DE3006071A1

DE3006071A1 - Lichtsammelanordnung mit einer lichtsammelflaeche und einer im wesentlichen senkrecht dazu angeordneten laenglichen optischen lichtablenkvorrichtung

Info

Publication number: DE3006071A1
Application number: DE19803006071
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Phys. Dr. 8033 Planegg Röß
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1980-02-19
Filing date: 1980-02-19
Publication date: 1981-09-03
Also published as: GB2069715B; JPS56130704A; US4458979A; FR2476330A1; GB2069715A; FR2476330B1; DE3006071C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtsammelanordnung mit einer Lichtsammelfläche und einer im wesentlichen senkrecht dazu angeordneten länglichen optischen Lichtablenkvorrichtung zur Umlenkung von in Längsrichtung an unterschiedlichen Stellen mit einer wesentlichen Komponente senkrecht zur Längsrichtung unter Winkeln innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereiches auftreffenden, in einer Einfallsebene verlaufenden Lichtstrahlen in Richtung der Lichtsammelfläche.

Eine Lichtsammelanordnung im Sinne vorliegender Erfindung ist dazu bestimmt, einen entlang einer Linie vorhandenen Lichtfluß großer Linearabmessung mit begrenztem Winkerbereich in einen flächenförmigen Lichtfluß mit großen Winkelbereich umzuwandeln, wobei eine Verkleinerung der Austrittsfläche im Vergleich zur Eintrittsfläche erreicht wird. Bekannte Lichtsammelanordnungen arbeiten mit Spiegelkasten, Lichtleitstäben und/oder diffus reflektierenden Hohlräumen (siehe Z.B. DE-OS 19 41 905, DE-AS 21 15 979, DE-AS 25 32 503).

Alle bekannten Lichtsamme !anordnungen haben die Eigenschaft, daß eine Winkelbeeinflussung der einfallenden Strahlung erreicht werden muß, damit die zunächst innerhalb des Grenzwinkels der Anordnung eintretende Strahlung außerhalb dieses Grenzwinkels sich fortpflanzt. Bei Lichtleitstäben ist dieser Grenzwinkel der Grenzwinkel der Totalreflexion.

Um bei den bekannten Lichtleitstabanordnungen das im wesentlichen senkrecht zur Stabachse auf die eine Mantelseite des Stabes auftreffende Licht unter Winkeln der Totalreflexion in das Stabinnere abzulenken, ist es bekannt, an der Lichteintrittsmantelseite eine mattscheibenartige Aufrauhung vorzusehen (DE-AS 21 15 97g).Weiter hat man auf der dem Lichteintritt diametral gegenüberliegenden Mantelseite bereits

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lichtstreuendes Material angeordnet, um das einfallende Licht aus seiner Einfallsrichtung abzulenken (at-ps 206 663). Nachteilig an diesen beiden bekannten Lichtleitstabanordnungen ist, daß ein großer Teil des Einfallslichtes nicht in Totalreflexions-Winkelbereiche abgelenkt wird und so für die Messung verlorengeht.

Aus diesem Grunde hat man bereits auf der dem Lichteintritt diametral gegenüberliegenden Mantelseite eine Stufenspiegelanordnung vorgesehen (DE-AS 2532 603 ). Die Einzelspiegel dieser Stufenspiegelanordnung sind so zur Längsachse des Lichtleitstabes gerichtet, daß alles auftreffende Licht unter Winkeln der Totalreflexion in das Innere des Lichtleitstabes abgelenkt wird. Auch diese Lichtleitstäbe befriedigen noch nicht völlig, weil wegen des relativ groben Spiegelrasters eine störende Modulation auftritt, wenn ein Abtastlichtstrahl entlang der Längsachse des Lichtleitstabes diesen periodisch abtastet. Durch Nebenstrahlen weisen diese Leitleitstäbe einen begrenzten Wirkungsgrad auf, der mit von der Normaleinfallsrichtung zunehmend abweichenden Lichtstrahlen stark abfällt.

Die Lichtsammeifläche bei allen bekannten Lichtsammelanordnungen besteht im allgemeinen aus einem oder mehreren photoelektrischen Wandlern, welche ein der auftreffenden Lichtmenge entsprechendes elektrisches Signal abgeben. Es kommt somit bei allen Lichtsammelanordnungen darauf an, daß von dem an irgendeiner Stelle der Länge auftreffenden Licht mögÜQhst viel zu der Lichtsammeifläche gelangt. Weiter ist es wichtig, daß unter gleichen Winkeln an unterschiedlichen Stellen der länglichen optischen Lichtablenkvorrichtung auftreffendes Licht am photoelektrischen Wandler ein gleich starkes elektrisches Signal auslöst.

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Derartige Lichtsammelanordnungen werden im allgemeinen parallel zu einer Materialbahn angeordnet, welche durch einen Laserstrahl periodisch mit einem Lichtfleck abgetastet wird . Das von der Materialbahn reflektierte bzw. durch sie hindurchgehende Licht wird dann von der Lichtsammelanordnung aufgenommen und zu dem photoelektrischen Wandler gelenkt, dessen elektrisches Ausgangssignal zur Erkennung von Materialbahnfehlern ausgewertet wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, für eine Licht sammelanordnung der eingangs genannten Gattung eine längliche optische Lichtablenkvorrichtung zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Vorrichtungen nicht aufweist und bei hohem Wirkungsgrad, d.h. bei nur geringen Lichtverlusten an unterschiedlichen Stellen unter gleichen Winkeln auftreffendes Licht in der gleichen Weise auf die Lichtsammeifläche lenkt, so daß bei Anordnung eines photoelektrischen Wandlers an dieser Stelle ein gleiches elektrisches Ausgangssignal erzielt wird. Bei Anwendung der Lichtsammelanordnung an einer von einem Abtastlichtfleck periodisch abgetasteten Materialbahn soll das elektrische Ausgangssignal des photoelektrischen Wandlers keine merkliche Modulation aufweisen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die Lichtablenkvorrichtung ein Beugungsgitter ist. Insbesondere soll das Beugungsgitter als Hologramm, vorzugsweise Volumenhologramm von solcher Dicke ausgebildet sein, daß gerade alle unter Winkeln des vorbestimmten Winkelbereiches auftreffende Lichtstrahlen unter Umlenkung durchgelassen werden, außerhalb dieses Winkelbereiches liegende Lichtstrahlen dagegen nicht. Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Hologramm ein Phasenhologramm ist.

Grundsätzlich kann das Beugungsgitter ein periodisches zweidimensionales oder dreidimensionales Gitter sein.

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Da ein Hologramm ohne weiteres mit einem sich sinusförmig verändernden Durchlaß- bzw. Reflexionsvermögen bzw. Brechungsindex hergestellt werden kann, gelingt es, unter einem ganz bestimmten Winkel eintretende Eintrittsstrahlen unter einem vorbestimmten Austrittswinkel auf die Lichtsammelf lache zu lenken, wobei höhere Ablenkungsordnungen vermieden werden. Hierzu wird das Hologramm durch Überlagerung einer Referenzwelle und einer Objektwelle in einem photoempfindlichen Material hergestellt. Die Richtung der Referenzwelle entspricht der des Einfallslichtes in der erfindungsgemäßen Lichtsammelanordnung. Auf diese Weise tritt das Licht so aus dem Hologramm aus, wie die Objektwelle bei der Herstellung des Holograms in das lichtempfindliche Material eintritt. Solange bei der Belichtung des Hologramms die Intensität so gewählt wird, daß die Grenzen des Linearitätsbereiches des Photcmaterials nicht überschritten werden, werden die aufgezeichneten Interferenzen streng sinusförmig, und es entstehen keine höheren Beugungsordnungen. Wenn das Hologramm dick gegen die Wellenlänge ist, wird auch die eine der symmetrischen ersten Beugungsordnungen unterdrückt, so daß das Hologramm nur eine Ausgangswelle erzeugt.

Für die praktische Ausführung der erfindungsgemäßen Iichtsaranelanordnung ist"die Dicke des Hologramms ein wesentlicher Faktor. Mit dünnen Phasenholcgraranen sind Wirkungsgrade "von 33 % bis über 50 % bei einigen Wellenlängen Dicke erreichbar. Bei einem dicken Hologramm, bei dem die Dicke ein Vielfaches der Wellenlänge beträgt, können Wirkungsgrade bis nahe 100 % erreicht werden. Wegen der Notwendigkeit der Einhaltung der Bragg-Bedingung lassen jedoch dicke Hologramme nur Lichtstrahlen durch, die in einem engen Winkelbereich um den Winkel der Referenzwelle herum in das Hologramm eintreten. Je dünner das Hologramm wird, umso größer wird dieser Winkelbereich. Man kann also die Winkel-Trennschärfe des Beugungsgitters durch entsprechende Dicke des Hologramms von vornherein bestimmen. Für solche Fälle, in denen eine geringe Winkel-Oirennschärfe gewünscht wird, kann man auch bei einem dünnen Hologramm hohe Wirkungsgrade dadurch erreichen, daß eine starke Modulation des Materials erzielt wird. Ein hierfür geeignetes Material ist z.B. dichromatische Gelatine, mit der bereits bei einer Dicke von nur 5 um Wirkungsgrade nahe 90° erreicht werden.

Für die erfindungsgemäßen Zwecke ist daher eine solche Dicke des Hologramms optimal, bei der gerade der von der Lixditsaramelanordnung in der Einfallsebene zu erfassende Winkelbereich durchgelassen wird, im Winkel darüber hinausgehende Lichtstrahlen jedoch nicht. Die erfindungsgemäße Lichtsanmel-

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anordnung kann

somit auch als selektives Winkelbereichsfilter verwendet wer den, indem ein bestimmter Winkelbereich durchgelassen wird, ein anderer nicht. Diese vorteilhafte Eigenschaft des erfindungsgemäßen Beugungsgitters kann zur Fehlererkennung ausgenutzt werden.

Die Erfindung läßt sich mit Vorteil bei solchen Lichtsammelanordnungen anwenden, bei denen an allen Stellen entlang der Lichtablenkvorrichtung der Winkelbereich in gleicher Weise zur Längsrichtung gerichtet ist. Dieser Fall liegt z.B. bei Materialbahnfehlerermittlungsvorrichtungen vor, bei denen die Materialbahn durch einen parallel zu sich selbst verschobenen scharfgebündelten Lichtstrahl abgetastet wird. In diesem Fall tritt von allen ungestörten Stellen der Materialbahn das Licht unter dem vorbestimmten Winkelbereich aus der Bahn aus und kann dann durch die erfindungsgemäße Lichtsammelanordnung dadurch gleichmäßig auf einen photoelektrischen Wandler gelenkt werden, daß das Beugungsgitter auf der gesamten Länge die gleiche Gitterkonstante hat.

Wesentlich bei allen Ausführungsformen ist natürlich, daß das von der erfindungsgemäßen Lichtsammelanordnung erfaßte Licht bezüglich seiner Frequenz an die Gitterkonstante des Beugungsgitters angepaßt ist.

Ein besonderer Vorteil der Lichtsammelanordnung gemäß der Erfindung besteht jedoch darin, daß sie auch mit Vorteil angewendet werden kann, wenn an wenigstens einigen Stellen entlang der Lichtablenkvorrichtung der Winkelbereich in unterschiedlicher Weise zur Längsrichtung gerichtet ist. In diesem Fall braucht nämlich nur die Gitterkonstante des Beugungsgitters in Längsrichtung derart veränderlich zu sein, daß trotz der veränderlichen Richtung des Winkelbereiches an allen Stellen entlang der Längsrichtung die abgelenkten Strahlen im wesent-

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lichen die gleiche Richtung haben. Dort, wo der Winkelbereich des von der Materialbahn ausgehenden Lichtes auch schon bei ungestörter Bahn etwas anders als an anderen Stellen ist, kann durch Änderung der ^üitterkonstante in diesem Bereich eine etwas andere Ablenkung der von der Bahn zurückgeworfenen bzw. durch sie hindurchgehenden Lichtstrahlen erzielt werden, damit sämtliche normal einfallenden Lichtstrahlen unter gleichen Winkeln zur Längsachse der Lichtablenkvorrichtung verlaufen.

Diese Ausführungsform eignet sich besonders zur Anwendung bei solchen Lichtsammelanordnungen, bei denen das von einer mit einem sektorförmig bewegten Abtaststrahl Uberstrichenen Materialbahn kommende Licht abgelenkt werden soll. In diesem Fall nimmt die Gitterkonstante erfindun.gsgemäß entsprechend dem Auftreffwinkel auf die Bahn zur Erzielung einer im wesentlichen gleichen Richtung aller abgelenkten Strahlen stetig zu bzw. ab. Erfindungsgemäß kann somit auf einfachste Weise der ansonsten zur Erzielung eines parallel zu sich selbst verschobenen Fahrstrahls erförderliche aufwendige Hohlspiegel eingespart werden, ohne daß die Qualität der Fehlererkennung beeinträchtigt wird, weil die unterschiedlichen Auftreffwinkel des sektorförmigen, scharfgebündelten Lichtstrahls auf die Oberfläche der Bahn durch Variation der Gitterkonstante ohne weiteres berücksichtigt werden können.

Die Erfindung läßt sich auch vorteilhaft mit einem sich parallel zu der Lichtablenkvorrichtung erstreckenden und im optischen Kontakt mit ihr befindlichen, vorzugsweise runden Lichtleitstab kombinieren. Bei dieser Anwendung ist erfindungsgemaß der Ablenkwinkel aller Lichtstrahlen innerhalb des vorbestimmten Winkelbereiches so groß, daß sie unter Winkeln der Totalreflexion zur Wand des Lichtleitstabes verlaufen. Bei sinusförmigem Verlauf der Gitterstriche und aufgrund einer optimal

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an dem zu erfassenden Winkelbereich angepaßten Beugungsgitterdicke kann somit ein hoher Wirkungsgrad bezüglich des in die Winkel der Totalreflexion eintretenden Lichtes erzielt werden.

Das Beugungsgitter kann sowohl auf der Lichteintrittsmantelseite als auch auf der dem Lichteintritt diametral gegenüberliegenden Mantelseite angeordnet sein. Im letzteren Fall ist es als Reflexionsgitter ausgebildet.

Eine völlig neue Anordnung besteht jedoch darin, daß das Beugungsgitter entlang der Achse des Lichtleitstabes in diesen eingebettet ist, wobei die Breite des eingebetteten Beugungsgitters vorzugsweise lediglich einen Bruchteil des Lichtleitstabdurchmessers ausmacht.

Insbesondere bei der letztgenannten Ausführungsform· ist es vorteilhaft, wenn das unter einem Winkel in der Mitte des vorbestimmten Winkelbereiches auftreffende Licht unter einem Winkel von etwa.90° in den Lichtleitstab abgelenkt wird. Durch diese Ausführungen können die auch bei Totalreflexion noch auftretenden geringen Verluste fast vollständig vermieden werden. Da das Licht, das von einer abgetasteten Materialbahn zurückgeworfen wird bzw. durch sie hindurchgeht, nicht nur in der Einfallebene, sondern unter einem Raumwinkel gestreut wird, ist es auf jeden Fall zweckmäßig, wenn in an sich bekannter V/eise die in Ebenen senkrecht zur Stabachse befindlichen Divergenzlichtbundel durch eine parallel zum Lichtleitstab angeordnete Zylinderlinse und gegebenenfalls den runden Lichtleitstab auf das Beugungsgitter konzentriert sind.

Die Erfindung eignet sich grundsätzlich auch zur Erfassung von kontinuierlichen Lichtstrichen auf Materialbahnen.

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

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Figur 1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen Lichtsammelanordnung ohne Lichtleitstab, wobei die Erzeugung eines Abtastlichtfleckes auf einer Materialbahn durch einenparallel zu sich selbst verschobenen Fahrstrahl angenommen ist,

Figur 2 eine zu Fig. 1 analoge Ansicht, bei der jedoch ein innerhalb eines Sektors hin- und her geschwenkter Fahrstrahl verwendet wird,

Figur 3 eine zu Fig. 1 analoge Ansicht einer mit einem Lichtleitstab arbeitenden Lichtsammelanordnung gemäß der Erfindung,

Figur if eine Fig. 3 ähnliche Ansicht mit einer etwas anderen Ausbildung des Beugungsgitters,

Figur 5 einen schematischen Querschnitt des Gegenstandes der Fig. k,

Figur 6 eine zu Fig. 3 analoge Ansicht einer weiteren Ausführungsform mit einem auf der Lichteintrittsseite angeordneten Beugungsgitter,

Figur 7 einen schematischen Querschnitt des Gegenstandes der Fig. 6,

Figur 8 eine Ansicht analog Fig. 3 mit einer AnsOrdnung des Beugungsgitters an der dem Lichteintritt diametral gegenüberliegenden Mantelseite des Lichtleitstabes,

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Figur 9 einen schematischen Querschnitt des Gegenstandes der Fig. 8,

Figur 10 eine Fig. 6 entsprechende Ansicht eines Ausführun^sbeispiels, bei dem ein eine sektorförmige Bewegung ausführender Fahrstrahl verwendet wird, und

Figur 11 eine schematische Darstellung des Herstellungsvorganges für ein erfindungsgemäßes Beugungsgitter.

Nach Fig. 1 tastet ein in Richtung des Doppelpfeiles f hin- und hergehender scharf gebündelten Laserstrahl 20 vorgegebener Frequenz eine Materialbahn 16 quer zu ihrer Längsrichtung entlang einer Abtastlinie 17 ab. In jedem "Augenblick wird somit an einer anderen Stelle der Abtastlinie 1.7 ein scharfer Lichtfleck 18 auf der Oberfläche der Materialbahn 16 erzeugt. Insbesondere unter dem Reflexionswinkel wird dieses Licht in Form von Reflexionsstrahlen 12, 13 von der Oberfläche der Materialbahn 16 reflektiert. Es ist jedoch ebenso gut möglich das Licht durch eine transparente Materialbahn geradlinig hindurchtreten zu lassen. Die Erzeugung des Fahrstrahls 20 kann z.B. so vor sich gehen, wie das in der DE-OS 24 33 682 beschrieben ist. Aufgrund der individuellen Eigenschaften der ^ivlaterialbahn 16 wird nun das reflektierte bzw. hindurchgehende Licht in der Reflexions- bzw. Durchgangsebene innerhalb eines Winkelbereichs ¹Jf gestreut.

Nach Fig. 1 ist parallel zu der Abtastlinie 17 ein Beugungsgitter 11 angeordnet, dessen Beugungseigenschaften derart gewählt sind, daß bei der vorgegebenen Lichtfrequenz eine scharfe

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Ablenkung der innerhalb des Winkelbereichs *-f auftreffenden Lichtstrahlen 12 unter Winkeln Y bis Y¹ erfolgt. Im Wege sämtlicher dieser abgelenkten Lichtstrahlen wird ein photoempfindlicher Wandler 19 aufgestellt, welcher somit das gesamte innerhalb des vorbestimmten Winkelbereiches LP an unterschiedlichen Stellen der Länge des Beugungsgitters 11 auftreffendes Licht empfängt, und zwar unabhängig davon, an welcher Stelle das Licht auf das Beugungsgitter 11 auftrifft. In Fig. 1 sind beispielsweise zwei verschiedene Positionen des parallel zu sich selbst verschobenen Fahrstrahls 20 wiedergegeben. Die kleinste Wandlerflache wird bei einem mittleren Winkel^= erzielt.

Fig. 2 zeigt schematisch einen von einem Punkt 22 ausgehenden, eine sektorförmige Abtastbewegung in Richtung des Doppelpfeiles F ausführenden Fahrstrahl 21. An der Stelle 22 kann beispielsweise ein Schwingspiegel angeordnet sein, welcher von einem von einer feststehenden Lichtquelle ausgehenden Laserstrahl beaufschlagt wird. Aufgrund dieser Anordnung trifft der Fahrstrahl 21 je nach.seiner Winkellage unter unterschiedlichen Winkeln cc, et} bzw. oc" auf die Abtastlinie 1? der Materialbahn auf. Dementsprechend sind die von. der Materialbahn gestreuten Winkelbereiche ψ unter unterschiedlichen Winkeln zum Beugungsgitter 11 angeordnet. Um dies zu kompensieren, weist das Beugungsgitter 11 in Richtung von links nach rechts in Fig. eine abnehmende Gitterkonstante auf, was durch in grober Weise schematisch angedeutete, zunehmende Abstände der Gitterstriche von links nach rechts veranschaulicht ist. Demgemäß werden die weiter links auf das Beugungsgitter 11 auftreffenden Lichtstrahlen stärker abgelenkt als die in der Mitte oder weiter rechts auf das Beugungsgitter 11 auffallenden Lichtstrahlen.

Die gleichen Lichteintrittsstrahlen entsprechenden Lichtaustrittsstrahlen 23 treten aufgrund geeigneter Variation der Gitterkonstante unter gleichen Winkeln aus dem Beugungsgitter

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aus und treffen auf den photoelektrischen Wandler 19 in gleicher Weise wie bei dem Ausfuhrungsbeisρie1 nach Fig. 1. Die ständige Winkeländerung des Fahrstrahls 21 kann so auf einfachste Weise kompensiert werden.

Die Herstellung eines für die Zwecke der Erfindung geeigneten Beugungsgitters ist in Fig. 11 schematisch angedeutet.

Eine beispielsweise durch einen aufgeweiteten Laserstrahl gebildete kohärente ebene Welle vorbestimmter Frequenz trifft auf einen teildurchlässigen Spiegel 25 und wird hierdurch in eine Referenzwelle 26 und in eine Objektwelle 2Γ/ aufgespalten. Die Objektwelle wird durch abermalige Reflexion an Planspiegeln 28, 29 mit der Referenzwelle 26 in der aus Fig. 11 ersicht-'liehen Weise zum Schnitt gebracht. An der Schnittstelle wird ein photoempfindliches'Material 11 aufgestellt, in dem das durch die Überschneidung der Wellen 26, 2.7 gebildete Interferenzmuster latent aufgezeichnet wird. Nach Entwicklung liegt ein Beugungsgitter in Form eines Volumenhologramms vor.Bei Beaufschlagung dieses Hologramms mit einem der Referenzwelle 26 entsprechenden Lichtstrahl wird die Objektwelle in der in Fig. 11 gestrichelt angedeuteten Weise reproduziert. Es können somit durch geeignete Herstellung des Hologramms praktisch beliebige Ablenkwinkel verwirklicht werden, so daß man erfindungsgemäß mit relativ kleinflächigen photoelektrischen Wandlern 19 insbesondere dann auskommen kann, wenn der abzulenkende Winkelbereich ψ relativ schmal ist.

Der von dem Hologramm 11 durchgelassene Winkelbereich Lf hängt von der Dicke des Hologramms ab. Je dicker das Hologramm ist, umso größer die Winkeltrennschärfe. Optimal ist das Hologramm 11 dann ausgebildet, wenn gerade der vorbestimmte Winkelbereich L^> mit den Randstrahlen 12 durchgelassen wird, ein unter einem größeren Winkel auftreffender Strahl 13 (Fig. 1, 2) dagegen nicht.

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Ein relativ dickes Phasenhologramm ist vor allen Dingen deswegen vorteilhaft, weil sein Wirkungsgrad relativ hoch ist. Allerdings ist dann der durchgelassene Winkelbereich <-f beschränkt.

Um auch bei relativ großen Winkelbereichen t-f mit einem nicht zu großflächigen photoelektrischen Wandler 19 auskommen zu können, ist nach Fig. 3 das erfindungsgemäße Beugungsgitter in einen im Querschnitt runden Lichtleitstab 14 eingebettet. Die extremen Ablenkwinkel • , ^¹ werden so gewählt, daß das Licht sämtlicher Eintrittsstrahlen 12 unter Winkeln der Totalreflexion in den Lichtleitstab I4 eintritt. Es gelangt so weitgehend vollständig zum am Ende des Lichtleitstabes optisch angekoppelten photoelektrischen Wandler I9. Auch in der entgegengesetzten Stirnseite kann ein photoelektrischer Wandler 19 angeordnet sein. An dieser Stelle kann aber auch eine Spiegelfläche vorliegen.

Fig. 4 zeigt, wie.die Gitterkonstante des Beugungsgitters 11 bei Anordnung in einem Lichtleitstab I4 optimiert werden kann. Die Gitterkonstante wird hier nämlich so gewählt, daß der mittlere, senkrecht zur Stabachse 25 auftreffende Eintrittslichtstrahl 12¹ genau in Richtung der Stabachse 25, d.h. unter einem rechten Winkel abgelenkt wird. Die Randstrahlen 12 des Winkelbereichs ^f verlaufen damit nur unter relativ kleinen Winkeln zur Achse 25, so daß sie weitgehend ohne eine Totalreflexion zum photoelektrischen Wandler 19 gelangen. Sofern eine Totalreflexion stattfindet, erfolgt sie unter einem so-kleinen Winkel, daß Verluste hierbei praktisch nicht auftreten.

Nach den Fig. k und 5 ist vor dem Lichtleitstab und parallel zu ihm eine Zylinderlinse I5 angeordnet, welche den Zweck hat, zusammen mit der brechenden Wirkung des runden Lichtleitstabes

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das auch in der zur Stabachse 25 senkrechten Ebene von der Bahn gestreute Licht auf der Oberfläche des Beugungsgitters 11 in der aus Fig. 5 ersichtlichen V/eise zu konzentrieren und somit voll für die Messung auszunutzen. Aus Fig. 5 ist weiter ersichtlich, daß das in den Lichtleitstab 14 eingebettete Beugungsgitter 11 verglichen mit dem Durchmesser des Lichtlei tstabes IJf relativ schmal ist.

Nach Fig. 6, 7 ist das Beugungsgitter Π in einem schmalen Bereich der Lichteintrittsmantelseite des Lichtleitstabes 14 angeordnet. In diesem Fall ist es zweckmäßig, daß der kleinste Ablenkwinkel γ ' gegen O geht, um Totalreflexionen nach Möglichkeit zu vermeiden und dort, wo sie stattfinden, einen möglichst flachen Lichtauftreffwinkel zu erzielen.

Nach'Fig. 7 muß die Brechkraft der Zylinderlinse 15 etwas größer als bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4,5 sein, da hier zur Konzentration des in Ebenen senkrecht zur Stabachse 25 von der Abtastlinie 17 ausgehenden Lichtbündeln die Brechkraft des runden Lichtleitstabes 14 nicht mitwirkt.

Die Fig. 8 und 9 zeigen, daß das erfindungsgemäße Beugungsgitter auch an der dem Lichteintritt diametral gegenüberliegenden Mantelseite des Lichtleitstabes in optischem Kontakt mit diesem angeordnet sein kann. Das Beugungsgitter 11 ist in diesem Fall als Reflexionsgitter ausgebildet und kann ebenfalls nach einem Verfahren analog Fig. 11 hergestellt werden.

Nach Fig. 9 kann für die Konzentration des in Ebenen senkrecht zur Stabachse 25 konvergenten Lichtes die Brechkraft des Lichtleitstabes 14 wieder mitausgenutzt werden, so daß hier ähnliche Verhältnisse wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4» 5 vorliegen. Die Brechkraft der Zylinderlinse 15 braucht jedoch beim Ausführungsbeispiel der Fig. 8, 9 nicht ganz so groß wie bei dem

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Ausführungsbeispiel nach den Fig. ^f, 5 sein, da das Beugungsgitter 11 einen größeren Abstand von der Lichteintrittsseite hat.

Fig. 10 zeigt, daß auch bei den mit einem Lichtleitstab ausgestatteten erfindungsgemäßen Lichtsammelanordnungen ein eine sektorförmige Abt as t bewegung entsprechend Fig. 2 ausführender Fahrstrahl 21 verwendet werden kann. In Fig. 10 ist ein Lichtleitstab analog dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 6, 7 gezeigt, auf dessen Lichteintrittsseite ein Beugungsgitter 11 analog dem nach Fig. 2 angeordnet ist, so daß auch unter unterschiedlichen Winkeln auf das Beugungsgitter 11 auftreffende Lichtstrahlen als Ausgangsstrahlen 23 unter gleichen Winkeln zur Stabachse 25 in den Lichtleitstab 1^ eintreten. Die Totalreflexionsverhältnisse sind somit für sämtliche abgelenkten Strahlen 23 die gleichen, so daß bei gleich intensivem Eintrittslichtstrahl auch ein entsprechendes elektrisches Signal am . Ausgang des photoelektrischen Wandlers 19 erzielt wird.

Der Einfachheit halber sind im Anschluß an die Abtastlinie 17 in Fig. 10 nur die mittleren reflektierten Strahlen 12¹ gezeigt, während der tatsächlich vorhandene Winkelbereich ^f gemäß den vorangehenden Ausführungsbeispielen der Übersichtlichkeit halber fortgelassen ist.

Das erfindungsgemäße Beugungsgitter kann auch photοgraphisch oder mechanisch hergestellt werden. Es kann auch von einem bereits vorhandenen Gitter photochemisch oder thermoplastisch oder holographisch kopiert werden.

Wenn das Gitter geblazt ist, d.h., wenn das Gitter aufgrund seiner mechanischen Ausbildung bevorzugte Peflexionsrichtungen aufweist, können für ein Oberflächenphasengitter Ablenkungswirkungsgrade über 50 % erreicht werden.

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Zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig.k mit im wesentlichen parallel zur Stabachse 25 verlaufenden abgelenkten Lichtstrahlen ist noch zu bemerken, daß im Fall eines dicken Beugungsgitters 11 wegen der Bragg-Bedingung sichergestellt ist, daß am Stab reflektiertes Licht wegen des dabei auftretenden spiegelnden Reflexionswinkels bei nochmaligem Durchtritt durch das Gitter 11 seine Richtung nicht mehr in nachteiliger Weise ändert.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung lassen sich Wirkungsgrade bis nahe 100 % erreichen. Aufgrund der geringen Periodenlänge des Gitters von ca. einer halben Wellenlänge des verwendeten Lichtes tritt keine Modulation des abgelenkten Lichtes auf. Mit einem sektorförmig abtastenden Fahrstrahl kann annähernd die gleiche Präzision der Messung erreicht werden, wie mit einem parallel zu sich selbst verschobenen Fahrstrahl. Durch entsprechende Dickenwahl des Beugungsgitters kann eine Filterwirkung bezüglich der durchgelassenen Winkelbereiche erzielt werden.

Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Lichtsammelanordnung eine Kosteneinsparung beim Lichtleitstab und beim Gesamtsystem. Die Fehlererkennungssicherheit ist wesentlich erhöht.

Die Ablenkung des Mittelstrahls eines Winkelbereiches in eine Richtung parallel zum Beugungsgitter hat sowohl bei der Ausführung mit als auch, ohne Lichtleitstab den Vorteil, daß das Licht des Mittelstrahles sich nicht bis zum Ende des Beugungsgitters fortpflanzt, sondern sukzessive seitlich herausgestreut wird. Es gelangt also nicht zu dem im Bereich des Endes des Beugungsgitters vorgesehenen" photoelektrischen Wandler. Dies ist für die Fehlerermittlung ein großer Vorteil, wenn der Mittelstrahl der normalen, ungestörten Reflexion bzw. dem normalen, ungestörten Durchgang des Lichtes durch die Materialbahn entspricht und Fehler durch mehr oder weniger große Lichtablenkungen sich bemerkbar machen. Mit anderen Worten ermöglicht die Erfindung auf diese Weise eine Art Dunkelfeldbeleuchtung durch Eliminierung des sehr intensiven mittleren ■Lichtstrahles. Hinzu könnt der Vorteil, daß der photoelektrische Etapfanger bei der besagten Ablenkung des Mittelstrahles in eine Richtung parallel zum Beugungsgitter die minimal mögliche Fläche aufweisen kann.

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Ein besonderer Vorteil bei der Benutzung von Holograrrmen als Beugungsgitter besteht noch darin, daß man hier frei in der gewählten Richtung der rekonstruierten Welle ist. In Fig. 7 ist beispielsweise gezeigt, wie innerhalb der senkrecht zur Längsrichtung verlaufenden Ebene der Ablenkwinkel des auf treffenden Lichtes so gewählt werden kann, daß die abgelenkte Strahlung unter einan großen Winkel auf die Mantelfläche des runden Lichtleitstabes fällt und der nach Mehrfachreflexion auf das HoIograui zurückfallende Anteil gering ist. Das abgelenkte Licht ist in Fig.7 gestrichelt angedeutet. Es kann in dieser Ebene auch jede andere gewünschte Ablenkung verwirklicht werden.

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Claims

Pat ent an Sprüche:

1. Lichtsammelanordnung mit einer Lichtsammeifläche und einer im wesentlichen senkrecht dazu angeordneten länglichen optischen Lichtablenkvorrichtung zur Umlenkung von in Längsrichtung an unterschiedlichen Stellen mit einer wesentlichen Komponente senkrecht zur Längsrichtung unter Winkeln innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereiches auftreffenden, in einer Einfallsebene verlaufenden Lichtstrahlen in Richtung der Lichtsammeifläche, dadurch gekennze ichnet, daß die Lichtablenkvorrichtung ein Beugungsgitter (11) ist.

Lichtsammelanordnung nach Anspruch 1, dadurch geJcennzeichnet, daß das Beugungsgitter als Hologram insbesondere Phasenbologramm von solcher Dicke ausgebildet ist, daß gerade alle unter Winkeln des vorbestimmten Winkelbereiches (γ) auftreffenden Lichtstrahlen (12) unter Umlenkung durchgelassen werden, ausserhalb dieses Winkelbereiches (ψ>) liegende Lichtstrahlen(j3 ) dagegen nicht.

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3. Lichtsammelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der an allen Stellen entlang der Lichtablenkvorrichtung der Winkelbereich in gleicher Weise zur Längsrichtung gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (11) auf der gesamten Länge die gleiche Gitterkonstante hat.

k. Lichtsammelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der an wenigstens einigen Stellen entlang der Lichtablenkvorrichtung der Winkelbereich in unterschiedlicher Weise zur Längsrichtung gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstante des Beugungsgitters (11) in Längs-

' richtung derart veränderlich ist, daß trotz der veränderlichen Richtung des Winkelbereiches an allen Stellen entlang der Längsrichtung die abgelenkten Strahlen im wesentlichen die gleiche Richtung haben.

5. Lichtsammelanordnung nach Anspruch 1+ zur Ablenkung des von einer mit einem sektorförmig bewegten Abtaststrahl überstrichenen Materialbahn kommenden Lichtes, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstante entsprechend dem Auftreffwinkel (cc,oC #C^U) auf die Bahn zur Erzielung einer im wesentlichen gleichen Richtung aller abgelenkten Strahlen stetig zu- bzw. abnimmt.

6. Lichtsammelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem sich parallel zu der Lichtablenkvorrichtung erstreckenden und im optischen Kontakt mit ihr befindlichen vorzugsweise runden Lichtleitstab, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkwinkel (J^, $* ) aller Lichtstrahlen innerhalb des vorbestimmten Winkelbereiches (iß so groß .ist, daß sie unter Winkeln der Totalreflexion zur Wand des Lichtleitstabes (14) verlaufen.

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7. Lichtsammelanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (11) auf der Lichteintrittsmant eis exte des Lichtleitstabes (1Zf) angeordnet ist.

8. Lichtsammelanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter auf der dem Lichteintritt diamentral gegenüberliegenden Mantelseite des Lichtleitstabes (14) angeordnet und als Reflexionsgitter ausgebildet ist.

9. Lichtsammelanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter entlang der Achse des Lichtleitstabes (1 Zf) in diesen eingebettet ist.

10. Lichtsammelanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das unter einem V/inkel in der Mitte des vorbestimmten Winkelbereiches (*f) auftreffende Licht unter einem Winkel von etwa 90 abgelenkt wird.

11. Lichtsammelanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des eingebetteten Beugungsgitters (11) lediglich einen Bruchteil des Lichtleitstabdurchmessers ausmacht.

12. Lichtsammelanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die in Ebenen senkrecht zur Stabachse befindlichen divergenten Lichtbündel durch eine parallel zum Lichtleitstab (IZf) angeordnete Zylinderlinse (15) und gegebenenfalls den runden Lichtleitstab (1Zf) auf das Beugungsgitter (11) konzentriert sind.

13. Lichtsairanelanordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet , daß die Lichtstrahlen (12) des Winkelbereiches ( }/ ) im Mittel parallel zur Oberfläche des Beugungsgitters abgelenkt werden.

130036/0136

BAD ORIGINAL