DE3943470A1 - Gegenstands-naeherungs und troepfchendetektor - Google Patents
Gegenstands-naeherungs und troepfchendetektorInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Gegenstands-, Näherungs- und
Tröpfchendetektor auf der Basis eines Laser-Sensors mit einem
durch einen externen Reflektor begrenzten externen Resonator,
bei dem das vom Laser ausgesandte Licht den externen Resonator
durchsetzt und wieder in den Laser zurückreflektiert wird, so
daß die Zustände bzw. Zustandsänderungen im externen Resonator
zur Beeinflussung der Lichterzeugung im Laser führen und daher
durch Beobachtung der Lichterzeugung des Lasers gemessen werden
können.
Damit ist es möglich, die Längenänderung des externen
Resonators, die Winkelverkippung des externen Reflektors
gegenüber der Senkrechten der optischen Achse, und vor allem die
Rechtwinklichkeit des externen Reflektors gegenüber der
optischen Achse, zu prüfen, ebenso kann man den Brechungsindex n
des Mediums messen, das sich in dem vom Laserstrahl durchsetzten
Raum des externen Resonators befindet.
Laser, und speziell Halbleiterlaser mit externen Resonatoren
sind als Sender für verschiedenene technische Systeme, auch
Längen- und Winkelmeßsysteme und Interferometer bekannt und
beschrieben,
(z.B. EP 02 06 745, 00 90 485, 01 40 820, 02 57 898, 02 06 661, 02 13 965),
dabei dient der externe Resonator zur gezielten Steuerung der
Sendeeigenschaften des Lasers, auch die Modulation solcher
Systeme ist beschrieben, z.B. von
E.M. Strzelecki et.al. in "Journal of Lightwave Technology"
Vol. 6, Nr. 10, Okt. 1988, S. 1610-18,
wo ein modulierter Laserstrahl für ein LIDAR-Entfernungsmeßgerät
erzeugt wird.
In all diesen Systemen ist aber der Laser als Sender und das
Meßgerät selbst getrennt, eine Rückstrahlung des Lichts in den
Laser wird nicht zur Messung benutzt.
Eine solche Anwendung, in der also der Laser mit externem
Resonator als Sensor selbst benutzt wird, und die Beobachtung
der Rückwirkung des ext. Resonators auf den Laser in
Abhängigkeit der zu messenden Größe zur Messung derselben
herangezogen wird, ist jedoch ebenfalls beschrieben, wie von
R.O. Miles et.al. in "Journal of Lightwave Technology" Vol. LT-1,
Nr. 1, März 1983, S. 8-3.
Dort sieht man auf S. 85, wie z.B. die Veränderung der Länge des
externen Resonators zu periodischen Schwankungen in der
Intensität des vom Laser emittierten Lichts führt.
Aus der Beobachtung dieser Schwankungen kann aber nicht auf die
Richtung der Längenänderung geschlossen werden, man weiß also
nicht, ob der ext. Resonator länger oder kürzer wird, oder ob,
im schlimmsten Fall, der externe Reflektor um eine Ruhelage
herum schwingt und dadurch Intensitätschwankungen erzeugt, die
eine Bewegung vortäuschen, was bei Empfindlichkeiten im nm-
Bereich häufig der Fall ist.
Diese Eigenschaften schränken die praktische Verwendbarkeit
solcher Sensoren sehr stark ein.
Es wurden bisher auch nur Längenänderung und Winkelverkippung
mit externen Resonatoren gemessen.
Der vorliegenden Erfindung liegt, ausgehend von diesem Stand der
Technik, die Aufgabe zugrunde, solche Nachteile und
Einschränkungen zu beseitigen und,
zum einen,
eine Richtungserkennung der zu messenden Größen zu ermöglichen,
wobei neben der Längenänderung des externen Resonators auch die
Winkelverkippung des externen Reflektors gegenüber der
Senkrechten der optischen Achse und der Brechungsindex des
Mediums im externen Resonator meßbar sind, ferner die Auflösung,
die Stabilität und die Justierbarkeit der Sensoren zu erhöhen,
und,
zum anderen,
als externe Reflektoren nicht nur gezielt bewegte optische
Elemente zu verwenden, sondern auch andere reflektierende
Objekte, wie etwa drehende Wellen, wobei unter anderem deren
Drehzahl gemessen werden kann, ohne daß an der Welle etwas
befestigt, oder verändert werden muß, oder Gegenstände, Flächen
und Tropfen, die detektiert und gezählt werden können.
Diese Aufgabe wird mit einem Laser-Sensor mit externem Resonator
gelöst, bei dem die Form der Lichtintensitätsschwankungen, die
durch die Meßgröße entstehen, zur Richtungserkennung ausgewertet
wird, oder durch Modulation der im folgenden "Lasersystem"
genannten Einheit aus Laser und externem Resonator, wobei die
Verschiebung der Lichtintensitätsschwankungen gegenüber dem
Modulationssignal zur Bestimmung der Meßgröße und deren Richtung
benutzt wird.
Neu ist bei dieser Erfindung also die Richtungserkennung für die
zu messende Größe durch Auswertung der Form der auftretenden
Signale, bzw. durch Modulation des Lasersystems, wobei nicht nur
die Modulation der inkrementell zu messenden Größe, also z. B.
der Länge L, zum Erfolg führt, sondern auch die einer anderen,
das Lasersystem beeinflussenden Größe, also z.B die der
Pumpenergie, speziell des Pumpstromes I, dies ist gewiß nicht
naheliegend, und zudem bringt die Modulation auch andere große
Vorteile, wie später genauer beschrieben wird.
Ebenso sind als Reflektoren der externen Resonatoren von Lasern,
speziell Halbleiterlasern, ausschließlich feststehende, oder
gezielt bewegte optische Elemente, wie Spiegel, Gitter oder
Halbleiterkristalle, bekannt.
Diese Erfindung beschreibt als externen Reflektor die Verwendung
z.B. einer rotierenden Welle oder Scheibe, die nur eine gewisse
Reflektivität aufweisen müssen, nicht aber eine besondere
Oberflächengüte, wodurch die Drehzahl und die Winkelposition der
Welle oder Scheibe ebenso wie die Oberflächenbeschaffenheit und
Unwucht, bzw. Lagerspiel derselben bestimmt werden können.
In diesem Zusammenhang ist EP-A-01 49 769 zu nennen, gegenüber dem
aber die hier vorliegende Erfindung einige Vorteile und
Unterschiede aufweist:
- - Die Lichtquelle in o.g. Patent sendet Licht auf das zu messende Objekt, das danach vom Lichtempfänger empfangen wird. Eine Rückreflexion in die Quelle findet nicht statt.
- - Das Licht muß über Lichtleiter an das Objekt heran- und von ihm weggeführt werden, dies ist bei vorliegender Erfindung nicht notwendig, da der Laser-Sensor, speziell bei Verwendung eines Halbleiterlasers, kompakt genug gebaut werden kann.
- - Oben genanntes Patent benötigt eine aufgeschraubte Sechskantmutter oder allg. einen Lichtmodulator um genügend Reflexionsunterschiede während einer Umdrehung zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung dagegen kann selbst die Umdrehung
einer blanken Welle, radial und axial, messen, und, wenn sie
mit einem parallelen Strahl arbeitet, weiter von der Welle
entfernt angeordnet werden.
- - Die Meßempfindlichkeit des o.g.Patents (der Lichtaustritt an den gespleißten Lichtleitern ist ja stark divergent) entspricht der einfachsten und preiswertesten Version der vorliegenden Erfindung, also ohne Kollimator.
Die Unterbrechung oder Abschwächung des Laserstrahls durch
absorbierende Objekte zur Zählung derselben ist naheliegend,
nicht aber die Tatsache, daß die Rückreflexion durch diese
Objekte in den Laser, bei geeigneter Justage, deutliche
Lichtleistungsschwankungen des Lasers hervorrufen können, und
zwar ohne Vorhandensein eines anderen externen Reflektors.
Einzige Bedingung ist, daß sie eine gewisse Reflektivität
aufweisen müssen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter
Verwendung eines Halbleiterlasers anhand von Zeichnungen näher
erläutert:
Fig. 1 zeigt den Aufbau des Laser-Sensors zur Messung von Länge L
und Verkippwinkel α.
Fig. 2 zeigt die auftretenden impulsförmigen
Lichtintensitätsschwankungen im Signal s bei Veränderung
der Länge L.
Fig. 3 zeigt die dreieckförmige Modulation der Länge L, die
auftretenden Impulse in s, und Verschiebung der Impulse
gegenüber dem Modulationsignal.
Fig. 4 zeigt die dreieckförmige Modulation des Pumpstroms I und
die auftretenden Signale an s.
Fig. 5 zeigt den Aufbau des Laser-Sensors zur Messung des
Brechungsindex n im Raum N.
Fig. 6 zeigt die Anwendung des Laser-Sensors als Autokollimator.
Fig. 7 zeigt die Anwendung des Laser-Sensors zur Messung an
drehenden Wellen, radial in Fig. 7c, axial in Fig. 7b und
zur Detektion von reflektierenden Objekten in Fig. 7a.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. 1.
Ein Laser, hier speziell ein Halbleiterlaser HL wird mit einem
Strom I gepumpt und sendet üblicherweise an Vorder- und
Rückseite Laserlicht der Wellenlänge λ aus, sobald der Strom I
die sog. Laserschwelle überschreitet.
Als Laser können z.B. die Laserdioden Sharp LT 30, LT 26 und
Phillips CQL 20 verwendet werden, die die Photodiode PD in ihrem
Gehäuse integriert haben.
Der Laserstrahl an der Vorderseite wird hier über einen
Kollimator K gebündelt, für den sich käufliche Kollimatoren
ebenso eignen wie Mikroskopobjektive oder Konvexlinsen mit
möglichst kurzer Brennweite, wobei der Austrittskanal des Lasers
in den Brennpunkt des Kollimators positioniert wird, so daß der
Laserstrahl möglichst gut parallelisiert wird.
Die Verwendung einer einzigen Linse hat sich hier als günstiger
erwiesen als Mehrlinsensysteme.
Dieser parallelisierte Strahl fällt auf einen Reflektor R, der
ein einfacher Spiegel sein kann, und wird von diesem über den
Kollimator K in den Laser zurückreflektiert, dazu muß der
Reflektor R so justiert werden, daß er zur optischen Achse der
Vorrichtung senkrecht steht.
Die Intensität des vom Laser erzeugten Lichts wird mit der
Photodiode PD gemessen, die im Strahlengang des rückwärtig
ausgestrahlten Laserlichts liegt, und deren Signal von einer
Auswerteeinheit AE ausgewertet wird.
Die Lichtintensität des Lasers kann aber auch mit einem
Strahlteiler SL und einer Photodiode PDE, wie in Fig. 1
gestrichelt gezeichnet, gemessen, und an die Auswerteeinheit AE
weitergemeldet werden.
Ebenso ist es möglich, als Reflektor R eine Photodiode zu
verwenden, soweit deren Oberfläche reflektierend ist, und damit
die Lichtintensität des Lasers zu messen.
In einer Anordnung, die aus Halbleiterlaser HL und externem
Resonator, also Raum N und Reflektor R besteht, mit, oder ohne
Kollimator K, und hier "Lasersystem" genannt wird, treten unter
anderem folende Effekte auf:
Stellt man einen konstanten Strom I so ein, daß der Halbleiterlaser HL im Laserbereich arbeitet, und verschiebt man den Reflektor R entlang der optischen Achse um einen Weg Δx, so stellt man in der Lichtintensität des HL, bzw. im Signal s Schwankungen fest, die bei entsprechender Justage der Anordnung und des Stromes I deutlich erkennbare Impulse sind, und immer dann auftreten, wenn der Reflektor R um einen Weg verschoben wurde, der der halben Wellenlänge des emittierten Laserlichts entspricht.
Stellt man einen konstanten Strom I so ein, daß der Halbleiterlaser HL im Laserbereich arbeitet, und verschiebt man den Reflektor R entlang der optischen Achse um einen Weg Δx, so stellt man in der Lichtintensität des HL, bzw. im Signal s Schwankungen fest, die bei entsprechender Justage der Anordnung und des Stromes I deutlich erkennbare Impulse sind, und immer dann auftreten, wenn der Reflektor R um einen Weg verschoben wurde, der der halben Wellenlänge des emittierten Laserlichts entspricht.
Dieser Effekt ermöglicht den Aufbau eines inkrementalen
Längenmeßsystems, es wurden Wege über mehrere cm gemessen.
Genauere Überlegungen zeigen, daß der Abstand der Impulse auch
vom Brechungsindex des Mediums abhängt, das sich im vom
Laserstrahl durchsetzten Raum N des externen Resonators
befindet.
Ebenso ergeben sich Impulse bei einer Verkippung der Reflektors
R aus der Position senkrecht zur optischen Achse, und bei einer
Variation des Stroms I.
Praktisch verwendbar ist ein solches System aber erst dann, wenn
im Ausgangssignal zu erkennen ist, in welche Richtung sich der
Reflektor R, oder der Brechungsindex n bewegt.
Hierzu beschreibt die Erfindung zwei Methoden, die Grundlage der
ersten ist in Fig. 2 zu sehen.
Justiert man die Vorrichtung mit den oben genannten
Halbleiterlasern wie oben beschrieben, und stellt den Strom I
auf die Größe der für den Halbleiterlaser angegebenen
Laserschwelle oder darunter ein, so daß an s Impulse wie in
Fig. 2a auftreten, so kann man feststellen, daß die Impulse F1
bei Verkleinerung der Resonatorlänge L eine andere Form haben,
als die Impulse F2 bei Verlängerung des Resonators.
Dies ist auf Hystereseffekte im Laser zurückzuführen, tritt
besonders an der unteren Grenze des Laserbereichs auf, und es
kann z.B. durch Differenzierung von s in der Auswerteeinheit AE
festgestellt, und somit die Richtung des Effekts ermittelt
werden. Voraussetzung für diese Methode ist aber, daß sich der
Reflektor R, Brechungsindex n oder Winkel nicht zu langsam
ändern, da sonst die Stabilität des Systems zu schlecht wird.
Erhebliche Vorteile für die Richtungserkennung, Stabilität und
Auflösung des Laser-Sensors, und damit erstmalige Möglichkeit
zur praktisch verwendbaren Realisierung eines solchen Systems,
bietet die Modulation des Lasersystems.
Die Modulation einer zu messenden Größe selbst ist anhand der
Länge L in Fig. 3 dargestellt.
Hier wird die Länge L, z.B. mit einem Piezostellglied,
kontinuierlich, z.B. dreieckförmig, verändert, Fig. 3a zeigt die
Spannung am Piezostellglied als Maß für die Modulation von L.
Dadurch entstehen ständig Impulse im Ausganssignal s, wenn der
Reflektor mindestens um die halbe Wellenlänge des Lasers
ausgelenkt wird.
Die Modulation von L gibt also ein festes Zeitraster, definiert
durch die Umkehrpunkte Uo und Uu, bzw. die ansteigende und
abfallende Flanke des dreieckförmigen Modulationssignals.
Wird das Lasersystem, außer durch die Modulation, nicht
verändert, entstehen die Impulse an s, wie in Fig. 3b gezeigt,
immer an der selben Stelle der dreieckförmigen Längenänderung.
Bewegt man aber den Reflektor R auf den Halbleiterlaser zu, so
wandern die Impulse, wie in Fig. 3c gezeigt von den oberen
Umkehrpunkten Uo zu den unteren Umkehrpunkten Uu und
verschwinden dort, während in Uo neue Impulse entstehen.
Dies ist anschaulich erklärbar, da der ansteigende Teil der
Modulationsspannung einer Verkürzung ΔL des externen Resonators
entspricht, die durch das Bewegen des Reflektors R auf den
Halbleiterlaser zu noch verstärkt wird, die Impulse kommen also
früher. Die Verlängerung des ext. Resonators im fallenden Teil
der Modulation von Fig. 3a wird durch das Zusammenschieben von
Reflektor R und Halbleiterlaser HL verzögert, dadurch kommen die
Impulse hier im Vergleich zum Dreieck später.
Bewegt man nun den Reflektor R vom Halbleiterlaser HL weg, so
tritt gemäß Fig. 3d der umgekehrte Effekt auf, wie in Fig. 3c, die
Impulse wandern von den Punkten Uu nach Uo und verschwinden
dort.
Zählt man nun die Zahl der verschwindenden oder entstehenden
Impulse an den Umkehrpunkten, oder die Zahl und Richtung der
durchlaufenden Impulse an gewissen Marken M innerhalb der
Modulationsperiode, so kann man die Richtung und den Weg
bestimmen, um den der Reflektor R verschoben wurde, da man weiß,
daß der Abstand zweier Impulse einer Verschiebung um die halbe
Laserwellenlänge entspricht (abgesehen vom Einfluß des
Brechungsindexes n im Raum N).
Die Auflösung von Impuls zu Impuls beträgt demnach eine halbe
Laserwellenlänge, das sind bei der Sharp LT 30 380 nm.
Registriert man sogar die Verschiebung einzelner Impulse
innerhalb des Modulationsintervalls zwischen den Umkehrpunkten,
so läßt sich die Auflösung weiter steigern.
Eine Veränderung der Länge L, des Winkels α, des Brechungsindex
n und des Stromes I als Folge eines zu messenden Effekts oder
einer gezielten Modulation zeigen in der Lichtintensität des
Lasers ähnliche Wirkung, nämlich das Auftreten von Impulsen.
Daher kann die Modulation zur Messung von L, α und n auch durch
periodische Veränderung aller 4 oben genannten Größen erfolgen.
Die Modulation des Stromes I zur Längenmessung zeigt Fig 4.
Hier ist die Modulation selbst im Signal s zu sehen, da der
Strom I ja die Lichtintensität selbst beeinflußt, die
Modulationsperiode kann also aus dem Photodiodensignal entnommen
werden, und muß nicht, wie bei der Längenmodulation vom
Modulator selbst in die Auswerteeinheit übertragen werden.
Die Wanderung der Impulse P in Fig. 4b entspricht genau der in
Fig. 3 und ihre Auswertung kann, wie oben beschrieben, erfolgen.
Genau dasselbe Bild, wie in Fig. 4 mit derselben Wanderung der
Impulse ergibt sich, wenn man, gemäß Fig. 5, den Reflektor R in
Ruhe läßt, und stattdessen den Brechungsindex n im externen
Resonator verändert. Dies wurde z.B. realisiert, indem der ext.
Resonator mit einem Rohr umgeben, und mit einem Gas (CO₂)
geflutet wurde.
Beim Übergang an G von Luft auf CO₂ kann man, bei einer
Resonatorlänge L von 12 cm, etwa 16 Impulse durchwandern sehen,
wobei die Richtung, von Luft auf CO₂ und umgekehrt, eindeutig an
der Wanderungsrichtung der Impulse zu erkennen ist.
Dieser beschriebene Meßeffekt eignet sich zur Analyse von Gasen,
Flüssigkeiten und Festkörpern über den Brechungsindex.
Soll eine Optik, oder Vorrichtung auf Parallelität bzw.
Rückstrahlung eines Strahls in sich justiert werden, ist der
Aufbau nach Fig. 6 geeignet, indem der Reflektor R durch das zu
justierende Objekt ersetzt wird, und so lange justiert wird, bis
die Effekte der maximalen Rückstrahlung in den Laser auftreten,
dann steht das justierte Objekt sowohl in Zeichenebene, als auch
senkrecht dazu orthogonal zur optischen Achse. Der Winkel α,
und der zu α korrespondierende Verkippwinkel senkrecht zur
Zeichenebene (in Fig. 6 nicht gezeigt) ist dann gleich null.
Dies wird dadurch erreicht, daß die beiden Winkel so justiert
werden, daß sich die Impulse gemäß Fig. 3 bzw. Fig. 4 im Punkt der
Richtungsumkehr ihrer Wanderungsrichtung befinden.
Zur Grobjustage, also wenn der Laserstrahl nicht in den Laser
zurückfällt, kann eine segmentierte Photodiode mit Loch Sp
eingesetzt werden.
Die Modulation des Laser-Sensors bringt große Vorteile
für die Stabilität des Systems, dies wurde bei praktischen
Aufbauten deutlich, Hystereseeffekte und das schnelle
Durchfahren von Betriebspunkten, in denen der Laser zu
chaotischen Schwingungen neigt, die in der Theorie erklärt, und
in Veröffentlichungen oft als Rauschen interpretiert werden,
erhöhen die praktische Einsetzbarkeit des Sensors.
Ebenfalls wird die Justage des Systems dadurch erheblich
erleichtert, da ja, auch ohne Meßeffekt, immer Impulse
auftreten. Die Vorteile sind am größten bei der Modulation des
Stromes I, zudem diese Modulation bis in den GHz-Bereich schnell
sein kann, und so ein sehr schnelles Längen- oder
Brechungsindexmeßgerät aufgebaut werden kann.
Bei Strommodulation ergibt sich folgende Justageanweisung:
- - Man erhöht den Gleichanteil des Stromes I, bis die Modulation, also z.B. das Dreieck nach Fig. 4 an s meßbar ist, dann ist der Laserbereich erreicht
- - dann justiert man den Kollimator K so, daß der Laserstrahl in sich, und gegenüber der optischen Achse parallel ist
- - dann justiert man der Reflektor R grob so, daß der Laserstrahl in den Laser zurückfällt, und fein so, daß die in Fig. 4 gezeigten Impulse P auftreten
- - danach ist eine Neueinstellung des Gleichstromanteils des Stromes I möglich, um die Impulsform zu verbessern, dies hängt vom verwendeten Laser ab, und liegt in der Nähe, über oder knapp unter dem, für den Laser angegebenen Laser-Schwellenstrom.
Die Tatsache, daß der Laser-Sensor, wie hier beschrieben,
unterhalb des für den Laser angegebenen Laser-Schwellenstromes
arbeitet, zeigt, daß der externe Resonator tatsächlich
funktioniert, und Energie in den Laser zurückkoppelt.
Die Temperaturempfindlichkeit des Halbleiterlasers kann dadurch
gemindert werden daß in regelmäßigen Abständen Parameter der
Strom-Lichtleisungs- oder Strom-Spannungskennlinie, also
Widerstand oder differentieller Widerstand des
Halbleiterlaserchips oder der Photodiode PD gemessen werden,
diese sind nämlich temperaturabhängig, und danach der Pumpstrom
I entsprechend korrigiert wird.
Anstatt das Durchlaufen, oder die Verschiebung von Impulsen
gegenüber der Modulation zu messen, ist es auch möglich, den zu
messenden Effekt durch eine zusätzliche Veränderung des Stromes
I zu kompensieren, also I so zu regeln, daß die Impulse an s
immer an der selben Stelle des Modulationsintervalls stehen. An
der zusätzlichen Veränderung von I kann dann die zu messende
Größe als Analogsignal abgelesen werden.
Nach Fig 7 wird als Reflektor eine reflektierende drehende Welle
oder Scheibe, die radial (Fig. 7c) oder axial (Fig. 7b) beleuchtet
wird, verwendet, und die Lichtintensität des Halbleiterlasers HL
mit einer Photodiode PD gemessen, dabei treten periodische
Schwankungen bzw. Impulse auf, die genau der Drehzahl der Welle
entsprechen.
Diese Schwankungen sind um so größer, je größer die
Oberflächenrauhigkeit, Unwucht, Unrundheit bzw. das Lagerspiel
der Welle oder Scheibe sind.
Über eine entsprechende Auswerteeinheit AE kann aus diesen
Schwankungen die Drehzahl, die Winkelposition, Unwucht,
Unrundheit bzw. das Lagerspiel bestimmt werden.
Eine Richtungserkennung und Erhöhung der Auflösung ist dadurch
möglich, daß man mehrere solche Sensoren an dem drehenden Objekt
anbringt. Positioniert man z.B. zwei Sensoren auf einem
konzentrischen Kreis um die Welle, jedoch nicht
gegenüberliegend, so erzeugen sie zwei zeitverschobene, aber
ähnliche Signale, die die Drehrichtung erkennen lassen.
Bewegt sich ein reflektierendes Objekt, z.B. ein Draht,
Papierstück, Flüssigkeitstropfen . . . in den Laserstrahl gemäß
Fig. 7a, so zeigen sich, auch ohne speziellen Reflektor R und,
bei genügender Nähe zum Halbleiterlaser HL, auch ohne Kollimator
K, Schwankungen oder Impulse in der Lichtintensität, also an PD.
Diese können mit der Auswerteeinheit AE gemessen und so die
Objekte detektiert und gezählt werden.
Drähte, Lötzinn, Kunststoffteile, helle Papiere und
Wassertropfen konnten so, bis zu 2 cm vor dem Kollimator,
festgesellt werden.
(Anwendung, z.B. als Tröpfchenzähler bei Infusionen,
Teilezähler in Produktionsanlagen oder als Näherungsdetektor).
Wie bei dieser, so kann bei allen Anwendungen des Laser-Sensors
mit externem Resonator gemäß vorliegender Erfindung der
Kollimator K zur Bündelung des Laserstrahls entfallen, falls der
Reflektor R oder die Objekte zur Reflexion des Lasertrahls sich
nahe genug am Laser befinden, und die Ansprüche an die
Genauigkeit nicht sehr hoch sind.
Dadurch ergibt sich die Möglichkeit von sehr einfachen,
kompakten und preiswerten Sensoren.
Claims (22)
1. Verfahren zur Messung der Änderung der Länge L eines externen
Resonators eines Lasers, einer Winkelabweichung α eines Reflektors
R des externen Resonators gegenüber der Senkrechten der optischen
Achse des Resonators, oder des Brechungsindex n in einem Raum N,
bei dem ein Laser verwendet wird, dessen Strahl durch den mit
einem Medium mit Brechungsindex n gefüllten Raum N hindurch auf
den Reflektor R fällt und von diesem wieder zurück in den Laser
reflektiert wird, wobei die Lichtintensität des Lasers bei
monotoner Änderung der zu messenden Größe periodisch schwankt und
aus der Anzahl der perioden der Schwankungen der Lichtintensität
die zu messende Änderung der Größe bestimmt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erkennung der Richtung der Änderung des zu messenden
Effekts durch die Auswertung der richtungsabhängigen Signalform
der auftretenden periodischen Schwankungen der Lichtintensität
erfolgt.
2. Verfahren zur Messung der Änderung der Länge L eines externen
Resonators eines Lasers, einer Winkelabweichung α eines Reflektors
R des externen Resonators gegenüber der Senkrechten der optischen
Achse des Resonators, oder des Brechungsindex n in einem Raum N,
bei dem ein Laser verwendet wird, dessen Strahl durch den mit
einem Medium mit Brechungsindex n gefüllten Raum N hindurch auf
den Reflektor R fällt und von diesem wieder zurück in den Laser
reflektiert wird, wobei die Lichtintensität des Lasers bei
monotoner Änderung der zu messenden Größe periodisch schwankt und
aus der Anzahl der Perioden der Schwankungen der Lichtintensität
die zu messende Änderung der Größe bestimmt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens eine der Größen Länge L des externen Resonators,
Winkelabweichung α, Brechungsindex n oder Pumpenergie des Lasers
moduliert wird, die nicht die zu messende Größe selbst sein muß,
und aus der Verschiebung der durch die zu messende Größe L, α, n,
verursachten Lichtleistungsschwankungen gegenüber der Modulation,
die Richtung der Änderung der zu messenden Größe bestimmt wird.
3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Laser stromgepumpt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verschiebung der, durch die zu messende Größe Länge L,
Winkelabweichung α, Brechungsindex n verursachten
Lichtleistungsschwankungen gegenüber der Modulation zur Bestimmung
der Änderung der zu messenden Größe selbst benutzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Modulation periodisch erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Modulation dreieckförmig erfolgt.
7. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Temperaturstabilisierung während der Messung zyklisch
Kennlinienparameter des Lasers oder des photoempfindlichen
Elements, das die Lichtleistung des Lasers mißt, bei gewissen
Arbeitspunkten bestimmt, und die Pumpenergie danach korrigiert
wird.
8. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Messung von Richtung und Betrag der Änderung von Länge L,
Winkel α, Brechungsindex n im Raum N mittels der Pumpenergie
dadurch erfolgt, daß die Pumpenergie des Lasers so geregelt wird,
daß die Wirkung der zu messenden Größen auf die
Lichtleistungsschwankungen des Lasers durch die Pumpenergie
kompensiert werden.
9. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Intensität des Strahls, den der Laser an der, dem externen
Resonator gegenüberliegenden Seite aussendet, gemessen wird.
10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Laser, und Photodiode PD in einem gemeinsamen Gehäuse
untergebracht sind.
11. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
oben genannten Ansprüche, mit einem Laser, der einen externen
Resonator mit Reflektor R besitzt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Reflektor R eine photoempfindliche Schicht zur Messung
der Lichtintensität des Lasers hat.
12. Verfahren und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
den Ansprüchen 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Reflektor R eine Photodiode ist, mit der die
Lichtintensität des Lasers gemessen wird.
13. Einrichtung nach einem der oben genannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Reflektor R einen Retroreflektor enthält.
14. Einrichtung zur berührungslosen Messung von Drehzahlen und
Winkelpositionen, Oberflächenrauhigkeit, Unwucht, Unrundheit und
Lagerspiel an drehenden Objekten mit einem Laser dessen
Lichtintensität gemessen, und an die Auswerteeinheit AE
weitergegeben wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Strahl des Lasers auf das drehende Objekt, und von dort
wieder zurück in den Laser reflektiert wird, so daß in der
Lichtintensität des Lasers die Umdrehung des Objekts meßbar ist,
und in einer geeigneten Auswerteeinheit AE die Drehzahl,
Winkelposition und Oberflächenrauhigkeit, ebenso wie die Summe aus
Unwucht, Unrundheit und das Lagerspiel des Objekts bestimmbar ist.
15. Einrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bewegung des drehenden Objekts, zur Richtungserkennung,
und/oder zur Erhöhung der Auflösung durch mehr als eine
Einrichtung nach Anspruch 14 gemessen wird.
16. Einrichtung zur Erkennung und Zählung von Objekten
mit einem Laser, dessen Lichtintensität gemessen wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Strahl des Lasers auf reflektierende Objekte gerichtet,
und von dort, mindestens teilweise zurück in den Laser reflektiert
wird, so daß man in der Änderung der Lichtintensität des Lasers
die Rückstrahlung vom Objekt erkennen, und in einer
Auswerteeinheit AE die Objekte feststellen und zählen kann.
17. Einrichtung nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die reflektierenden Objekte Tröpfchen sind.
18. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Laserstrahl des Lasers mit einem Kollimator K kollimiert
wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß der kollimierte Laserstrahl parallel ist.
20. Einrichtung nach einem der oben genannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich kein kollimierendes Element im Strahlengang befindet.
21. Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Messung der Lichtintensität so erfolgt, daß ein Teil des
Laserstrahls mit einem Strahlteiler SL auf ein photoempfindliches
Element PDE geleitet wird.
22. Einrichtung nach einem der oben genannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Laser ein Halbleiterlaser HL ist.
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