DE2654465A1

DE2654465A1 - Lichtvergleichmaessigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2654465A1
Application number: DE19762654465
Authority: DE
Inventors: Erwin Sick
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1976-12-01
Filing date: 1976-12-01
Publication date: 1978-06-08
Also published as: DE2654465B2; GB1586219A; DE2654465C3; US4181398A; JPS5369687A; JPS6029886B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtvergleichmäßigungsvorrichtung an der Stirnseite eines Lichtleitstabes, welcher durch seinen Mantel einfallendes Licht durch Totalreflexion zu der Stirnseite leitet, damit es dort auf einen Photoempfänger auftrifft .

Bei bekannten Lichtleitstäben wird an der betreffenden Stirnseite des Lichtleitstabes ein Photoempfänger, vorzugsweise ein Photoelektronenvervielfacher angeordnet, welcher jedoch über seine Empfangsfläche verteilt sehr unterschiedliche Lichtintensitäten empfängt. Sofern der auf die Mantelfläche des Lichtleitstabes auftreffende Lichtstrahl den Stab in seiner Längsrichtung abtastet, verändert sich das empfangene Lichtmuster fortwährend. Dies kann zu Signalschwankungen am Ausgang des Photoempfängers selbst dann führen, wenn der auf den Mantel des Lichtleitstabes auftreffende Sendestrahl eine konstante Intensität hat.

DR. C. MANITZ · DlPU-ING. M. FINSTERWALD DIP L. -IN C. W. GRÄMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKFN

β MÖNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STRASSE I 7 STUTTGART SO (BAD CANNSTATTI MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7270

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Zivischen der Stirnseite des Lichtleitstabes und dem Photoempfänger angeordnete Lichtstreuungselemente wie Mattscheiben oder Opalglas können zwar eine gewisse Vergleichmäßigung des Enipfangslichtes bewirken, führen aber zu Lichtverlusten, die insbesondere dann nicht mehr hinnehmbar sind, wenn statt der sehr empfindlichen und in mehrfacher Hinsicht nachteiligen Phojoelektronenvervielfacher andere lichtelektrische Wandler wie z.B. Photodioden verwendet werden.

Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, eine Lichtvergleichmäßigungsvorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, v;elche eine weitgehend vollständige Vergleichmäßigung des aus dem Lichtleitstab austretenden Lichtes ohne wesentliche Intensitätsverluste gestattet.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß an die Stirnseite ein innen versoiegelter optischer Kanal anschließt, an dessen Innenverspierelung wenigstens ein Teil der aus der Stirnseite austretenden Lichtstrahlen reflektiert wird, bevor er den Photoempfanger erreicht.

Aufgrund der Innenverspiegelung gelangt - abgesehen von den geringfügigen Reflexionsverlusten - das gesamte aus dem Lichtleitstab austretende Meßlicht zum Photoempfänger, so daß ein optimaler Wirkungsgrad gegeben ist. Aufgrund der zumindest einmaligen Reflexion zumindest des größeren Teiles der austretenden Lichtstrahlen erfolgt dabei außerdem eine derartige Vermischung der Lichtstrahlen, daß am Photoempfänger eine wesentlich vergleichmäßigte Lichtintensität festzustellen ist. Dieser Vergleichmäßigungseffekt wird weiter dadurch gefördert, da" die aus dem Lichtleitstab austretenden Lichtstrahlen zumindest teilweise mehrfach an der Innenverspiegelung des optischen Kanals hin- und herreflektiert werden.

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Nach, einer "bevorzugten Ausfuhrungsform erfaßt der optische Kanal mit seinem der Stirnseite zugewandten Ende zumindest die gesamte Fläche der Stirnseite. So ist gewährleistet, daß das gesamte aus der Stirnseite austretende Licht in den optischen Kanal gelangt. Insbesondere in bezug auf eine kompakte bauliche Anordnung ist eine Ausführungsform" zweckmäßig, bei der der Kanal mit meinem der Stirnseite zugewandten Ende der Fläche der Stirnseite umschrieben ist.

Der optische Kanal ist bevorzugt in einem innen verspiegelten Hohlkörper ausgebildet. Es kann sich z.B. um eine steife Spiegelfolie handeln, die durch Aufrollen zu einem an beiden Enden offenen, im wesentlichen zylindrischen Hohlkörper ausgestaltet wird.

Es ist aber auch möglich, daß der optische Kanal in einem außen verspiegelten, massiven transparenten Körper ausgebildet ist. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht zum einen in der sehr stabilen Ausbildung des optischen Kanals. Ein optischer Vorteil ist darin zu sehen, daß die aus der Stirnseite des Lichtleitstabes austretenden Lichtstrahlen nicht von der Stabachse weggebrochen werden, so daß am Ehotoempfanger ein steilerer Einfall der Lichtstrahlen gewährleistet is C, als wenn durch den Übergang Glas-Luft ein J/iegbrechen der Lichtstrahlen von der Achse erfolgt.

Die Ausbildung des optischen Kanals als Hohlkörper hat jedoch den Vorteil, daß auf der gleichen Länge mehr Reflexionen möglich sind, weil der Auftreffwinkel auf die Innenverspiegelung steiler ist.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß der spiegelnde Umfang des Kanals in einzelne Abschnitte unterteilt ist, welche eine von der Kreisform des Lichtleitstabes abweichende Krümmung aufweisen. Aufgrund der Krümmung des aus Herstellungsgrün-

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den im allgemeinen kreiszylindrischen Lichtleitstabes werden die an der Innenwand reflektierten Lichtstrahlen periodisch in den etwa bei einem Viertel des Durchmessers liegenden Brennlinien konzentriert. Diese periodischen Konzentrierungen wurden sich in einem kreiszylindrischen Kanal mit in etwa dem Durchmesser des Lichtleitstabes fortsetzen, was dem Ziel der Vergleichmäßigung nicht dienlich wäre. Die Abweichung der Krümmung der einzelnen Abschnitte sollte also so groß sein, daß der Konzentrationseffekt sich nicht oder nur geringfügig am Photoenrofanger auswirkt. Zwischen den einzelnen Abschnitten liegen Knicke vor.

Bei einer besonders einfachen praktischen Ausführungsform sind die Abschnitte eben. Der Kanal wird also durch rund_um angeordnete längliche Planspiegel gebildet, zwischen denen Knickstellen vorliegen.

Für die Vergleichmäßigung von besonderem Vorteil ist es jedoch, wenn die Abschnitte eine entgegengesetzte Krümmung wie der LÜLtleitstab aufweisen. Im großen gesehen hat der optische Kanal also eine Krümmung wie etwa ein Zylinder. Im kleinen sind jedoch die einzelnen Abschnitte gerade entgegengesetzt gekrümmt. Dazwischen befinden sich Knickstellen. Sine sehr einfache HersteJ-lungsmethode für derartige Hohlkörper besteht darin, daß eine in einer bestimmten Richtung gekrümmte, relativ steife Folie in entgegengesetzter Richtung mehrfach abgeknickt und zu einem Hohlkörper gestaltet wird. Die einzelnen Abschnitte behalten dabei im wesentlichen ihre ursprüngliche Krümmung, während insgesamt ein in entgegengesetzter Richtung gekrümmter Hohlkörper entsteht.

Durch die entgegengesetzt gekrümmten Abschnitte wird ein Lichtstreueffekt erzielt, welcher umso stärker ist, je größer die Krümmung ist. Die einzelnen Abschnitte sollen jedoch möglichst nicht mehr als einen Vierte!"Kreis ein-

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nehmen, um nicht zusätzliche Reflexionsverluste zu erleiden.

Auf dem Umfang sind vorzugsweise 6 bis 13, insbesondere 12 Abschnitte vorgesehen.

Nach einer ersten Ausführungsform ist der OOtische Kanal im wesentlichen zylindrisch. Diese Ausführungsform eignet sich besonders für das Arbeiten mit einer Diodenmatrix oder einem Photoelektronenvervielfacher.

Der optische Kanal kann sich aber auch von dem Lichtleitstab weg verjüngen und im 'wesentlichen Kegelstumpfform haben. Die Wände des optischen Kanals können sich auch nach Art einer Exponentialfunktion verjüngen. Diese ausführungsformen sind zweckmäßig, wenn der Photoempfänger eine kleinere Fläche als die Stirnseite des Lichtleitstabes hat. Das Licht wird so auf den Photoempfänger konzentriert.

Eine weitere, einfach und preiswert herstellbare, gleichwohl aber äußerst wirksame Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, daß der optische Kanal durch ein aufgerolltes Zylinderlinsenraster gebildet ist, dessen Zylinderlinsen versniegelt sind und innen liegen. Die Zylinderlinsen erstrecken sich dabei im wesentlichen parallel zur \chse des Lichtleitstabes. Diese Anordnung kann ebenfalls konisch ausgebildet sein. Zylinderlinsenraster sind im Handel erhältlich und brauchen lediglich durch Verspiegelung und Aufrollen für die Zwecke der Erfindung nutzbar gemacht zu werden. Das Aufrollen erfolgt zweckmäßig in Form eines Kreis Zylinders oder eines Kegelstumpfes.

Am Eingang des optischen ^anals können vorzugsweise noch ein Einzellinsenraster oder zwei gekreuzte Zylinderlinsenraster angeordnet sein. Das aus dem Lichtleitstab austretende Licht wird auf diese V/eise vor dem Auftreffen auf die Innenvers ρ ie gelling des optischen Kanals bereits erheblich gestreut,

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und zwar ohne daß erhebliche Lichtverluste wie bei einer Mattscheibe oder einem Opalglas auftreten. Die Anordnung eines Linsenrasters allein zwischen Stirnseite und Photoempfänger würde für eine ausreichende Lichtvergleichmäßigunr: nicht ausreichen. In Kombination mit dem erfindungsgemäßen optischen Kanal wird jedoch eine voll befriedigende Vergleichmäßiguiig ■ erzielt, und zwar selbst dann, wenn die Innenverspiegelung als reine Kreiszylinderfläche ausgebildet ist.

Im I¹ alle der Verwendung eines Einzellinsenrasters werden die Lichtverluste insbesondere dadurch noch weiter herabgesetzt, daß das Einzellinsenraster aus Zerstreuungslinsen mit sechseckigem Querschnitt besteht. Zwischen den einzelnen Linsen bestehen so keine Lichtverluste bewirkenden Zxtfischenräume.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die erfindungsgemäße Lichtvergleichmäßigungsvorrichtung auch überall dort angewandt werden kann, wo von einer bestimmten Fläche Lichtstrahlen in unterschiedlichen Richtungen mit unterschiedlichen Intensitäten ausgehen. Z.B. eignet .sich die erfindungsgemäße Lichtvergleichmäßigungsvorrichtung auch zur Vergleichmäßigung des von einem Glühfaden einer Glühlampe ausgehenden Lichtes. Insbespndere bei Verwendung des sich verjüngenden optischen Kanals kann eine gleichmäßig ausgeleuchtete Lichtfläche erzielt werden, die sich als Lichtquelle für solche optischen Vorrichtungen eignet, wo es auf eine Lichtquelle mit über die Fläche weitgehend gleichmäßiger Intensität ankommt. Die ungleichmäßig Licht abstrahlende Lichtquelle z.B. die Glühlampe ist dann an der Stelle der Stirnseite des vorstehend erwähnten Lichtleitstabes zu denken.

Mit besonderem Vorteil wird die erfindungsgemäße Lichtvergleichmäßigungsvorrichtung bei einer Lichtempfangsanordnung verwendet, wie sie in der gleichzeitig eingereichten Patent-

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anmeldung mit dem Titel "Photoelektrische Lichtempfangsanordnung" (unser Zeichen: S 3283) beschrieben ist.

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

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer an einem Lichtleitstab angeordneten Lichtvergleichmäßigungsvorrichtung gemäß vorliegender

Fig. 2einen Querschnitt nach Linie"H-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen- schematischen Längsschnitt analog Fig. 1 einer wei- --■ teren vorteilhaften Ausführungsform,

Fig. 4- eine Draufsicht eines erfindungsgemäß verwendeten Einzellinsenrasters,

Fig. 5 ei¹¹⁰¹¹ schematischen Schnitt nach Linie V-V in Fig. 4- und

Fig. 6 einen teilweisen Ausschnitt eines mit einem verspiegelten Zylinderlinsenraster versehenen Hohlkörpers bei einer Lichtvergleichmäßigungsvorrichtung gemäß der Erfindung.

In Fig. Λ ist in sehr vereinfachter Form eine Materialbahn 31 veranschaulicht, welche sich senkrecht zur Zeichnungsebene bewegen möge. Die Bahn xvird in Richtung des Dopoelpfeiles f von einem Laser-Lichtstrahl 3O in schneller Folge zeilenweise periodisch abgetastet. Unmittelbar hinter der Materialbahn 31 ist ein Lichtleitstab 11 parallel zur Abtastrichtung und der Materialbahn 31 angeordnet, so daß beispielsweise durch Fehlstellen darstellende Löcher 32 in der Bahn 31 Licht an unterschiedlichen Stellen auf den Mantel des Lichtleitstabes gelangt. Dieses Licht wird durch Brechung und Streuung in das Innere des Lichtleitstabes 11 gelangen und in der durch Pfeile schematisch angedeuteten Weise zu den Stirnseiten des Lichtleit-

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Stabes totalreflektiert. Die Stirnseite 14 ist mit einer Verspiegelung versehen, so daß dort auftreffendes Licht reflektiert wird und schließlich durch mehrfache Totalreflexion ebenfalls an die andere Stirnseite '¹3 gelangt.

Im Bereich der Stirnseite 13 ist auf den Lichtleitstab 11 ein Hohlkörper 19 aufgeschoben, welcher eine Innenverspiegelung 18 aufweist. Der mit der Innenverspiegelung 18 versehene Hohlkörper 19 umgrenzt einen optischen Kanal 17, der se lang ist, daß aus der Stirnseite Λ-j austretendes Licht zumindest einmal an der Innenverspiegelung 18 reflektiert wird, bevor 33 zu einer Diodenmatrix 12 gelangt, die aus einzelnen Photodicden 12a,b,c,d, e,f bzw. g besteht (Fig. 1 und 2). Die Diodenmatrix ist auf einer in dem Rohr 19 ebenfalls angeordneten Platte 15 befestigt. In dem Rohr sind weiter ein Stromspannungswandler 25 und ein Verstärker 33 angeordnet. Die Abnahme des Meßsignals erfolgt bei 33-

Nach Fig. 2 ist der Umfang des optischen Kanals 17? d.h. die mit der Innenverspiegelung 18 versehene Innenseite des Hohlkörpers 19 in einzelne Abschnitte 20 unterteilt, welche jeweils eine entgegengesetzte Krümmung wie der Hohlkörper insgeaamt aufweis sr. Auf diese Weise entstehen sich in Axialrichtung erstreckende lichtstreuende Elemente, durch die der erwünschte Vergleichmäßigungseffekt erzielt wird. Fig. 2 zeigt die vorzugsweise Anordnung von 12 derartigen Abschnitten 20. Die Knicklinien 16 zwischen den einzelnen Abschnitten erstrecken sich im wesentlichen parallel zur Achse der Vergleichmäßigungsvo rri chtung.

Fig. 6 zeigt eine Ausfuhrungsform, bei der die Innenfläche des Hohlkörpers 19 aus einem Zylinderlinsenraster 51 besteht, das die Innenverspiegelung 18 trägt. Es handelt sich im Prinzϊό um die gleiche Ausbildung wie bei den Abschnitten 20 nach Fig. 2, nur daß die einzelnen konvexen Zylinderspiegel wesentlich kleiner und zahlreicher sind. Auf diese V/eise können 2000 bis 5OOO

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kleine Zylinderspiegel auf dem Umfang des Hohlkörpers 19 angeordnet werden. Bevorzugt sind jedoch ca. 12 bis 50 Flächen pro Umfang.

Nach Fig. 1 ist zwischen die erfindungsgemäße Lichtvergleichmäßigungsvorrichtung mit dem optischen Kanal 17 und die Stirnseite IJ-noch ein Einzellinsenraster 22 geschaltet, dessen Ausbildung sich aus den Fig. 4- und 5 ergibt. Das Raster besteht aus im Querschnitt sechseckförmigen Miniaturlinsen 25» welche an einer Stirnseite flach, an der anderen Stirnseite eingesenkt ausgebildet sind, so daß insgesamt eine Zerstreuungslinse 23 entsteht.

Bereits das Linsenraster 22 erzeugt eine starke Streuung der aus der Stirnseite 13 austretenden Lichtstrahlen ohne größeren Lichtverlust. Dies ist durch kleine "Pfeile in Fig.1 angedeutet. Der Lichtverlust in einem Linsenraster ist äußerst gering.

Das in den optischen Kanal 17 eingedrungene Licht wird schließlich an der Innenverspiegelung 18 nach innen reflektiert, wobei entsprechend der Wölbung der einzelnen länglichen Zylinderspiegel 20 gleichzeitig eine Lichtstreuung auftritt. Allein durch die Unterteilung des Umfanges in einzelne A.b schnitte 20 wird aber ebenfalls bereits eine Vergleichmäßigung erzielt.

Das Licht fällt schließlich auf eine der Photodioden 12a bis g, wobei eine derartige Vergleichmäßigung erzielt wird, daß alle Dioden praktisch das gleiche Ausgangssignal liefern.

Fig. 3 zeigt eine ähnliche Ausfuhrungsform, wobei jedoch an der der Eintrittsseite des Lichtstrahls 30 gegenüberliegenden Mantelseite des Lichtleitstabes 11 eine Stufenspiegelanordnung 24- vorgesehen ist, welche sich entlang einer Erzeugenden des kreiszylindrischen Lichtleitstabes 11 erstreckt.

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Hierdurch wird das in den Lichtleitstab eingedrungene Licht in der dargestellten Weise reflektiert. Man ist bei dieser vorteilhaften Ausführungsform also nicht auf die in Ii¹Xg. 1 durch Pfeile angedeutete Lichtstreuung an der Eintrittsmantelseite des Lichtleitstabes 11 angewiesen. Vielmehr wird das eingetretene Licht quantitativ unter einem solchen Winkel in den Lichtleitstab 11 hineinreflektiert, daß die bei 26 angedeutete Totalreflexion erfolgt. Das eingedrungene Licht gelangt auf diese V/eise weitgehend vollständig zu der Stirnseite 13 des Lichtleitstabes 11.

Bei der Ausführungsform nach Fig. y ist die erfindungsgemäße Lichtvergleichmäßigungsvorrichtung als sich von der Stirnseite -13 weg verjüngender Hohlkörper 19 dargestellt. Oberhalb der Mittelachse 27 ist eine Ausführungsform mit kegelstumpfförmiger Verjüngung, darunter eine andere mögliche Ausführungsform mit einer Verjüngung nach Art einer Exponentialfunktion dargestellt. Ersichtlich ermöglicht es diese Ausführungsform mit einer geringeren Anzahl von Photodioden am Photoempfänger 12 auszukommen. Gegebenenfalls kann auch ein einziger Photoempfänger ausreichend sein.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

1. Lichtvergleichmäßigungsvorrichtung an der Stirnseite eines ~" Lichtleitstabes, welcher durch seinen Hantel einfallendes Licht durch Totalreflexion zu der Stirnseite leitet, damit es dort auf einen Photoempfanger auftrifft, dadurch g e k e η η 2 e ic h η et , daß an die Stirnseite ("13) ein innen verspiegelter OOtischer Kanal (17) anschließt, an dessen Innenverspiegelung (ίο) wenigstens ein Teil der aus der Stirnseite austretenden Lichtstrahlen reflektiert wird, bevor er den Photoempfänger (12) erreicht.

2* Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der optische Kanal (1?) mit seinem der Stirnseite (13) zugewandten Ende zumindest die gesamte Fläche der Stirnseite (13) erfaßt.

3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (17) mit seinem der Stirnseite (13") zugewandten Ende der Flache der Stirnseite (i3) umschrieben ist*

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g*e"k e η η ζ ei c h η et , daß der optische Kanal (17) in einem innen verspiegelten Hohlkörper (19) ausgebildet ist.

5- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch ge k e η η ζ e i c h.n""e t , daß der optische Kanal (17) in einem außen verspiegelten, massiven transparenten Körper ausgebildet ist»

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e η η ζ e ic h η e t , daß der spiegelnde Umfang des Kanals (17) in einzelne Abschnitte (20) unterteilt ist,

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ORiGiMAL !NSPEGTED

welche eine von der Kreisform des Lichtleitstabes (11) abweichende Krümmung aufweisen.

7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (20) eben sind.

8. Vorrichtung naoh Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (20) eine entgegengesetzte Krümmung wie der Lichtleitstab (11) aufweisen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Umfang 6 bis 18, vorzugsweise 12 Abschnitte vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der Abschnitte vorzugsweise 1/2 bis 1/4 des Krümmungsradius des Lichtleitstabes (11) beträgt.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Kanal (17) im wesentlichen zylindrisch ist.

12. Vorrichtung nsch einem der Ansprüche 1 bis ">0, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Kanal (17) sich von dem Lichtleitstab (11) weg verjüngt.

13- Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Kanal (17) im wesentlichen Kegelstumpfform hat.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des" OOtischen Kanals (17) sich nach Art einer Exponentialfunktion verjüngen.

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