DE3932458A1 - Verfahren zum gegenseitigen ausrichten einer optischen energiequelle und eines lichtleiters sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents
Verfahren zum gegenseitigen ausrichten einer optischen energiequelle und eines lichtleiters sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gegenseitigen
Ausrichten einer optischen Energiequelle und eines Licht
leiters sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens.
Lichtleiter werden in steigendem Maße zur Weiterleitung von
verschiedenen Quellen ausgehender optischer Energie
verwendet. In der Fernmeldetechnik übertragen Lichtleiter
gepulste modulierte Signale, die von Laser-Dioden ausgehen.
Bei Lichtleiter-Sensoren übertragen sie Informationen über
die Intensität und die Wellenlänge, welche die "abge
tastete" Substanz kennzeichnen. In der Industrie werden sie
zur Übertragung von Laser-Strahlen hoher Leistung zum
Schneiden und/oder Glühen von Materialien verwendet. In der
Laser-Chirurgie übertragen Lichtleiter Laser-Strahlen hoher
Leistung, die Gewebe schneiden und verdampfen.
In all diesen Fällen erfordert die ordnungsgemäße Ver
wendung von Lichtleitern eine präzise optische Ausrichtung
der optischen Energiequelle zum Lichtleiter. In Abhängig
keit von der Anwendung kann die Lichtquelle ein kon
ventioneller Laser, eine Laser-Diode, eine LED-Lichtquelle
oder ein anderer, optische Energie übertragender Licht
leiter sein. Bei vielen Anwendungen hat die Industrie die
dimensionalen Toleranzen standardisiert, was eine leichte
Ausrichtung der Quelle zum Lichtleiter ermöglicht. Dies ist
der Fall in der Fernmeldeindustrie, wo die Dioden sowie die
Lichtleiter-Verbindungen und -Komponenten sich nach
Präzisionsnormen richten. Derartige Normen machen die
Verbindung und Ausrichtung von Quelle und Lichtleiter
leicht. Im allgemeinen jedoch ist auf anderen Anwendungs
feldern eine Normung zwischen Quelle und Lichtleiter nicht
vorhanden oder nicht möglich. Dies ist der Fall bei der
Ankopplung üblicher Laser an Lichtleiter für industrielle,
medizinische und viele sensierenden Anwendungen.
Die Ausrichtung von nicht genormten Komponenten oder
Komponenten, bei denen die Quelle sich von Verbindung zu
Verbindung bewegen kann (wie dies bei gelenkig verbundenen
Armen der Fall ist), erfordert kostspielige, zeitaufwendige
Verfahren und sehr gut ausgebildetes Personal. Diese
Techniken erfordern eine stabile optische Bank oder
Oberfläche zur Festlegung von Referenzpunkten für optische
Instrumente, empfindliche und häufig kostspielige Detek
toren zur Messung der Bestrahlungsstärke von optischen
Quellen, Blenden zum Blockieren unerwünschter Strahlung und
Präzisions-Manipulatoren zur gegenseitigen Bewegung von
Komponenten, um die gewünschte Ausrichtung zu erhalten.
Zusätzlich zu dem kostspieligen, zeitaufwendigen und
empfindlichen Aufbau erlauben es bei der Anwendung solcher
Techniken die Detektoren und mit ihnen verbundene In
strumente häufig nicht, die optische Quelle an ihrem
Brennpunkt auszumessen. Dies ist auf die körperliche Größe
der verfügbaren Detektoren zurückzuführen. Insbesondere
tritt dies auf, wenn der Brennpunkt der Quelle innerhalb
einer ausrichtenden Einfassung angeordnet ist. Der Licht
leiter ist in einem Paßstift gehaltert. Den Lichtleiter
möchte man an der Basis der ausrichtenden Einfassung (wo
der Strahl fokussiert ist) anordnen und auf diese Weise den
Lichtleiter ausrichten. Es besteht daher ein Bedürfnis nach
einer Vorrichtung, mit der es leicht und ohne Kostenaufwand
möglich ist, die Quelle und einen Lichtleiter optisch
aufeinander auszurichten.
Bei mit Lichtleitern aufgebauten Detektoren zur Leistungs
messung werden fast ausschließlich Festkörper-Photodioden
verwendet. Die kleine Abtastfläche ermöglicht eine genaue
Positionierung des optischen Bündels. Sie werden auch
verwendet, weil ihre optische Bandbreite im Bereich der am
häufigsten verwendeten Lichtleiter liegt. In der Fern
meldetechnik verwendete Lichtleiter und an sie ange
schlossene Instrumente sind und bleiben die Hauptstütze der
Lichtleiterindustrie. Die optischen Wellenlängen, die von
Festkörper-Photodioden empfangen werden, reichen bei
Silicium von 400 bis 1100 Mikron, bei Germanium von 800
bis 1800 Mikron, bei Indium-Galium-Arsenid von 900 bis
1800 Mikron, bei Quecksilber-Kadmium-Tellurid von 1000
bis 1300 Mikron. Diese Detektoren können typischerweise
Gesamtleistungen im Bereich von einem Picowatt bis zu
einigen zehn Milliwatt messen. Die aktive Fläche des
Detektors kann von einer Größe im Bereich von 10-3 mm2 für
einige Quecksilber-Kadmium-Tellurid-Detektoren über
Bruchteile von einem Millimeter für Germanium- und Sili
cium-Detektoren zu Flächen im Größenbereich von mehreren
cm2 für Detektorfelder reichen.
Detektoren zur Ausmessung von Quellen mit hoher Leistung
und/oder großer Wellenlänge sind im allgemeinen selbst
nicht direkt für die präzise Ausrichtung fokussierter
optischer Bündel auf Lichtleiter geeignet. Derartige
Wandler enthalten Thermosäulen und pyroelektrische Detek
toren. Diese Vorrichtungen sind im allgemeinen größer mit
aktiven Flächen, die viel größer sind als die Durchmesser
des Bündels und des Lichtleiters. Präzisionsblenden, die
alles außer einer kleinen Fläche des Detektors abdecken,
müssen verwendet werden, um die aktive Fläche des Detektors
einzuschränken. Diese schwerfällige, jedoch effektive
Technik wird häufig bei Anwendungen mit höheren Leistungen
und/oder größeren Wellenlängen eingesetzt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur optischen Ausrichtung einer strahlenden
Energiequelle auf einen optischen Wellenleiter, beispiels
weise einen Lichtleiter. Sie umfaßt eine preisgünstige,
dauerhafte und leicht zu verwendende, das Bündel abtastende
Einrichtung zur Erzeugung eines auf die geeignete optische,
sowohl koaxial als auch im optischen Zentrum des Wellen
leiters liegende Ausrichtung des Bündels ansprechenden
Signals.
Das Verfahren nach der Erfindung umfaßt die Verfahrens
stufen des Einsetzens eines optischen Detektors in eine
bewegbare Halterung, des Beleuchtens des optischen Detek
tors mittels einer optischen Energiequelle zur Erzeugung
eines Ausgangssignals am Detektor, das repräsentativ für
die auf den Detektor auffallende Beleuchtungsintensität
ist, des Bewegens der Quelle oder der Halterung in eine
Position, in der das Ausgangssignal des Detektors der
maximalen Beleuchtungsintensität entspricht, des Fest
haltens der bewegten Quelle oder Halterung in besagter
Position und des Ersetzens des optischen Detektors durch
einen auszurichtenden Lichtleiter.
Die Vorrichtung nach der Erfindung umfaßt eine Halterung,
eine Lichtquelle, einen optischen Detektor, der heraus
nehmbar in der Halterung angeordnet ist, zur Beleuchtung
durch die Lichtquelle, einen an den Ausgang des optischen
Detektors angeschlossenen Schaltkreis zur Feststellung,
wann das Ausgangssignal des optischen Detektors der
maximalen Beleuchtungsintensität entspricht, und Mittel zur
Bewegung besagter Halterung oder besagter Lichtquelle in
eine Position, in welcher das Ausgangssignal des Detektors
der maximalen Beleuchtungsintensität entspricht.
Zum Zweck der Darstellung der Erfindung ist in den Zeich
nungen eine Ausführungsform dargestellt, die zur Zeit
bevorzugt wird. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die
Erfindung durch die gezeigten genauen Anordnungen und
Instrumentierungen nicht begrenzt ist.
Fig. 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine
Vorrichtung zur Ausrichtung eines Lichtleiters gemäß der
vorliegenden Erfindung.
Fig. 2. zeigt in vereinfachter Darstellung einen Licht
leiter nach Ausrichtung auf eine als Laser ausgebildete
Lichtquelle.
Die Fig. 3 und 4 zeigen in vereinfachter Darstellung einen
als Thermoelement ausgebildeten Detektor für die Vor
richtung zur Ausrichtung nach Fig. 1.
In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche
Elemente bezeichnen, ist in Fig. 1 eine Vorrichtung 10 zur
Ausrichtung eines Lichtleiters nach der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10
ist in Verbindung mit einer Lichtquelle 12 dargestellt, die
als Laser ausgebildet ist; es wird aber darauf hingewiesen,
daß jede Lichtquelle verwendet werden kann, ohne den
Bereich der Erfindung zu verlassen. Ein kleiner, preis
günstiger Detektor 14, beispielsweise ein Thermoelement,
ist in einer Ausrichtungsfassung 16 gehaltert, die auf der
Ausrichtungsachse 18 des Lichtleiters 20 angeordnet ist.
Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, sind die Ausrichtungs
achsen 18 der Vorrichtung zur Ausrichtung des Lichtleiters
und des Lichtleiters selbst austauschbar.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist in Fig. 2 ein
zylindrischer Lichtleiter 20 dargestellt, der in einen
zylindrischen Paßstift 22 eingesetzt ist. Eine derartige
geometrische Anordnung ist allgemein bekannt. Es wird
jedoch darauf hingewiesen, daß jede geometrische Anordnung
eines Lichtleiters innerhalb eines Paßstiftes im Bereich
der Erfindung liegt. Bei dieser zylindrischen Geometrie ist
der Detektor 14 genau in einem Paßstift 24 angeordnet, der
identisch mit dem Paßstift 22 ist. Der Detektor 14 und der
Paßstift 24 können leicht und genau hergestellt und in der
Ausrichtungsfassung 16 unter Verwendung einer Vergröße
rungslinse, eines Mikroskops oder einer mechanischen
Ausrichtungshülse angeordnet werden. Die Detektor/Paß
stift-Einheit kann dann in einfacher Weise in die Aus
richtungsfassung 16 in identischer Weise wie der Licht
leiter 20 eingesetzt werden. Ein X,Y,Z-Manipulator, der die
Ausrichtung ermöglicht, kann nun justiert werden. Wie dem
Fachmann verständlich, ermöglicht der X,Y,Z-Manipulator,
ein optisches Element entlang der Achsen X, Y und Z zu
bewegen, wie dies in Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Der
Manipulator kann wahlweise am Laser 12, einer zwischen den
Laser 12 und den Detektor 14 eingeschalteten Sammellinse 26
oder an der Ausrichtungsfassung 16 je nach Wunsch ange
ordnet werden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2
wird die Linse 26 bewegt, obwohl der Laser 12 oder die
Ausrichtungsfassung 16 bewegt werden könnten, ohne den
Bereich der Erfindung zu verlassen. Der X,Y,Z-Manipulator
wird so eingestellt, daß er das vom Laser 12 ausgehende
Lichtbündel 28 verschiebt, bis am Detektor 14 ein Signal
beobachtet wird. Das vom Detektor 14 ausgehende Signal kann
einem Signalverarbeitungskreis 30 zugeführt werden, der
vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, einen loga
rithmischen Verstärker enthält.
Bei dem geoffenbarten System ist die Empfindlichkeit der
Vorrichtung zur Ausrichtung des Lichtleiters genügend groß,
um die Ausrichtung eines Laserbündels zu ermöglichen, das
anfänglich weit vom Zentrum der Ausrichtungsachse entfernt
war. Die Verwendung eines logarithmischen Verstärkers oder
einer Kombination von linearen und logarithmischen Ver
stärkern ermöglicht die Erfassung sowohl kleiner Signale
als auch sehr großer Signale ohne Sättigung der Verstärker.
Diese Methode ermöglicht eine ausgezeichnete Empfindlich
keit über einen breiten Signalbereich, insbesondere bei
einem nach einer Gauß-Verteilung oder nahezu einer Gauß-
Verteilung aufgebauten Laserbündel.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Detektors 14 ist in
etwas größerer Ausführlichkeit in den Fig. 3 und 4 dar
gestellt. Der Detektor 14 besitzt einen Paßstift 32, der
vorzugsweise aus keramischem Material besteht, aber auch
aus irgendeinem anderen geeigneten Material bestehen kann.
Der Stift 32 besitzt zwei parallele Längsbohrungen 34, 36,
durch welche die Drähte 38 und 40 des Thermoelementes
hindurchgeführt sind. Wie bei allen Thermoelementen
bestehen die Drähte 38, 40 aus ungleichartigen Metallen.
Die Drähte 38 und 40 sind an einem Ende über eine Ver
bindung 42 zur Bildung einer thermoelektrischen Verbindung
miteinander verbunden, während die entgegengesetzten Enden
der Drähte 38 und 40 mit dem Eingang des Signalverar
beitungskreises 30 verbunden sind.
Bei dem geoffenbarten System wird zur Verwendung der
Vorrichtung zur Ausrichtung des Lichtleiters der Detektor
14 einfach in die Ausrichtungsfassung 16 in einer Weise
eingesetzt, die identisch mit der Art ist, in der der
auszurichtende Lichtleiter eingesetzt wird. Der X,Y,Z-
Manipulator wird entweder in sequentieller oder nicht
sequentieller Weise (obwohl eine sequentielle Weise
bevorzugt wird) gehandhabt, bis das vom Verstärker ab
gegebene Ausgangssignal ein Maximum erreicht. Um eine
hinreichend sichtbare Anzeige für das Verstärkerausgangs
signal zu erhalten, kann der Verstärkerausgang mit einer
Reihe von Licht aussendenden Dioden oder Leuchtdioden
verbunden sein. Das Ausgangssignal des Verstärkers erreicht
ein Maximum, wenn die größte Anzahl der vom Verstärker
angesteuerten Leuchtdioden erleuchtet ist. Wenn die
maximale Anzahl von Leuchtdioden erleuchtet ist, fluchten
die optischen Achsen des Lasers 12 und der Ausrichtungs
fassung 16 zueinander. Die Linse 26 wird dann in dieser
Stellung festgehalten, der Detektor 14 mit dem Stift 24 und
dem Schaltkreis 30 werden abgenommen und der Lichtleiter 20
wird einfach in die Ausrichtungsfassung 16 eingesetzt.
Damit ist der Ausrichtungsvorgang vervollständigt.
Das Grundkonzept der Erfindung kann bei nahezu jedem
Leistungspegel im Bereich von Picowatt bis zu einigen
Zehnern von Watt und für Wellenlängen im Bereich vom
Ultraviolett bis zum Infrarot verwendet werden, sofern ein
geeigneter Detektor ausgewählt wird.
Im sichtbaren und im nahen Infrarotbereich des Spektrums,
in dem die Leistung niedrig ist (Picowatt bis Milliwatt) ,
können Festkörper-Dioden als Detektoren eingesetzt werden.
Für Anwendungen bei höherer Leistung und/oder größerer
Wellenlänge (Milliwatt bis Watt) kann ein einziges Thermo
element verwendet werden.
In allen Fällen muß die empfindliche Fläche des Detektors
kleiner sein als die Größe des durch das einfallende Bündel
erzeugten Lichtflecks und/oder des Auftreffbereiches. Die
Empfindlichkeit und Genauigkeit des Systems ist festgelegt
durch die Leistung, die vom Detektor in Abhängigkeit von
dem Intensitätsprofil des einfallenden Lichtbündels erfaßt
wird. Die unten angegebene Gleichung faßt diese Abhängig
keit zusammen, wobei Eo = Spitzenwert der Bündelintensität,
Wo=Bündelverlust, W(z) = Lichtfleckgröße an der Stelle Z
in axialer Richtung und x,y = Detektorgröße bedeuten.
Bei Anwendungen mit hoher Leistung, bei denen Thermoele
mente als Detektoren verwendet werden, sollte die Paß
stifthalterung des Thermoelementes eine solche geometrische
Form besitzen, daß ein Fehlersignal, welches durch die
aufgrund der vom Stift absorbierten Energie entstehende
Wärmestrahlung erzeugt wird, begrenzt bleibt. Die vom Stift
abgestrahlte Wärme reduziert die Empfindlichkeit des
Detektors durch Anhebung der Umgebungstemperatur und
bewirkt damit eine Herabsetzung des Signal/Rausch-Ver
hältnisses.
Claims (6)
1. Verfahren zum gegenseitigen Ausrichten einer optischen
Energiequelle und eines Lichtleiters, gekennzeichnet durch
folgende Verfahrensschritte:
- a) Einsetzen eines optischen Detektors (14) in eine Halterung (16);
- b) Beleuchten des optischen Detektors (14) mittels einer optischen Energiequelle (12) zur Erzeugung eines Aus gangssignals am Detektor (14), das ein Maß für die auf den Detektor auffallende Beleuchtungsintensität darstellt;
- c) Bewegen der Quelle (12) oder der Halterung (16) in eine Position, in der das Ausgangssignal des Detektors (14) der maximalen Beleuchtungsintensität entspricht;
- d) Festhalten der bewegten Quelle (12) oder Halterung (16) in besagter Position;
- e) Ersetzen des optischen Detektors (14) durch einen auszurichtenden Lichtleiter (20).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
bei dem Verfahrensschritt des Bewegens der Quelle (12) oder
der Halterung (16) die Bewegung entlang mindestens einer
von drei jeweils orthogonal zueinander stehenden Achsen
(X, Y, Z) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
bei dem Verfahrensschritt des Bewegens der Quelle (12) oder
der Halterung (16) die Bewegung zuerst entlang einer ersten
Achse (X), dann entlang einer zweiten Achse (Y) und
schließlich entlang einer dritten Achse (Z) besagter,
orthogonal zueinander stehender Achsen erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
bei dem Verfahrensschritt des Beleuchtens die Beleuchtung
des optischen Detektors (14) durch eine Sammellinse (26)
erfolgt und bei dem Verfahrensschritt des Bewegens die
Quelle (12) oder die Sammellinse (26) oder die Halterung
(16) bewegt werden.
5. Vorrichtung zum gegenseitigen Ausrichten einer optischen
Energiequelle und eines Lichtleiters nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
- a) eine Halterung (16);
- b) eine Lichtquelle (12);
- c) einen optischen Detektor (14), der herausnehmbar in besagter Halterung (16) angeordnet ist, zur Beleuchtung durch besagte Lichtquelle (12);
- d) einen an den Ausgang des optischen Detektors (14) angeschlossenen Schaltkreis (30) zur Feststellung, wann das Ausgangssignal des optischen Detektors (14) der maximalen Beleuchtungsintensität entspricht;
- e) Mittel zur Bewegung besagter Halterung (16) oder besagter Lichtquelle (12) in eine Position, in welcher das Ausgangssignal des Detektors (14) der maximalen Beleuch tungsintensität entspricht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine
zwischen der Halterung (16) und der Lichtquelle (12)
angeordnete Sammellinse (26) sowie Mittel zur bewegung der
Halterung (16) oder der Sammellinse (26) oder der Licht
quelle (12) in eine Position, in welcher das Ausgangssignal
des Detektors (14) der maximalen Beleuchtungsintensität
entspricht.
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