DE2654465B2

DE2654465B2 - Mischkammer in Form eines innen verspiegelten optischen Kanals

Info

Publication number: DE2654465B2
Application number: DE2654465A
Authority: DE
Inventors: Erwin 8021 Icking 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: 1981-04-02
Also published as: DE2654465C3; JPS6029886B2; GB1586219A; JPS5369687A; DE2654465A1; US4181398A

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischkammer nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Lichtleitstäben wird im allgemeinen an einer Stirnseite ein Photoempfänger, insbesondere ein Photoeiektronenvervielfacher angeordnet welcher jedoch über seine Empfangsfläche verteilt von sehr unterschiedlichen Lichtintensitäten beaufschlagt wird 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

Zwischen der Stirnseite des Lichtleitstabes und dem Photoempfänger angeordnete Lichtstreuelemente wie Mattscheiben oder Opalglas Können zwar eine gewisse VergleichmSßigwng des Empfangslichtes bewirken, führen aber zu Lichtverlusten, die insbesondere dann nicht mehr hinnehmbar sind, wenn statt der sehr s empfindlichen und in mehrfacher Hinsicht nachteiligen Photoelektronenvervielfacher andere lichtelektrische Wandler, wie z, B, Photodioden, verwendet werden.

Es ist bereits eine Integrationskammer bekannt (DE-OS 22 05 996), welche allerdings eine kfeijnylindri-

sehe spiegelnde Innenfläche aufweist Dies würde bei Anwendung an einem Lichtleitstab zu brennlinienartigen Lichtkonzentrationen am Photoempfänger führen, also nicht die erwünschte Vergleichmäßigung bewirken. Auch die Anwendung von Kugelspiegeln (DE-OS

,25Off 112, US-PS 39 32023) würde zu dem gleichen Nachteil führen.

Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, eine zur Anwendung bei einem Lichtleitstab geeignete Mischkammer in Forin eines innen verspiegelten optischen Kanals zu schaffen, weiche eine weitgehend vollständige Vergleichmäßigung des aus dem Lichtleitstab austretenden Lichtes ohne wesentliche Intensitätsverluste gestattet
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des

Patentanspruches 1 vorgesehen.

Aufgrund des besonderen Querschnitts der Innenverspiegelung gelangt — abgesehen von den geringfügigen Reflexionsverlusten — nicht nur das gesamt aus dem Lichtleitstab austretende Meßlicht zum Photoempfänger_y so daß ein optimaler Wirkungsgrad gegeben ist sondern es wird aufgrund der zumindest einmaligen Reflexion wenigstens des größeren Teiles der aus dem Lichtleitstab austretenden Lichtstrahlen außerdem eine derartige Vermischung der Lichtstrahlen ohne brennlinienartige Konzentration erzielt daß am Photoempfänger eine wesentlich vergleichmäßigte Lichtintensität vorliegt Dieser Vergleichmäßigungseffekt wird noch günstiger, wenn die aus dem Lichtleitstab austretenden Lichtstrahlen zumindest teilweise mehrfach an der Innenverspiegelung des optischen Kanals hin- und herreflektiert werden.

Die Ausführungsformen nach Ansprüchen 2 und 3 gewährleisten es, daß die gesamte aus der Stirnseite des Lichtleitstabes austretende Lichtintensität in den optischen Kanal gelangt

Die gerade Ausbildung der Seiten des Querschnitts des optischen Kanals hat den Vorteil, daß der optische Kanal durch rundum angeordnete längliche Planspiegel gebildet werden kann, was herstellungstechnisch günstigist

Für eine besonders gleichmäßige Vermischung des aus dem Lichtleitstab austretenden Lichtes ist es jedoch besonders vorteilhaft wenn nach Anspruch 4 die Seiten des Querschnittes eine entgegengesetzte Krümmung wie der Lichtleitstab aufweisen. Die konvex gekrümmten Seiten sollen sich jedoch möglichst über nicht mehr als einen Viertelkreis erstrecken, damit keine zusätzlichen Reflexionsverluste auftreten.
Die vorstehend beschriebene Ausführungsform läßt sich besonders wirtschaftlich dadurch herstellen, daß der optische Kanal durch ein aufgerolltes Zylinderlinsenraster gebildet ist, dessen Zylinderlinsen verspiegelt sind und sich in Richtung des optischen Kanals erstrecken.

Am Eingang des optischen Kanals können auch noch ein einzelnes Linsenraster oder zwei gekreuzte Zylinderlinsenraster angeordnet sein, um die Lichtvermischung weiter zu begünstigen. Im Gegensatz zu einer

Mattscheibe oder einem Qpsjgias sind (lie Uchtverluste bei der Verwendung von Ünsenrastern wesentlich herabgesetzt Gleichwohl wird ein guter Streueffekt ereielt,

Die erfindungsgemäße Mischkammer eignet sich z, B, auch zur Vergleichmäßigung des von dem Glühfaden einer Glühlampe ausgehenden Lichtes. Insbesondere bei Verwendung der Ausfübrungsform nach Anspruch 7, 8 oder 9 kann eine gleichmäßig ausgeleuchtete Lichtfläche erzielt werden, die sich als Sekundärlichtquelle für optische Vorrichtungen eignet, bei denen es auf eine Lichtquelle mit über die Fläche weitgehend gleichmäßiger Intensität ankommt

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

Fig.l einen schematischen Querschnitt einer an einem Lichtleitstab angeordneten Mischkammer in Form eines innen verspiegelten optischen Kanals,

F i g. 2 einen Querschnitt nach Linie H-II in F i g. 1,

Fig.3 einen schematischen Längsschnitt analog Fig. 1 einerweiteren vorteilhaften Ausführungsform,

F i g. 4 eine Draufsicht eines Einzellinsenrasters,

F i g. 5 einen schematischen Schnitt nach linie V-V in F i g. 4 und

F i g. 6 einen teilweisen Ausschnitt einer mit einem verspiegelten Zylinderlinsenraster versehenen Mischkammer.

In F i g. 1 ist in sehr vereinfachter Form eine Materialbahn 31 veranschaulicht, welche sich senkrecht zur Zeichnungsebene bewegen möge. Die Bahn wird in Richtung des Doppelpfeiles f von einem Laser-Lichtstrahl 30 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 *o angedeuteten Weise zu den Stirnseiten des Lichtleitstabes 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 Strinseite 13 ist auf' den Lichtleitstab 11 eine Mischkammer 19 aufgeschoben, welche eine Innenverspiegelung 18 aufweist Die mit der InneHver-Spiegelung 18 versehene Mischkammer 19 bestimmt so einen optischen Kanal 17, der so lang ist daß aus der Stirnseite 13 austretendes Licht zumindest einmal an der Innenverspiegelung 18 reflektiert wird, bevor es zu einer Diodenmatrix 12 gelangt die aus einzelnen Photodioden 12a, b« c, d, e, /bzw. g besteht (F i g. 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 38 angeordnet Die Abnahme des Meßsignals erfolgt bei 33. ω

Nach F i g. 2 hat der optische Kanal 17, d. h. die mit der tnnenverspiegelung 18 versehene Innenseite der Mischkammer 19 einen Querschnitt in Form eines Vielecks mit Seiten 20, welche jeweils eine entgegengesetzte Krümmung wie der Lichtleitstab 11 aufweisen.

Auf diese Weise entstehen sich in Axialrichtung erstreckende lichtstreuende Elemente, durch die der erwünschte Verglefchmäßigungseffekt erzielt wird, Fig,2 zeigt ein Vieleck mit t2 konvex gekrümmten Seiten 20, Die Ecken 16 des Vielecks zwischen den einzelnen Seiten 20 bilden zusammen eine sich im wesentlichen parallel zur Achse der Mischkammer erstreckende Kante.

Fig.6 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Innenfläche der Mischkammer 19 aus einem Zylinderlinsenraster besteht, das die Innenverspiegelung 18 trägt Es handelt sich im Prinzip um die gleiche Ausbildung wie nach F i g. 2, nur daß die einzelnen konvexen Seiten 21 wesentlich kleiner und zahlreicher sind; Auf diese Weise können 2000 bis 3000 kleine Zylinderspiegel auf dem Umfang der Mischkammer angeordnet werden. Bevorzugt sind jedoch ca. 12 bis 50 Flächen pro Umfang.

Nach Fig.! ist am Eingang der Mischkammer 19 noch ein Einzellinsenraster 22 vorgesehen, dessen Ausbildung sich aus den F i g. 4 und 5 ergibt Das Raster besteht aus im Querschnitt sechseck^migen Miniaturünsen 23, weiche an einer Stirnseite flach, an der anderen Stirnseite eingesenkt ausgebildet sind, so daß Zerstreuungslinsen 23 entstehen.

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 gleichzeitig eine Lichtstreuung auftritt Durch die Unterteilung des Umfanges in einzelne Seiten 20 wird eine weitere Vergleichmäßigung erzielt

Das Licht fällt schließlich auf eine der Photodioden 12a bis g, wobei aufgrund der Vergleichmäßigung alle Dioden praktisch das gleiche Ausgangssignal liefe, n.

Fig.3 zeigt eine ähnliche Ausführungsform, wobei jedoch an der der Eintrittsseite des Lichtstrahls 30 gegenüberliegenden Mantelseite des Lichtlcitstabes U eine Stufenspiegelanordnung 24 vorgesehen ist welche sich entlang einer Erzeugenden des kreiszylindrischen Lichtleitstabes 11 erstreckt Hierdurch wird das in den Lichtleitstab eingedrungene Licht in der dargestellten Weise reflektiert Man ist bei dieser vorteilhaften Ausführungsform also nicht auf die in F i g. 1 durch Pfeile angedeutete Lichtstreung 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 TotpJreflexion erfolgt Das eingedrungen:? Licht gelangt auf diese Weise weitgehend vollständig zu der Stirnseite 13 des Lichtleitstabes 11.

Bei der Ausführungsform nach Fig.3 verjüngt sich die Mischkammer 19 in der von der Stirnseite 13 abgewandten Richtung. Oberhalb der Mittelachse 27 ist eine Ausführungiform mit einer Verjüngung nach Art einer Exponentialfunktion dargestellt Diese Ausführungsform ermöglicht es mit einer geringeren Anzahl von Photodioden am Photoempfänger 12 auszukommen. Gegebenenfalls kann auch ein einziger Photoempfänger ausreichend sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

U Mischkammer in Form eines innen verspiegelten optischen Kanals an der. Stirnseite eines Lichtleitstabes, welcher durch seinen Mantel einfallendes Licht durch Totalreflexion zu der Stirnseite leitet, damit es dort auf einen Photoempfänger auftrifft, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Kanals (17) die Form eines Vielecks mit gekrümmten oder geraden Seiten (20,21) hat
2. Mischkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des optischen Kanals (17) an seinen der Stirnseite (13) des Lichtleitstabes (11) zugewandten; Ende sich zumindest über die gesamte Fläche der Stirnseite (13) erstreckt.
3. Mischkammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vieleck an dem der Stirnseite fl3) des Lichtleitstabes (11) zugewandten Ende des'jcinals (17) der Fläche der Stirnseite (13) umschrieben ist.
4. Mischkammer nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiten (20, 21) eine entgegengesetzte Krümmung wie der Lichtleitstab (11) aufweisen.
5. Mischkammer nach eineir;, der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vieleck sechs bis achtzehn, insbesondere zwölf Ecken aufweist
6. Mischkammer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der Seiten '/2 i>is '/4 des Krümmungsradius des Lichtleitstabes (11) beträgt
7. Mischkammer nacb einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daßr'-er Querschnitt des optischen Kanals (17) sich in Richtung von dem Lichtleitstab (11) weg verkleinert
8. Mischkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß der Querschnitt des optischen Kanals (17) sich im wesentlichen kegelstumpfförmig verkleinert
9. Mischkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß der Querschnitt des Kanals (17) sich nach einer Exponentialfunktion verkleinert
10. Mischkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß sich über den Eingangsquerschnitt des optischen Kanals (17) ein Linsenraster (22) erstreckt