DE2508860C3 - Optische Mehrfachreflexionsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Mehrfachreflexionsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Optische Mehrfachreflexionsanordnungen dieser Art werden dort verwendet, wo beispielsweise zur Erzielung eines ausgeprägten Empfangssignals lange Meßstrecken erforderlich sind. Durch Mehrfachreflexionen entlang der Meßstrecke kann diese somit je nach der Anzahl der erfolgenden Hin- und Herreflexionen wesentlich verkürzt werden. Anwendungsbeispiele sind Sichtweiten-Meßgeräte auf Flugplätzen und an Autobahnen, bei denen ein Lichtsender einen Lichtstrahl' über eine Strecke von 10 bis 30 m zu einem Reflektor, vorzugsweise aus retroreflektierendem Material, schickt, der den Lichtstrahl in sich zurück wieder zum Sendegerät lenkt. Im Sendegerät erfolgt eine Strahlentrennung, und der Empfangslichtstrahl wird auf einen Photoempfänger gerichtet. Dieser erzeugt ein elektrisches Signal, dessen Amplitude sich in Abhängigkeit von der Sichtweite (mehr oder weniger klare Sicht, Nebel) ändert. Eine elektronische Auswertevorrichtung bildet hieraus eine Anzeige, die direkt in Sichtweiten geeicht sein kann. Eine weitere Anwendung besteht bei Abgasdichte-Meßgeräten in Tunneln, wo die Meßstrekke sich z. B. über 100 m erstrecken soll. Schließlich sind in diesem Zusammenhang noch die in Schornsteinen angeordneten Rauchdichte-Meßgeräte zu erwähnen, bei denen die Meßstrecke auf den Durchmesser des Schornsteins begrenzt ist

So interessant optische Mehrfachreflexionsanordnungen für die Vervielfachung der Meßstrecke auf kleinem Raum sind, so problematisch ist die Justierung von Sender/Empfänger einerseits und Reflexionsvorrichtung andererseits. Sender/Empfänger und Reflexionsvorrichtung müssen absolut genau miteinander ausgerichtet sein, wobei es ein besonderes Problem darstellt, die einmal erzielte genaue Ausrichtung über lange Zeiten vollständig aufrecht zu erhalten. Insbesondere bei Rauchdichte-Meßgeräten, wo ständige Temperaturschwankungen zu verzeichnen sind, ist dies äußerst schwierig.

Ziel der Erfindung ist somit eine optische Mehrfachreflexionsanordnung der eingangs genannten Gattung, bei der das Licht von einer Seite der Meßstrecke aus gesendet und empfangen wird und bei der auf der dem Sender-Empfänger gegenüberliegenden Seite der Meßstrecke eine Reflexionsvorrichtung angeordnet ist, die in bezug auf den Sender/Empfänger nur grob justiert zu werden braucht und bei der auch gewisse Änderungen der Justierung im Laufe des Betriebes hingenommen werden können, ohne daß die Lage und Intensität des Empfangslichtstrahles auf Seiten des Senders/Empfängers in einem die Meßgenauigkeit beeinträchtigenden Maße beeinflußt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die an dem von der Lichtquelle abgewandten Ende der Meßstrecke angeordnete Reflexioi.svorrichtung eine Linse mit einer Brennweite gleich dem Abstand von der Lichtquelle, dahinter ein retroreflektierendes Element, welches einen eintretenden Lichtstrahl in der gleichen Richtung, jedoch seitlich versetzt, zurückwirft, und Lichtstrahlablenkmittel aufweist, welche den Ein- und/oder Austrittsstrahlen des retroreflektierenden Elementes eine solche Ablenkung erteilen, daß das von der keflexionsvorrichtung entworfene Bild der Lichtquelle neben dieser liegt, und daß die zweite Reflexionsvorrichtung ein hinter dem von der ersten Reflexionsvorrichtung entworfenen Bild der Lichtquelle angeordneter RetrorefJektor ist. Auf der Seite der ersten Reflexionsvorrichtung ist also ein einziges retroreflektierendes Element vorgesehen, welches vorzugsweise von dem auf ihn auftreffenden Lichtbündel überstrahlt wird, so daß insgesamt weder gewisse Kippungen der Reflexionsvorrichtung noch seitliche Verschiebungen etwas am Empfangsort bzw. der Empfangsintensität ruf Seiten des Senders/Empfängers ändern. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Lichtquelle vorzugsweise ein von einer Lampe, einem Laser od. dgl. beleuchteter Spalt ist. Gleichwohl wird zur Vereinfachung der Terminologie in dieser Beschreibung stets von der Lichtquelle gesprochen, auch wenn es sich nur um einen bleuchteten Spalt od. dgl. handelt.

Während es bei der von der Lichtquelle abgewandten Reflexionsvorrichtung darauf ankommt, daß zusätzlich zu der Reflexion in sich selbst eine seitliche Versetzung des Strahles erzielt wird, kommt es bei dem auf Seiten der Lichtquelle angeordneten Retroreflektor lediglich darauf an, daß er auf ihn auftreffendes Licht in der gleichen Richtung wieder abgibt.

Nach einer ersten Ausführungsform bestehen die Strahlablenkmittel aus einem die eine Hälfte des Strahlenganges einnehmenden optischen Keil. Die Strahlablenkmittel können aber auch aus zwei in je einer Hälfte des Strahlenganges angeordneten optischen Keilen bestehen. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, daß die Strahlablenkmittel durch zwei Halblinsen gebildet sind, deren optische Achsen in Richtung der Lichtquellenversetzung einen Abstand voneinander aufweisen. Die optischen Achsen der Halblinsen werden um dasjenige Maß gegeneinander versetzt, das erforderlich ist, um das Bild der Lichtquelle neben dieser zu entwerfen.

Schließlich können die Strahlablenkmittel auch durch von der Normalform abweichendes Anschleifen der einen Hälfte der Linse oder des retroreflektierenden Elementes gebildet sein. Wichtig ist allein, daß das Bild der Lichtquelle auf der Sender/Empfängerseite neben der Lichtquelle selbst auf den Retroreflektor fällt.

Bei der Ausführungsform mit Halblinsen sind diese zweckmäßig plankonvex und mit ihrer Planfläche auf die ebenfalls plan ausgebildete Eintrittsfläche des retroreflektierenden Elementes aufgekittet Hierdurch wird eine besonders kompakte und unverrückbare Einheit geschaffen.

Insbesondere für Versuchszwecke ist der Abstand der Halblinsen jedoch veränderbar.

Mit besonderem Vorteil wird für das retroreflektie-

rende Element ein Tripelspiegel verwendet.

Vorzugsweise entwirft die erste Reflexionsvorrichtung das Bild der Lichtquelle unmittelbar angrenzend an die Lichtquelle selbst. Hierdurch wird nicht nur der zur Verfügung stehende Raum optimal ausgenutzt, sondern es wird auch lie Ausdehnung der verwendeten optischen Teile auf ein Minimum herabgesetzt.

Nach einer ersten Ausführungsform bewirkt der die zweite Reflexionsvorrichtung bildende Retroreflektor nur eine Strahlumkehr ohne Strahlversetzung. Bei dieser Ausführungsform kann ein vierfacher Durchgang des Lichtstrahles durch die Meßstrecke erzielt werden.

Im einfachsten Fall besteht der Retroreflektor aus feinverteiltem retroreflektierendem Material, wie z. B. Scotchlite. ι j

Vorzugsweise ist der Retroreflektor jedoch ein Tripelspiegel oder noch besser ein Beck-Prisma, dessen Spitze sich in der Mitte des Lichtquellenbildes befindet. Ein Beck-Prisma ist praktisch ein scheibenförmiger Ausschnitt aus einem Tripelspiegel. Das Beck-Prisma eignet sich somit besonders, wenn mit einem beleuchteten Spalt gearbeitet wird, weil die Spaltfläche an die Basisfläche des Beck-Prismas abgebildet werden kann. Die Basis des Prismas bzw. Tripelspiegel ist zweckmäßig gleich groß wie das Bild der Lichtquelle.

Eine wesentlich mehr Hin- und Herreflexionen gestattende Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, daß der die zweite Reflexionsvorrichtung bildende Retroreflektor eine Strahlumkehr mit seitlicher Versetzung um wenigstens die Größe des Lichtquellenbildes bewirkt. Auf diese Weise kann wenigstens ein sechsfacher Durchgang des Lichtstrahles durch die Meßstrecke erzielt werden.

Bevorzugt ist als Retroreflektor bei dieser Ausführungsform ein Tripelspiegel oder noch besser ein Beck- ?i Prisma. Gegenüber der eingangs geschilderten Ausführungsform wird die seitliche Versetzung dadurch erzielt, daß das Bild der Lichtquelle nicht zentral, sondern seitlich versetzt auf den Retroreflektor geworfen wird. In dem bevorzugten Falle der Verwendung eines Beck-Prismas nimmt das Spaltbild zweckmäßig genau die eine Hälfte der Basisfläche ein. Aus der anderen Hälfte der Basisfläche tritt dann das Licht entsprechend aus.

Auch bei dieser Ausführungsform grenzt der Retroreflektor vorzugsweise unmittelbar an die Lichtquelle an.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, daß vor dem Retroreflektor auf der optischen Achse eine weitere Linse angeordnet ist, deren Brennweite gleich dem Abstand von der ersten Reflexionsvorrichtung ist. Diese Maßnahme hat den so Zweck, daß alles aus einer Hälfte der ersten Refiexionsvorrichtung austretende Licht wieder in diese Hälfte eintritt. Dies ist deswegen von Bedeutung, weil die in unterschiedliche Hälften der Reflexionsvorrichtung eintretenden Lichtstrahlen unterschiedlich abgelenkt werden. Erfindungsgemäß soll also eine eindeutige Zuordnung zwischen Lichstrahlen und den Hälften der Reflexionsvorrichtung geschaffen werden.

Die Zahl der Reflexionen innerhalb der Meßstrecke kann dadurch erhöht werden, daß mehrere Retroreflektoren unmittelbar nebeneinander angeordnet sind. Jeder weitere Retroreflektor erhöht die Zahl der Durchgänge um die Zahl 4.

Es ist noch darauf hinzuweisen, daß die weitere Linse sich mit ihrem Rand nur bis zur äußeren Kante des <>5 letzten Retroreflektors zu erstrecken braucht so daß der Austrittslichtstrahl an der linse vorbei führt.

Die Retroreilektoren können bei allen Ausführungsformen in gleicher Anordnung symmetrisch auf beiden Seiten der Lichtquelle vorgesehen sein, weil die Ablenkung der in die Ein- bzw. Austrittspupille der ersten Reflexionsvorrichtung eintretenden Lichtstrahlen von der Lichtquelle vollständig symmetrisch abgelenkt werden.

Die Verwendung eines beleuchteten Spaltes als Lichtquelle ist deswegen besonders zweckmäßig, weil neben dem Spalt in enger räumlicher Beziehung ein Beck-Prisma vorgesehen werden kann.

Für die Beleuchtung des Spaltes eignet sich besonders eine Vorrichtung, bei der der Spalt durch den Schlitz eines geneigt angeordneten Schlitzspiegels beleuchtet ist und die Seitenteile des Schlitzspiegels das an dem Beck-Prisma bzw. den Beck-Prismen vorbeireflektierte Licht empfangen und auf einen Photoempfänger lenken. Es kann also vorteilhafterweise auf einen teildurchlässigen Spiegel, der stets Lichtverluste mit sich bringt, verzichtet werden. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung werden somit die Lichtverluste beim Empfang des Meßstrahles wesentlich herabgesetzt

Die vorstehend definierte praktische Ausführungsform ermöglicht es weiter, daß durch den Schlitz abwechselnd mit dem Licht aus der Meßstrecke auch noch ein Referenzlichtbündel von der gleichen Hauptlichtquelle auf den Photoempfänger gelenkt ist.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung für einen vierfachen Strahlendurchgang durch eine Meßstrecke,

F i g. 2 eine andere Ausführungsform der von der Lichtquelle abgewandten Reflexionsvorrichtung nach Fig. 1,

F i g. 3 eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mehrfachreflexionsanordnung für sechs Strahlendurchgänge,

F i g. 4 eine Abwandlung der Ausführungsform nach Fig.3,

F i g. 5 eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mehrfachreflexionsanordnung für insgesamt vierzehn Strahlendurchgänge durch die Meßstrecke,

F i g. 6a und 6b Seiten- bzw. Rückenansichten eines bei der erfindungsgemäßen Mehrfachreflexionsanordnung verwendeten Beck-Prismas,

F i g. 7 eine schematische Seitenansicht eines für die erfindungsgemäße Mehrfachreflexionsanordnung besonders geeigneten Sende-Empfangsgerätes, wobei die Ansicht aus einer gegenüber den vorangehenden Figuren um 90° um die optische Achse gedrehten Richtung erfolgt und

F i g. 8 eine schematische Ansicht nach Linie X-X in F ig.7.

In den Fig. 1, 3, 4 und 5 deutet der mit kleinen Querstrichen versehene Strich 12 den Querschnitt eines von links beleuchteten Spaltes an. Die Längsrichtung des Spaltes verläuft also senkrecht zur Zeichenebene. Anstelle des beleuchteten Spaltes 12 könnte auch die Wendel einer Lampe oder eine Laser-Lichtquelle liegen, so daß zur Vereinfachung der folgenden Beschreibung der Spalt 12 einfach als Lichtquelle bezeichnet wird, ohne daß hierdurch der Anwendungsbereich der Erfindung eingeschränkt werden solL

Zunächst soll anhand von Fig.7 kurz der Beleuchtungsstrahlengang für den Spalt 12 erläutert werden.

Die Wendel einer Glühlampe 26 wird Ober ein Kondensorsystem 27 in ein Objektiv 28 abgebildet, das

unmittelbar hinter den Öffnungen einer rotierenden Zerhackerscheibe 29 angeordnet ist.

Die Zerhackerscheibe 29 dient dazu, am elektrischen Ausgang der Vorrichtung ein leichter zu verarbeitendes Wechselsignal zu erhalten.

Das Objektiv 28 sitzt im Brennpunkt eines Achromaten 30, der somit den Spalt 12 von links mit einem pirtllelen Lichtbündel beaufschlagt.

Unmittelbar hinter dem Objektiv 28 wird das Lichtbündel durch einen seitlich in ihn hineinragenden, halbdurchlässigen Umlenkspiegel 31 in ein gerade durchgehendes Meßbündel 32 und ein seitlich abgelenktes Referenzbündel 33 zerlegt. Das Referenzbündel 33 wird nach oben zu einem nicht durchlässigen Umlenkspiegel 34 gelenkt, an dem es wieder im wesentlichen in die gleiche Richtung wie das Meßbündel 32 umgelenkt wird. Hinter den Spiegeln 31. 34 ist eine drehfest mit der Zerhackerscheibe 29 gekuppelte Segmentscheibe 35 angeordnet, welche im Bereich des Meßbündels 32 und des Referenzbündels 33 Umfangsschlitze für den Durchgang der Bündel aufweist. Die Umfangsschlitze sind jedoch so ausgebildet und gegeneinander versetzt, daß zu einer Zeit jeweils nur eines der beiden Bündel 32,33 durch die Segmentscheibe 35 hindurchgelangt.

Nach dem Durchtritt durch die Segmentscheibe 35 geht das Meßbündel 32 durch den in F i g. 8 zu erkennenden Schlitz 22 eines Schlitzspiegels 23 hindurch, der nach F i g. 7 unter einem Winkel von 45° zur optischen Achse 19 angeordnet ist. Das Referenzbündei 33 wird über einen weiteren Umlenkspiegel 36 und einen Hohlspiegel 37 durch eben den gleichen Schlitz 22 über ein Mikroobjektiv 28' auf einen Photoempfänger 24 konzentriert. Das Meßbündel 32 und das Referenzbündel 33 durchlaufen also ein und denselben Schlitz 22 im wesentlichen in senkrecht aufeinanderstc-henden Richtungen.

An den Spalt 12 schließt sich nach rechts über eine weiter unten zu beschreibende Linse 2 5 die Meßstrecke 11 an, welche in F i g. 9 unterbrochen veranschaulicht ist. Am Ende der Meßstrecke befindet sich die erfindungsgemäße Reflexionsvorrichtung 17, welche auffallendes Licht in einer weiter unten noch zu beschreibenden Weise zum links von der Meßstrecke 11 angeordneten Sender/Empfänger zurückwirft. Aufgrund der weiter unten zu beschreibenden erfindungsgemäßen Mehrfachreflexionsanordnung tritt das reflektierte Licht nach Fig. 10 bei 12'"" seitlich an ebenfalls weiter unten zu beschreibenden Beck-Prismen 16' auf die Seitenteile 23a, 236 des Schlitzspiegels 23, von wo das Bündel nach unten zum Photoempfänger 24 reflektiert wird.

Der anhand der F i g. 7 und 8 beschriebene Sender/ Empfanger ist besonders für die Anwendung bei den Ausführungsformen nach den F · g. 3, 4 und 5 geeignet. Zur Veranschaulichung des Grundprinzips der vorliegenden Erfindung eignet sich jedoch besser F i g. 1, bei der ein vereinfachter Strahlengang mit einem teildurchlässigen Spiegel 38 verwendet wird.

Nach Fig. 1 wird der Spalt 12 von links durch eine nicht im einzelnen wiedergegebene Optik durch den teildurchlässigen Spiegel 38 hindurch beleuchtet Am anderen Ende der Meßstrecke 11 befindet sich die erfindungsgemäße Reflexionsvorrichtung, welche aus einem insbesondere als Tripelspiegel ausgebildeten, retroreflektierenden Element 14 mit einer von der Meßstrecke abgewandten Spitze 15. einer von der Basisfläche 39 des Tripelspiegels 14 angeordneten Linse 13 und einem als optischer Keil 18 ausgebildeten Strahlablenkmittel besteht Der Keil weist mit seiner Spitze zur optischen Achse 19 hin und erweitert sich von dieser weg. Statt eines optischen Keils 18 auf einer Seite der optischen Achse 19 können auch zwei mit geringerem Keilwinkel versehene Keile 18' tu beiden Seiten der optischen Achse 19 vorgesehen werden, was in Fi g. 1 durch gestrichelte Linien angedeutet ist.

Unterhalb der Lichtquelle 12 befindet sich unmittelbar angrenzend tn diese ein Retroreflektor 16, dessen von der Spitte K tbgewtndte Basis die gleiche Breite

ίο und Höhe wie die Lichtquelle 12 hat. Der Retroreflektor 16 kann aus feinverteiltem retrorefleklierendem Material bestehen, wird jedoch vorzugsweise durch ein Beck-Prisma gebildet, wie es in den F i g. 6a und 6b dargestellt ist. Die Darstellung in Fig. 1 entspricht

einem Schnitt des Beck-Prismas nach Linie I-l in F i g. 6a.

Die Wirkungsweise der optischen Mehrfachreflexionsanordnung nach F i g. 1 ist wie folgt:
Von jedem Punkt des Spaltes bzw. der Lichtquelle 12

verläuft ein Lichtbündel durch die Meßstrecke 11 zur Reflexionsvorrichtung 17, welches einen solchen durch gestrichelte Linien 43 angedeuteten Raumwinkcl aufweist, daß es die Reflexionsvorrichtung 17 allseitig so weit überstrahlt, daß bei etwaigen Seitenverschiebungen der Reflexionsvorrichtung 17 relativ zur Lichtquelle

12 sämtliche Bereiche der Reflexionsvorrichtung 17 innerhalb des Lichtbündels verbleiben. Von sämtlichen von der Mitte der Lichtquelle 12 ausgehenden Strahlen dieses Lichtbündels sei beispielsweise nur ein Einzelstrahl 1 betrachtet, welcher in die obere Hälfte der Linse

13 eintritt und dort parallel zur optischen Achse 19 gerichtet wird, weil die Brennweite / der Linse 13 erfindungsgemäß gleich dem Abstand der Linse von der Lichtquelle 12 gewählt ist. Der parallel gerichtete Strahl 1 tritt in den Tripelspiegel 14 ein, wird in diesem versetzt und tritt unterhalb der optischen Achse H wieder parallel zu seiner Eintrittsrichtung aus dem Tripelspiegel 14 aus. Aufgrund der optischen Gesetze würde der reflektierte und versetzte Strahl 2 ohne den Keil 18 entlang der gestrichelten Linie 42 wieder zum Ausgangspunkt auf der Lichtquelle 12 zurückgelangen, d. h„die Lichtquelle 12 würde in sich selbst abgebildet.

Aufgrund des erfindungsgemäß eingeschalteten optischen Keils 18 erfolgt jedoch eine Ablenkung des reflektierten Strahles 2 in der Weise, daß unmittelbar neben der Lichtquelle 12 ein Bild 12' derselben entworfen wird. Da sich hinter dem Bild 12' der Lichtquelle 12 der Retroreflektor 16 befindet, wird der Strahl 2 als reflektierter Strahl 3 in sich zurückgeworfen.

Am Keil 18 wird die durch ihn bedingte Ablenkung wieder rückgängig gemacht und nach erneuter Reflexion sowie Versetzung im Tripelspiegel 14 gchi der Strahl 3 schließlich in den erneut reflektierten Lichtstrahl 4 über, der am Ausgangspunkt in der Lichtquelle mündet Das nunmehr durch den Spalt 12 austretende Licht kann an dem teildurchlässigen ->iege> 38 über eine Linse 40 auf einem Photoempfärger 41 konzentriert werden. Die Begrenzungslinien jec'cs von der Lichtquelle 12 ausgehenden Bündels sind mit 43

<>o bezeichnet Ersichtlich ändern weder eine gewisse Seitenverschiebung der Reflexionsvorrichtung 17 noch eine gewisse Kippung etwas an den Abbildungsverhältnissen, so daß selbst beim Fehlen einer starren Verbindung zwischen Sender/Empfänger einerseits und

^!ii Reflexionsvorrichtung 17 andererseits einwandfreie Abbildungs- und Intensitätsverhältnisse am Empfänger vorliegen.
Aufgrund der Symmetrieverhältnisse der optischen

ίο

Mehrfachreflexionsanordnung nach F i g. 1 wird ein Bild 12' der Lichtquelle 12 auch auf der anderen Seite in der dargestellten Weise erzeugt. Durch Anordnung eines weiteren Retroreflektors hinter diesem zweiten Bild 12' kann auch das dort auffallende Licht noch für die Messung nutzbar gemacht werden. Die Strahlengang« zu dem weiteren Retroreflektor 16 verlaufen völlig symmetrisch zu den eingezeichneten Strahlengängen und sind lediglich deswegen nicht mit eingezeichnet worden, um die Figur nicht zu unübersichtlich zu gestalten.

Die Keile !8,18' sind in F i g. 1 nur zur Veranschaulichung des Prinzips mit eingezeichnet worden. Praktisch verwirklicht wird die Versetzung des Bildes 12' zur Lichtquelle 12 am besten durch zwei Halblinsen mit "»trennten aber Parallelen oⁿtischen Achsen oder gemäß Fig. 2 durch eine Teilung der Linse 13 in zwei Halblinsen mit einem Abstand a voneinander. Indem insbesondere bei einer Versuchsanordnung der Abstand a der optischen Achsen einstellbar gemacht wird, kann das Bild 12' genau an die gewünschte Stelle, d. h. insbesondere unmittelbar angrenzend an die Lichtquelle 12 gebracht werden.

Bei einer produktionsreifen Anordnung werden allerdings die Halblinsen 13' auf den Tripelspiegel 14 aufgekittet werden, um gesonderte Halterungen für diese beiden Teile zu vermeiden.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform wird nun anhand von F i g. 3 beschrieben. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der nach F i g. 1 insbesondere dadurch, daß der Retroreflektor 16' relativ doppelt so breit ist und daß die Strahlablenkung mittels des Keils 18 nur so groß ist, daß das Bild 12' nach der ersten Reflexion unmittelbar auf der einen Hälfte des Retroreflektors 16' liegt. Durch Reflexion innerhalb des Retroreflektors 16' wird das Bild 12' an die Stelle 12" in der unteren Hälfte verlagert. Der nunmehr zur Reflexionsvorrichtung 17 zurückkehrende Strahl 3 wird im Keil 18 so gebrochen, daß die Versetzung um eine Lichtquellenbreite rückgängig gemacht wird und der abermals reflektierte Strahl 4 erneut in den oberen Teil des Retroreflektors 16' eintritt. Es wird somit an der Stelle des Bildes 12' abermals ein Bild 12'" der Lichtquelle erzeugt Dieses wird durch den Retroreflektor 16' abermals in die untere Hälfte nach 12"" versetzt. Da der nunmehr in die obere Hälfte der Reflexionsvorrichtung 17 eintretende riickkehrende Strahl 5 schließlich als reflektierter Strahl 6 erneut am Keil 18 nach unten weggebrochen wird, tritt der Strahl 6 am Retroreflektor 16' vorbei aus der Anordnung aus. Es entsteht somit unmittelbar neben dem Retroreflektor 16' ein fünftes Bild 12'"" der Lichtquelle 11

Aufgrund der Symmetrieverhältnisse kann ein weiterer Retroreflektor 16' auch auf der anderen Seite der Lichtquelle 12 angeordnet werden. Es würde dann auch an der Außenseite dieses Retroreflektors 16' ein fünftes Bild 12'"" und ein entsprechender Austrittsstrahl aus der Vorrichtung festzustellen sein.

Um bei einer Mehrfachreflexionsanordnung nach F i g. 3 zu gewährleisten, daß aus der einen Hälfte der Reflexionsvorrichtung 17 austretende Strahlen nach der Reflexion auf der Sender/Empfänger-Seite auch wieder in dieser Hälfte eintreten, wird nach der besonders bevorzugten Ausführungsform nach Fig.4 eine Linse 21 vor der Lichtquelle in der dargestellten Weise angeordnet, deren Brennweite gleich dem Abstand von der Reflexionsvorrichtung 17 und damit gleich der Brennweite der Linse 13 ist Die Wirkungsweise der Linse 21 ist in Fig.4 durch die Strahlen 3 und 5 veranschaulicht. Während bei der Ausführungsform nach F i g. 3 die reflektierten Strahlen 3 und 5 parallel zu den Strahlen 2 bzw. 4 verlaufen (wodurch die Gefahr besteht, daß diese Strahlen möglicherweise nicht mehr in die bzw. die richtige Hälfte der Reflexionsvorrichtung 17 eintreten) wird durch die Linse 21 dafür Sorge getragen, daß die Strahlen 3,5 zu demselben Punkt der Reflexionsvorrichtung 17 zurückkehren, von dem der

ic Strahl 2 bzw. 4 ausgegangen war. Entsprechendes gilt auch für sämtliche anderen aus der Reflexionsvorrichtung 17 austretenden und dann bei 16' retroreflektierten Strahlen. Aus zeichnerischen Gründen ist die Meßstrekke 11 bei allen Ausführungsformen im Vergleich zum Abstand der optischen Elemente der ReflexionsvorrichtuRg 17 und der Reflektoren IS', 16" von der Linse 2i viel zu kurz dargestellt. In der Praxis kann der Abstand der optischen Elemente auf einer Seite der Meßstrecke gegen die Länge der Meßstrecke vernachlässigt werden.

In F i g. 4 ist die Linse 21 so groß dargestellt, daß sie seitlich noch über den Austrittsstrahl 6 vorsteht. Sie braucht jedoch lediglich bis zum Rande der Retroreflekloren 16' zu reichen, so daß die Austrittsstrahlen 6 an der Linse 21 vorbeilaufen. Eine derartige Ausführung der Linse 21 ist an der weiter unten zu beschreibenden Ausführungsform nach F i g. 5 verwendet

Während die Ausführungsform nach Fig.4 einen Sechsfach-Durchgang des Lichtstrahles durch die Meßstrecke 11 ermöglicht, kann durch Aneinanderrei hung weiterer Retroreflektoren 16'a, 16'b, 16'c, · · · gemäß F i g. 5 eine noch wesentlich größere Anzahl von Durchgängen erzielt werden. Jeder weitere Retroreflektor gewährleistet vier weitere Durchgänge, so daß bei der Ausführungsform nach Fig.5 der Lichtstrahl erst nach vierzehn Durchgängen seitlich aus der Vorrichtung austritt Der Linse 21 kommt insbesondere bei Ausführungsformen mit mehreren nebeneinander angeordneten Retroreflektoren 16' besondere Bedeutung zu, um die beiden Hälften der Reflexionsvorrich- tung 17 wirksam zu entkoppeln.

Bei den Ausführungsformen nach den Fig.3 bis 5 eignen sich als Retroreflektoren 16' besonders gut die in Fig.6a und 6b dargestellten Beck-Prismen, weil ihre Basisfläche ohne weiteres gleich der Spaltfläche gemacht werden kann und sie eng nebeneinander gemäß Fig.5 anzuordnen sind. Dies ergibt sich besonders anschaulich aus F i g. 8, wo die Beck-Prismen 16' unmittelbar neben dem Spalt 12 dargestellt sind. Man sieht hier besonders deutlich, daß die Basisfläche der Beck-Prismen doppelt so breit wie die Spaltbreite zu wählen ist, während die Länge der Basis gleich der Spaltlänge ist Besonders anschaulich wird aus F i g. 8 auch die mit der erfindungsgemäßen Mehrfachreflexionsanordnung erzielbare gute Lichtausbeute. Durch

SS den Schlitz 22 des Schlitzspiegels 23 gelangt die gesamte Lichtintensität zum Spalt 12. Da die Spaltbilder 12'"" seitlich der Beck-Prismen 16' erscheinen, gelangt auch die gesamte Lichtintensität der schließlich aus der Mehrfachreflexionsanordnung austretenden Meßstrah len vollständig auf die Seitenteile 23a, 236 des Schlitzspiegels 23. Von dort werden sie durch die voll reflektierenden Spiegelflächen auf dem Photoempfänger 24 konzentriert (F i g. 7).

Aufgrund der Drehung der Zerhackerscheibe 29 und

6s der Segmentscheibe 35 wird nicht nur Wechsellicht auf die Photozelle 24 geschickt, sondern es trifft zu einem Zeitpunkt auch nur entweder aus der Meßstrecke 11 reflektiertes Licht 25 oder Referenzlicht 33 auf den

Photoempfänger 14. Durch Vergleich der beiden Signale in einer geeigneten Auswerteelektronik kann somit stets die Lichtintensität des aus der Meßstrecke 11 zurückkehrenden Lichtbündels 23 in bezug auf das Referenzbündel 33 bestimmt werden. Derartige Auswerteelektronik-Schaltungen für den Vergleich zweier Lichtbündel sind an sich bekannt

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (29)

Patentansprüche:

1. Optische Mehrfachreflexionsanordnung mit Retroreflektoren an beiden Enden einer Meßstrecke und einer Lichtquelle oder einem Bild einer Lichtquelle an einem Ende der Meßstrecke, wobei die Lichtquelle und die Reflexionsvorrichtungen so ausgebildet und angeordnet sind, daß ein von der Lichtquelle ausgehendes Lichtbündel die Meßstrecke wenigstens viermal durchläuft, bevor es wieder aus der Meßstrecke austritt, daduich gekennzeichnet, daß vor dem an dem von der Lichtquelle (12) abgewandten Ende der Meßstrecke angeordneten einzigen retroreflektierenden EIement (14) eine Linse (13) mit einer Brennweite (I) gleich dem Abstand von der Lichtquelle (12) und Lichtstrahlablenkmittel (18) vorgesehen sind, welche den Ein- und/oder Austrittsstrahlen des retroreflektierenden Elementes (14) eine solche Ablenkung erteilen, daß das von der aus dem retroreflektierenden Element (14), der Linse (13) und den Lichtstrahlablenkmitteln (18) bestehenden Reflexionsvorrichtung (17) entworfene Bild (12') der Lichtquelle (12) neben dieser liegt, und daß an dieser Stelle der zweite Retroreflektor (16) angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkmittel aus einem die eine Hälfte des Strahlenganges einnehmenden optischen Keil (18) bestehen.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkmittel aus zwei in je einer Hälfte des Strahlenganges angeordneten optischen Keilen (18') bestehen.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkmittel durch zwei Teillinsen (13') mit gegeneinander versetzten (a) optischen Achsen gebildet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkmittel duich von der Normalform abweichendes Anschleifen der einen Hälfte der Linse (13) oder des retroreflektierenden Elements (14) gebildet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halblinsen (13') plankonvex und mit ihrer Planfläche auf die ebenfalls plan ausgebildete Eintrittsfläche des retroreflektierenden Elementes (14) aufgekittet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) der Halblinsen (13') veränderbar ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das retroreflektierende Element ein Tripelspiegel (14) ist.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Reflexionsvorrichtung (17) das Bild (12') der Lichtquelle (12) unmittelbar angrenzend an die Lichtquelle (12) entwirft.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die zweite Reflexionsvorrichtung bildende Retroreflektor (16) nur eine Strahlumkehr ohne Strahlversetzung bewirkt.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor (16) aus feinverteiltem retoreflektierendem Material besteht

12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor eine Tripelleiste oder ein einziger Tripelspiegel (16) ist, dessen Spitze (20) sich in der Mitte deb Lichtquellenbildes (12') befindet

13. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor ein Beck-Prisma (16) ist, dessen Spitze (20) sich in der Mitte des Lichtquellenbildes (12') befindet

14. Anordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Prismas (16) bzw. Tripelspiegels (20) gleich groß wie das Bild (12') der Lichtquelle ist.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der die zweite Reflexionsvorrichtung bildende Retroreflektor (16') eine Strahlumkehr mit seitlicher Versetzung um wenigstens die Größe des Lichtquellenbildes (12') bewirkt

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Versetzung genau der Größe der Lichtquelle (12) entspricht.

17. Anordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor ein Tripelspiegel (16') oder eine Anordnung mehrerer Tripelspiegel übereinander ist, wobei an der der Lichtquelle (12) zugewandten Hälfte das Bild (12') der Lichtquelle (12) entworfen ist.

18. Anordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor ein Beck-Prisma (16') ist, an dessen der Lichtquelle (12) zugewandter Hälfte das Bild (12') der Lichtquelle (12) entworfen ist

19. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis

18, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor (16') unmittelbar an die Lichtquelle (12) angrenzt.

20. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis

19, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Retroreflektors (16') doppelt so breit wie das Bild (12') der Lichtquelle (12) ist

21. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis

20, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Retroreflektor (16') auf der optischen Achse (19) eine weitere Linse (21) angeordnet ist, deren Brennweite (f) gleich dem Abstand von der ersten Reflexionsvorrichtung (17) ist.

22. Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Retroreflektoren (16'a, Wb, 16'c, ...) unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.

23. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Retroreflektoren (16, 16') in gleicher Anordnung symmetrisch auf beiden Seiten der Lichtquelle vorgesehen sind.

24. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (12) ein beleuchteter Spalt ist.

25. Anordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einer Seite des Spaltes an diesen angrenzend ein Beck-Prisma (16') vorgesehen ist.

26. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (12) durch den Schlitz (22) eines geneigt angeordneten Schlitzspiegels (23) beleuchtet ist und die Seitenteile (23a, 23ij des Schlitzspiegels (23) das an dem Beck-Prisma (16') bzw. den Beck-Prismen vorbeireflektierende Licht empfangen und auf einen Photoempfänger (24) lenken.

27. Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Schlitz (22) abwechselnd mit dem Licht aus der Meßstrecke (11) auch noch ein Referenzlichtbündel (25) von dt r gleichen Hauptlichtquelle (26) auf den Photoenipfänger (24) gelenkt ist.

28. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keile (18, 18') mit der Spitze zur Hauptachse (19) hin gerichtet sind.

29. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keile (18, 18') mit der Spitze von der Hauptachse (19) abgewandt sind, derart, daß der durch die Keile abgedeckte Lichtstrahl die Hauptachse (19) schneidet.

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