DE2654465C3 - Mischkammer in Form eines innen verspiegelten optischen Kanals - Google Patents
Mischkammer in Form eines innen verspiegelten optischen KanalsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Mischkammer nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei Lichtleitstäben wird im allgemeinen an einer Stirnseite ein Photoempfänger, insbesondere ein Photoelektronenvervielfacher angeordnet, welcher jedoch
über seine Empfangsfläche verteilt von sehr unterschiedlichen Lichtintensitäten beaufschlagt wird. Sofern
der auf die Mantelflache des Lichtleitstabes auf treffende 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 Vergleichmäßigung des Empfangslichtes bewirken,
führen aber zu Lichtverlusten, die insbesondere dann nicht mehr hinnehmbar sind, wenn statt der sehr
empfindlichen und in mehrfacher Hinsicht nachteiligen Photoelektronenvervielfacher andere lichtelektrische
Wandler, wie z, B, Photodioden, verwendet werden.
Es ist bereits eine Integrationskammer Jekannt (DE-OS 22 05 996), welche allerdings eine kreiszylindri
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
25 09 112, US-PS 39 32 023) würde zu dem gleichen Nachteil führen.
Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, eine zur Anwendung bei einem Lichtleitstab geeignete Mischkammer in Form eines innen verspiegelten optischen
Kanals zu schaffen, welche eine weitgehend vollständige Vergleichmäßigung des aus dem Lichtleitstab
austretenden Lichtes ohne wesentliche Intensitätsverluste gestattet
Aufgrund des besonderen Querschnitts der Innenverspiegelung gelangt — abgesehen von den geringfügigen
Reflexionsverlusten — nicht nur das gesamt aus dem Lichtleitstab austretende Meßlicht zum Photoempfän
ger, 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 brennli
nienartige Konzentration erzielt, daß am Photoempfän
ger eine wesentlich vergleichmäßigte Lichtintensität vorliegt Dieser Vergleichmäßigungseffekt wird noch
günstiger, wenn die aus dem Lichtlenstab 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 rundun/angeordnete längliche Planspiegel
gebildet werden kann, was herstellungstechnisch gün
stigist
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 Opalglas sind die Lichtverluste
bei der Verwendung von ünsenrastern wesentlich herabgesetzt Gleichwohl wird ein guter Streueffekt
erzielt.
Die erfindungsgemäße Mischkammer eignet sich z, B. auch zur Vergleichmäßigung des von dem Glühfaden
einer Glühlampe ausgehenden Lichtes, Insbesondere bei Verwendung der Ausführungsform nach Anspruch 7,
8 oder 9 kann eine gleichmäßig ausgeleuchtete Lichtfläche erzielt werden, die sich als Sekundärlicht- ι ο
quelle 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. 1 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 F i g. T einer weiteren 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
Fig.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 / 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 un-> Streuung in das Innere des Lichtleitstabes
11 gelangen und in der durch Pfeile schematisch 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 an&ire 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 Innenverspiegelung 18 versehene Mischkammer 19 bestimmt
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.
Nach Fig.2 hat der optische Kanal 17, d.h. die mit
der Innenverspiegelung 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. 6'>
Auf diese Weise entstehen sich in Axialrichtung erstreckende lichtstreuende Elemente, durch die der
erwünschte Vergleichmäßigungseffekt erzielt wird, Fig.2 zeigt ein Vieleck mit 12 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 F ί g. 1 ist am Eingang der Mischkammer 19 noch ein Einzellinsenraster 22 vorgesehen, dessen
Ausbildung sich aus den F i g. 4 und ύ ergibt Das Raster besteht aus im Querschnitt sechseckförmigen Miniaturlinsen
23, welche an einer Stirnseite flach, an der anderen Stirnseite eingesenkt ausgebildet sind, io daß
Zerstreuungslinsen 23 entstehen.
Bereiis das Linsenraster 22 erzeugt eine starke Streuung der aus der Stirnseite 13 austretenden
Lichtstrahlen ohne größeren Lichtverlust Dies ist durch kleine Pfeile in F i g. 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 liefern.
F i g. 3 zeigt eine ähnliche Ausführungsform, 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 kroiszylindrischen
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 Totalreflexion erfolgt. Das eingedrungene 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 Rieh '.ung. Oberhalb der Mittelachse 27 ist
eine Ausführungsform 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 (10)
1. 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 (YI) 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 (43) des Lichtleitstabes (11) zugewandten Ende des Kanals (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 einem 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 Ui bis Ά «ies K jmmungsradius des
Lichtleitstabes (11) beträfet
7. Mischkammer nach einem 'er Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der 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.
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