dergleichen;

optischen Dispersionsmitteln (3, 4, 5), die in dem optischen Weg zwischen der Mehrzahl von Leuchtdioden und dem Ausgangsspalt angeordnet sind, wobei die optischen Dispersionsmittel zum Empfangen der Strahlung und zum Brechen der empfangenen Strahlung in eine Richtung hin ausgelegt sind, die von der Wellenlänge der empfangenen Strahlung abhängt; und einem Ansteuerungs- und Regelungsmittel (9) zum wahlweisen Ansteuern einer der LEDS;

dadurch gekennzeichnet,

daß die Leuchtdioden zueinander gleich sind und eine Strahlung in einem verhältnismäßig breiten Wellenlängenbereich emittieren, aus welchem der ausgewählte Wellenlängenbereich durch die Position einer gesondert angesteuerten LED relativ zu dem optischen Dispersionselement bestimmt ist;

daß optische Mittel (8) derart angeordnet sind, daß ein Teil der Ausgangsstrahlung oder der Strahlung, die von dem optischen Dispersionselement zu dem Ausgangsspalt hin gebrochenen wird, zu einem Strahlungsintensitätsdetektor (7) hin zum Messen der Intensität der Strahlung innerhalb des ausgewählten Wellenlängenbereichs gerichtet wird; und

daß das Ansteuerungs- und Regelungsmittel (9) zum Ansteuern der ausgewählten LED in Antwort aufdie von dem Strahlungsintensitätsdetektor detektierte Intensität ausgelegt ist, derart, daß die Intensität der Strahlung innerhalb des ausgewählten Wellenlängenbereichs, wie von dem Strahlungsintensitätsdetektor (7) detektiert, geregelt oder auf einem gewünschten Wert (1o) gehalten wird.

4. Strahlungsquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die LED-Elemente (21, 22, 23, ..., 26) in einer LED-Reihe (2, 2') angeordnet und zusammengeschaltet sind und mit einer Stromsteuerungsschaltung (15) und einem Auswahlmittel (16) verbunden sind, mit dessen Hilfe das gewünschte LED-Element (z.B. 23) und der gewünschte Wellenlängenbereich (Δλ&sub3;) der Ausgangsstrahlung der Strahlungsquelle ausgewählt werden, und die Stromsteuerungsschaltung (15) von einer Steuereinheit (9a) mit Hilfe des Signals von dem Detektor (7) derart gesteuert wird, daß die Intensität (I&sub0;) der Ausgangsstrahlung kontinuierlich aufdemselben Wert gehalten ist.

5. Strahlungsquelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel zum Empfangen und zum Zerlegen der von den LEDS erzeugten Strahlung und zum Richten des gewünschten Wellenlängenbereichs aufden Ausgangsspalt (6) hin ein fokusierendes Reflexions- oder Transmissionsgitter aufweisen.

6. Strahlungsquelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel zum Empfangen und zum Zerlegen der von den LEDs erzeugten Strahlung und zum Richten des gewünschten Wellenlängenbereichs aufden Ausgangsspalt (6) und aufden Detektor einen Strahlenteilerwürfel (17) und an dessen Oberfläche ein Transmissionsgitter (18) aufweisen.

7. Strahlungsquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (7) zum Überwachen der Intensität der Ausgangsstrahlung mit dem Strahlenteilerwürfel (17) verbunden angeordnet ist, so daß der Strahlenteilerwürfel auch als ein dem Detektor zugeordnetes optisches Mittel dient.

8. Strahlungsquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 7, zum Durchführen von Reflexions- und/oder Transmissionsmessungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (1) als integrierte Einheit (32) ausgebildet ist.

9. Strahlungsquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (1) mit einem Empfänger (33) zum Bilden einer integrierten Einheit zum Durchführen von Reflexionsmessungen zusammengefaßt ist, wobei die Einheit vorteilhaft mit einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse (37) versehen ist.

10. Strahlungsquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die LED-Reihe (2') aus einer Mehrzahl von LED-Elementen oder gesondert eingekapselten LEDS (21, 22, ..., 27, Fig. 6B) besteht, an jede von denen eine optische Faser (41, 42, ..., 47) mit ihrem einen Ende (41a, 42a, ..., 47a) angeschlossen ist, und die zweiten Enden (41b, 42b, ..., 47b) in einer gewünschten Konfiguration angeordnet sind.







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