Lichtleiter für einen magnetooptischen Stromsensor

Die Erfindung betri f ft einen Lichtleiter für einen magnetooptischen Stromsensor und einen magnetooptischen Stromsensor mit einem derartigen Lichtleiter .

Unter einem magnetooptischen Stromsensor mit einem Lichtleiter wird hier eine optische Messvorrichtung zum Messen eines elektrischen Stroms in einem Stromleiter verstanden, bei dem Licht durch den Lichtleiter geführt wird und in dem Lichtleiter durch ein von dem Strom erzeugtes Magnetfeld in seinen optischen Eigenschaften verändert wird . Beispielsweise beruht ein magnetooptischer Stromsensor auf dem magnetooptischen Faraday-Ef fekt . Unter dem Faraday-Ef fekt versteht man die Drehung der Polarisationsrichtung einer linear polarisierten elektromagnetischen Welle in einem Medium durch ein zur Ausbreitungsrichtung der Welle paralleles Magnetfeld . Die Drehung der Polarisationsrichtung ist dabei proportional zu der magnetischen Flussdichte des Magnetfelds .

Bei einem auf dem Faraday-Ef fekt beruhenden magnetooptischen Stromsensor wird linear polarisiertes Licht durch einen in der Nähe des Stromleiters angeordneten Lichtleiter geleitet , der den Faraday-Ef fekt zeigt . Das von dem Strom in dem Stromleiter erzeugte Magnetfeld bewirkt in dem Lichtleiter eine Drehung der Polarisationsrichtung des Lichts . Da die magnetische Flussdichte des Magnetfelds in dem Lichtleiter von der Stromstärke des Stroms in dem Stromleiter abhängt , lässt sich die Stromstärke messen, indem die Drehung der Polarisationsrichtung des Lichts in dem Lichtleiter erfasst wird . Um die Drehung der Polarisationsrichtung zu erfassen, wird das von dem Lichtleiter ausgegebene Licht beispielsweise durch einen ausgangsseitigen Polarisator geführt und es wird eine Lichtintensität des von dem Polarisator transmittierten Lichts erfasst . Die Lichtintensität des Lichts , das in den Lichtleiter eines magnetooptischen Stromsensors eingekoppelt wird, ist aufgrund von optischen Eigenschaften des Lichtleiters und/oder der verwendeten Lichtquelle j edoch limitiert . Ferner ist die Lichtintensität des Lichts , das von dem Lichtleiter ausgegeben wird, im Vergleich zur Lichtintensität des in den Lichtleiter eingekoppelten Lichts durch Streuung, Absorption und Reflexion von Licht reduziert . Die Lichtintensität des von dem Lichtleiter ausgegebenen Lichts wird beispielsweise mit einer Fotodiode bestimmt . Fotdioden weisen ein Grundrauschen auf , das sich aus verschiedensten Rauschquellen zusammensetzt . Eine sehr geringe von dem Lichtleiter ausgegebene Lichtintensität führt zu einem geringen Signal- Rausch-Verhältnis des Messsignals und limitiert daher die Genauigkeit der Messung der Lichtintensität .

Eine Erhöhung der Lichtintensität des in den Lichtleiter eingekoppelten Lichts durch Verwendung einer lichtstärkeren Lichtquelle ist häufig aus unterschiedlichen Gründen nicht möglich oder nicht vorteilhaft . Beispielsweise kann die Lichtintensität durch Verwendung eines geeigneten Halbleiterlasers als Lichtquelle zwar erhöht werden . Jedoch steigt dabei durch die erhöhte Kohärenzlänge des Lichts die Vibrationsempfindlichkeit des magnetooptischen Stromsensors stark an . Auch einer Verbesserung des Signal-Rausch- Verhältnisses des Messsignals durch eine entsprechende Filterung des Messsignals , die die Bandbreite des resultierenden Messsignals reduziert , sind Grenzen gesetzt , da die Reduzierung der Bandbreite die Zeitauflösung des Messsignals reduziert .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , die Lichtintensität des von einem Lichtleiter eines magnetooptischen Stromsensors ausgegebenen Lichts zu erhöhen .

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Lichtleiter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen magnetooptischen Stromsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .

Ein erfindungsgemäßer Lichtleiter für einen magnetooptischen Stromsensor umfasst eine erste Endfläche , durch die Licht in den Lichtleiter einkoppelbar ist , und eine zweite Endfläche , durch die Licht aus dem Lichtleiter auskoppelbar ist , wobei wenigstens eine der beiden Endflächen eine Antireflexbeschichtung aufweist .

Durch eine Antireflexbeschichtung wird die Reflexion von Licht an einer Endfläche des erfindungsgemäßen Lichtleiters reduziert und damit die Transmission von Licht durch die Endfläche erhöht . Wenn die Endfläche , durch die Licht in den Lichtleiter eingekoppelt wird, mit einer Antireflexbeschichtung versehen wird, kann die Lichtintensität des in den Lichtleiter eingekoppelten Lichts um etwa 10 bis 20 Prozent gegenüber einer Aus führung des Lichtleiters ohne diese Antireflexbeschichtung erhöht werden . Wenn die Endfläche , durch die Licht aus dem Lichtleiter ausgekoppelt wird, mit einer Antireflexbeschichtung versehen wird, kann die Lichtintensität des aus dem Lichtleiter ausgekoppelten Lichts um etwa 10 bis 20 Prozent gegenüber einer Aus führung des Lichtleiters ohne diese Antireflexbeschichtung erhöht werden . Ferner reduziert eine Antireflexbeschichtung der Endfläche , durch die Licht aus dem Lichtleiter ausgekoppelt wird, auch vorteilhaft Reflexionen von Licht an dieser Endfläche , die Licht zurück in den Lichtleiter reflektieren .

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lichtleiters weist wenigstens eine Antireflexionsschicht auf , die zwischen zwei Lichtleiterabschnitten mit voneinander verschiedenen Brechungsindi zes angeordnet ist . An einer Grenzschicht zwischen zwei Lichtleiterabschnitten mit voneinander verschiedenen Brechungsindi zes wird ein Teil des Lichts , das auf die Grenzschicht tri f ft , reflektiert . Dadurch werden die Transmission von Licht durch die Grenzschicht und die Lichtintensität des von dem Lichtleiter ausgegebenen Lichts reduziert . Außerdem wird Licht in dem Lichtleiter in die einer vorgesehenen Durchgangsrichtung entgegengesetzte Richtung zurückreflektiert . Die Antireflexionsschicht zwischen den beiden Lichtleiterabschnitten reduziert vorteilhaft die Reflexionen von Licht zwischen den Lichtleiterabschnitten und erhöht dadurch die Lichtintensität des von dem Lichtleiter ausgegebenen Lichts gegenüber einer Aus führung des Lichtleiters ohne die Antireflexionsschicht .

Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lichtleiters ist der Lichtleiter wenigstens abschnittsweise aus Glas , beispielsweise aus optischem Flintglas , gefertigt . Wenn der Lichtleiter Lichtleiterabschnitte aufweist , die aus verschiedenen Gläsern mit voneinander verschiedenen Brechungsindi zes gefertigt sind, wird entspechend der vorgenannten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lichtleiters vorzugsweise zwischen zwei benachbarten derartigen Lichtleiterabschnitten eine Antireflexionsschicht angeordnet . Alternativ oder zusätzlich kann zwischen zwei derartigen Lichtleiterabschnitten eine Klebeschicht angeordnet werden, durch die die beiden Lichtleiterabschnitte miteinander verklebt sind, wobei die Klebeschicht einen Brechungsindex aufweist , der zwischen den Brechungsindi zes der beiden Lichtleiterabschnitte liegt . Die Fertigung des Lichtleiters aus Glas hat beispielsweise gegenüber der Verwendung faseroptischer Lichtleiter den Vorteil , dass keine teueren Lichtwellenleiter als Lichtleiter verwendet werden müssen, die eine lineare Polarisation des Lichts aufrecht erhalten . Eine Klebeschicht zwischen zwei Lichtleiterabschnitten aus Gläsern mit voneinander verschiedenen Brechungsindi zes reduziert ebenfalls vorteilhaft Reflexionen an einer Grenzschicht zwischen den Lichtleiterabschnitten, wenn die Klebeschicht einen Brechungsindex aufweist , der zwischen den Brechungsindi zes der beiden Lichtleiterabschnitte liegt .

Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen

Lichtleiters ist der Lichtleiter wenigstens abschnittsweise als faseroptischer Lichtwellenleiter ausgebildet . Wenn der Lichtleiter Lichtleiterabschnitte aufweist , die als voneinander verschiedene faseroptische Lichtwellenleiter mit voneinander verschiedenen Brechungsindi zes ausgebildet sind, wird entspechend der oben bereits genannten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lichtleiters vorzugsweise zwischen zwei benachbarten derartigen Lichtleiterabschnitten eine Antireflexionsschicht angeordnet . Eine Endfläche , die eine Antireflexbeschichtung aufweist , ist in dem Fall eines durch einen oder mehrere faseroptische Lichtwellenleiter gebildeten Lichtleiters beispielsweise eine Stirnfläche eines faseroptischen Lichtwellenleiters oder eine Stirnfläche einer Ferrule eines faseroptischen Lichtwellenleiters .

Ein erfindungsgemäßer magnetooptischer Stromsensor zum Erfassen einer Stromstärke eines elektrischen Stroms in einem Stromleiter umfasst wenigstens einen im Bereich des Stromleiters angeordneten erfindungsgemäßen Lichtleiter .

Die Vorteile eines erfindungsgemäßen magnetooptischen Stromsensors entsprechen den oben genannten Vorteilen eines erfindungsgemäßen Lichtleiters .

Bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetooptischen Stromsensors verläuft wenigstens ein Lichtleiter ringförmig um den Stromleiter herum . Dadurch wird die Messung der Stromstärke des Stroms im Stromleiter weitgehend unabhängig von der Position des Stromleiters relativ zu dem Lichtleiter und der Einfluss äußerer Felder auf die Messung wird reduziert .

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise , wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Aus führungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden . Dabei zeigen : FIG 1 ein erstes Aus führungsbeispiel eines magnetooptischen Stromsensors ,

FIG 2 einen Ausschnitt eines Lichtleiters mit zwei Lichtleiterabschnitten und einer Klebeschicht ,

FIG 3 ein zweites Aus führungsbeispiel eines magnetooptischen Stromsensors ,

FIG 4 einen Ausschnitt eines Lichtleiters mit zwei Lichtleiterabschnitten und einer Antireflexionsschicht .

Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit denselben Bezugs zeichen versehen .

Figur 1 ( FIG 1 ) zeigt ein erstes Aus führungsbeispiel eines magnetooptischen Stromsensors 1 zum Erfassen einer Stromstärke eines elektrischen Stroms in einem Stromleiter 2 . Der Stromwandler 1 umfasst eine Lichteinkopplungseinheit 3 , ein erstes Aus führungsbeispiel eines Lichtleiters 5 und eine Lichtauskopplungseinheit 7 .

Die Lichteinkopplungseinheit 3 weist einen Eingangskollimator 9 und einen linearen Eingangspolarisator 11 auf . Der Eingangskollimator 9 ist eingerichtet , Licht einer (nicht dargestellten) Lichtquelle , beispielsweise einer Leuchtdiode , zu bündeln . Der Eingangspolarisator 11 polarisiert Licht , so dass dem Lichtleiter 5 linear polarisiertes Licht zugeführt wird .

Der Lichtleiter 5 ist eingerichtet , ihm von der Lichteinkopplungseinheit 3 zugeführtes Licht der Lichtauskopplungseinheit 7 zuzuführen . Der Lichtleiter 5 zeigt den Faraday-Ef fekt . Wenn ein Strom in dem Stromleiter 2 fließt , wird die Polarisationsrichtung des Lichts während des Durchlaufens des Lichtleiters 5 aufgrund des Faraday-Ef fekts gedreht . Die Lichtauskopplungseinheit 7 weist einen Ausgangspolarisator 13 und einen linearen Ausgangskollimator 15 auf . Von dem Ausgangspolarisator 13 wird ein Anteil des von dem Lichtleiter 5 ausgegebenen Lichts transmittiert , der parallel zu einer Polarisationsachse des Ausgangspolarisators 13 ist . Der Ausgangskollimator 15 bündelt das von dem Ausgangspolarisator 13 transmittierte Licht und führt es einem (nicht dargestellten) Photodetektor zu . Der Photodetektor ist eingerichtet , die Lichtintensität des ihm zugeführten Lichts zu erfassen . Beispielsweise ist der Photodetektor als eine Fotodiode ausgebildet . Anhand der von dem Photodetektor erfassten Lichtintensität wird die Stromstärke des elektrischen Stroms durch den Stromleiter 2 bestimmt .

Der Lichtleiter 5 dieses Aus führungsbeispiels ist als ein Glasring ausgebildet , der ringförmig um den Stromleiter 2 herum verläuft . Der Stromleiter 2 verläuft orthogonal zu der Zeichenebene der Figur 1 . Der Lichtleiter 5 wird von vier Lichtleiterabschnitten 17 bis 20 gebildet , die j eweils als ein Prismatoid aus Glas ausgebildet sind . Ein erster Lichtleiterabschnitt 17 verläuft von der Lichteinkopplungseinheit 3 zu einem zweiten Lichtleiterabschnitt 18 . Der zweite Lichtleiterabschnitt 18 verläuft zwischen dem ersten Lichtleiterabschnitt 17 und einem dritten Lichtleiterabschnitt 19 . Der dritte Lichtleiterabschnitt 19 verläuft zwischen dem zweiten Lichtleiterabschnitt 18 und dem vierten Lichtleiterabschnitt 20 . Der vierte Lichtleiterabschnitt 20 verläuft von dem dritten Lichtleiterabschnitt 19 zu der Lichtauskopplungseinheit 7 . Eine Längsachse des ersten Lichtleiterabschnitts 17 ist orthogonal zu Längsachsen des zweiten Lichtleiterabschnitts 18 und des vierten Lichtleiterabschnitts 20 und parallel zu einer Längsachse des dritten Lichtleiterabschnitts 19 . Eine der Lichteinkopplungseinheit 3 zugewandte Endfläche 21 des ersten Lichtleiterabschnitts 17 , die orthogonal zu der Zeichenebene der Figur 1 ist , weist eine erste Antireflexbeschichtung 31 auf . Eine dieser Endfläche 21 gegenüberliegende Endfläche 22 des ersten Lichtleiterabschnitts 17 ist gegenüber der Zeichenebene der Figur 1 um 45 Grad gekippt ( siehe dazu auch Figur 2 ) . An der Endfläche 22 wird Licht , das entlang der Längsachse des ersten Lichtleiterabschnitts 17 den ersten Lichtleiterabschnitt 17 durchläuft , zu dem zweiten Lichtleiterabschnitt 18 hin totalreflektiert . In dem zweiten Lichtleiterabschnitt 18 tri f ft das Licht auf eine Endfläche 23 ( siehe Figur 2 ) des zweiten Lichtleiterabschnitts 18 , die ebenfalls um 45 Grad gegenüber der Zeichenebene der Figur 1 gekippt ist und Licht durch Totalreflexion parallel zu der Längsachse des zweiten Lichtleiterabschnitts 18 umlenkt . Entsprechend wird das Licht von dem zweiten Lichtleiterabschnitt 18 zu dem dritten Lichtleiterabschnitt 19 und von dem dritten Lichtleiterabschnitt 19 zu dem vierten Lichtleiterabschnitt 20 gelenkt . Eine der Lichtauskopplungseinheit 7 zugewandte Endfläche 24 des vierten Lichtleiterabschnitts 20 , die orthogonal zu der Zeichenebene der Figur 1 ist , weist eine zweite Antireflexbeschichtung 32 auf .

Die erste Antireflexbeschichtung 31 erhöht die Lichtintensität des in den Lichtleiter 5 eingekoppelten Lichts um etwa 10 bis 20 Prozent gegenüber einer Aus führung des Lichtleiters 5 ohne die erste Antireflexbeschichtung 31 . Die zweite Antireflexbeschichtung 32 erhöht die Lichtintensität des aus dem Lichtleiter 5 ausgekoppelten Lichts um etwa 10 bis 20 Prozent gegenüber einer Aus führung des Lichtleiters 5 ohne die zweite Antireflexbeschichtung 32 . Ferner reduziert die zweite Antireflexbeschichtung 32 Reflexionen von Licht an der Endfläche 24 , die Licht zurück in den Lichtleiter 5 reflektieren . Figur 2 ( FIG 2 ) zeigt einen analog zu Figur 1 ausgeführten Lichtleiter 5 in einem Bereich, in dem der erste Lichtleiterabschnitt 17 an den zweiten Lichtleiterabschnitt 18 grenzt . In diesem Beispiel sind der erste Lichtleiterabschnitt 17 und der zweite Lichtleiterabschnitt 18 aus voneinander verschiedenen Gläsern gefertigt , die voneinander verschiedene Brechungsindi zes aufweisen . Der erste Lichtleiterabschnitt 17 und der zweite Lichtleiterabschnitt 18 sind durch eine Klebeschicht 33 miteinander verklebt , die einen Brechungsindex aufweist , der zwischen den Brechungsindi zes der beiden Lichtleiterabschnitte 17 , 18 liegt . Dadurch werden vorteilhaft Reflexionen von Licht beim Übertritt von dem ersten Lichtleiterabschnitt 17 in den zweiten Lichtleiterabschnitt 18 gegenüber einer Aus führung des Lichtleiters 5 ohne die Klebeschicht 33 reduziert .

Figur 3 ( FIG 3 ) zeigt ein zweites Aus führungsbeispiel eines magnetooptischen Stromsensors 1 zum Erfassen einer Stromstärke eines elektrischen Stroms in einem Stromleiter 2 . Dieses Aus führungsbeispiel weist einen Lichtleiter 5 auf , der als ein faseroptischer Lichtwellenleiter ausgebildet ist und mit einer Mehrzahl von Windungen ringförmig um den Stromleiter 2 verläuft . Die Enden des Lichtleiters 5 weisen j eweils eine Ferrule 41 , 42 auf . Jede Ferrule 41 , 42 weist eine Endfläche 21 , 24 mit einer Antireflexbeschichtung 31 , 32 auf .

Figur 4 ( FIG 4 ) zeigt einen Ausschnitt eines Lichtleiters 5 für einen magnetooptischen Stromsensor 1 , der Lichtleiterabschnitte 43 , 44 mit voneinander voneinander verschiedenen Brechungsindi zes aufweist . Beispielsweise sind die Lichtleiterabschnitte 43 , 44 aus voneinander verschiedenen Gläsern gefertigt oder werden von voneinander verschiedenen faseroptischen Lichtwellenleitern gebildet . Zwischen zwei aneinander grenzenden Lichtleiterabschnitten 43 , 44 ist eine Antireflexionsschicht 45 angeordnet , die Reflexionen von Licht beim Übertritt von Licht zwischen den Lichtleiterabschnitten 43 , 44 gegenüber einer Aus führung des Lichtleiters 5 ohne die Antireflexionsschicht 45 reduziert . Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Aus führungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde , so ist die Erfindung nicht durch die of fenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .