DE10323336B3 - Optical arrangement for determining the distance to a reflecting surface has optical fibers for incident and reflected light, a collimator and multiple focussing elements arranged at a regular predefined distance to each other - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Abstandsbestimmung einer reflektierenden Oberfläche, die insbesondere für die Bestimmung geringer Abstandsveränderungen, wie sie häufig bei schwingenden Systemen vorkommen, vorteilhaft einsetzbar ist. Sie kann als optisches Mikrofon oder Hydrophon eingesetzt werden.The invention relates to an arrangement for optical distance determination of a reflective surface, the especially for the determination of small changes in distance, as is often the case with vibrating Systems occur, can be used advantageously. It can be used as an optical Microphone or hydrophone can be used.
Hierzu sind verschiedene Messprinzipien bekannt, bei denen sich der Einkoppelgrad zwischen zwei Lichtleitfasern, die Phasenmodulation oder die Polarisation von Licht in veränderter Form auswerten lässt, bekannt.There are various measuring principles for this known in which the degree of coupling between two optical fibers, the phase modulation or the polarization of light in changed Evaluates shape, known.
Aus
Bei diesen bekannten Lösungen wird aber das jeweils auf die reflektierende Oberfläche gerichtete Licht mittels optischer Elemente in diese Richtung fokussiert, so dass in Abhängigkeit des jeweiligen Abstandes der reflektierenden Oberfläche ein mehr oder weniger großer Lichtfleck zu verzeichnen ist und dieser im günstigsten Fall vollständig auf dem optischen Detektor abgebildet werden kann.In these known solutions but the light directed at the reflecting surface by means of optical elements focused in this direction, so that depending the respective distance of the reflective surface one more or less big There is a light spot and, in the best case scenario, it is completely on can be imaged by the optical detector.
Bei sich verändernden Abständen der jeweiligen reflektierenden Oberfläche verändert sich entsprechend die Größe der Abbildung, wodurch im Zusammenspiel der Vignettierung an der Apertur der Lichtleitfaser für das rückreflektierte Licht eine entsprechende Änderung der mit dem optischen Detektor erfassbaren Lichtintensität ergibt, die als Messsignalwert proportional zum jeweiligen Abstand oder einer aufgetretenen Abstandsänderung ausgewertet werden kann.With changing intervals of respective reflective surface changes accordingly Size of the image, in the interplay of vignetting on the aperture of the optical fiber for the reflected back Light a corresponding change which results in light intensity which can be detected by the optical detector, which as a measurement signal value proportional to the respective distance or one distance change occurred can be evaluated.
So ist insbesondere in
Dabei soll mit der dort beschriebenen Lehre eine Möglichkeit geschaffen werden, in dem durch Variation von Abständen zwischen der Stirnfläche der Lichtleitfaser, aus der Licht aus- und reflektiertes Licht eingekoppelt wird und fokussierenden optischen Elementen eine Anpassung auf unterschiedliche Abstandsmessbereiche mit jeweils erhöhter Messempfindlichkeit erreicht werden soll.It should be with the one described there Teach a way be created by varying the distances between the face the optical fiber from which light is coupled out and reflected light is coupled in will and focusing optical elements adapt to different Distance measuring ranges reached with increased measuring sensitivity shall be.
Bei der in
Durch Auswahl des jeweiligen Abbildungsmaßstabes besteht so die Möglichkeit Einfluss auf die Steilheit der durch auftretende Abstandsänderungen erfassbaren Lichtintensitäten mit optischen Detektoren in bestimmten Grenzen vornehmen zu können.By selecting the respective image scale so there is the possibility Influence on the slope of the changes in distance detectable light intensities to be able to use optical detectors within certain limits.
Dabei gilt, dass die Steilheit bei sich entsprechend verändernden Lichtintensitäten umso größer wird, je kleiner der jeweilige Abbildungsmaßstab gewählt worden ist.It applies that the slope at changing accordingly light intensities the bigger the smaller the respective imaging scale has been chosen.
Dabei ist aber die Divergenz der Lichtstrahlung, die auf die reflektierende Oberfläche gerichtet ist, ein wesentliches Maß, mit dem die erreichbare Steilheit, der sich verändernden Lichtintensität begrenzt wird.But the divergence is the Light radiation directed at the reflective surface an essential measure with which the achievable slope, the changing light intensity limits becomes.
Da sich die Strahldivergenz im Objekt- bzw. Bildraum und die Objekt- bzw. Bildgröße bei abbildenden Optiken gegenläufig ändern, kann aber der Abbildungsmaßstab von entsprechenden Optiken nicht beliebig reduziert werden, da die Lichtstrahldivergenz im Bildraum dann zu hohe Werte annehmen würde.Since the beam divergence in the object or image space and the object or image size in imaging optics can change in opposite directions but the picture scale of corresponding optics can not be reduced arbitrarily, since the Light beam divergence in the image space would then assume too high values.
Ein optisches Abstandsmesssystem
findet auch in
In
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine optische Anordnung zur Verfügung zu stellen, mit der Abstände zu reflektierenden Oberflächen mit erhöhter Messempfindlichkeit bestimmt und/oder bereits kleine Abstandsveränderungen mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden können.It is therefore an object of the invention an optical arrangement is available to ask with the distances to reflective surfaces with increased Measurement sensitivity determined and / or small changes in distance can be detected with high sensitivity.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.According to the invention, this object is achieved with a Arrangement having the features of claim 1 solved. advantageous Embodiments and developments of the invention can with in the subordinate claims designated features can be achieved.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur optischen Abstandsbestimmung von reflektierenden Oberflächen verwendet ebenfalls zumindest eine Lichtleitfaser, über die Licht einer Lichtquelle auf eine reflektierende Oberfläche gerichtet und dementsprechend von dieser Oberfläche reflektiertes Licht über diese oder mindestens eine weitere Lichtleitfaser auf mindestens einen optischen Detektor abgebildet werden kann. Mit dem optischen Detektor wird analog zu den Lösungen aus dem Stand der Technik, die sich in Abhängigkeit von ändernden Abständen verändernde messbare Lichtintensität, als Maß für den jeweiligen Abstand benutzt.The arrangement according to the invention for optically determining the distance from reflecting surfaces likewise uses at least one optical fiber, via which light from a light source is directed onto a reflecting surface and accordingly light reflected from this surface can be imaged via this or at least one further optical fiber onto at least one optical detector. Analogous to the solutions from the prior art, the optical detector uses the measurable light intensity, which changes as a function of changing distances, as a measure of the respective used at a distance.
Erfindungsgemäß wird das divergente Licht, das aus der ersten Lichtleitfaser austritt mittels eines kollimierenden optischen Elementes als parallele Lichtstrahlen in Richtung auf die jeweilige reflektierende Oberfläche gerichtet, wobei zwischen kollimierendem optischen Element und der reflektierenden Oberfläche mindestens zwei in Richtung auf die reflektierende Oberfläche fokussierende optische Elemente, deren optische Achsen parallel zur optischen Achse des kollimierenden optischen Elementes ausgerichtet sind, angeordnet sind. Diese optischen Achsen dieser mindestens zwei fokussierenden optischen Elemente weisen dabei einen vorgegebenen Abstand zueinander auf (auch bei einer höheren Anzahl von fokussierenden optischen Elementen).According to the invention, the divergent light that emerges from the first optical fiber by means of a collimating optical element as parallel light beams in the direction of the respective reflective surface directed, between collimating optical element and the reflective surface at least two optical focusing towards the reflecting surface Elements whose optical axes are parallel to the optical axis of the collimating optical element are aligned are. These optical axes focus these at least two optical elements are at a predetermined distance from one another on (even with a higher one Number of focusing optical elements).
So ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn mehrere solcher fokussierenden optischen Elemente vorhanden sind, die zumindest entlang einer Achse eine Reihenanordnung bilden bzw, zur Erhöhung der Messempfindlichkeit mehrere Reihen solcher fokussierenden Elemente eine Arrayanordnung bilden. Dabei sollten die optischen Achsen und dementsprechend auch alle fokussierenden optischen Elemente äquidistant zueinander angeordnet sein.For example, it is advantageous if there are several such focusing optical elements are, which form a row arrangement at least along an axis or, to increase the measurement sensitivity several rows of such focusing elements form an array arrangement. The optical axes and accordingly, all focusing optical elements are equidistant be arranged to each other.
Bevorzugt ist es außerdem, diese fokussierenden optischen Elemente bezüglich ihrer optischen Eigenschaften, was insbesondere auf ihre Brennweite zutrifft, gleich zu gestalten.It is also preferred these focusing optical elements with regard to their optical properties, to design what is particularly true of their focal length.
Die fokussierenden optischen Elemente sollten unter Berücksichtigung ihrer jeweiligen Brennweite in einem optimierten Abstand zur jeweiligen reflektierenden Oberfläche angeordnet sein, so dass sich bereits geringe Abstandsänderungen in sich signifikant verändernden gemessenen Lichtintensitäten am optischen Detektor widerspiegeln können.The focusing optical elements should be considered their respective focal lengths at an optimized distance from the respective reflective surface be arranged so that there are already slight changes in distance in significantly changing measured light intensities can reflect on the optical detector.
So kann ein mittlerer Abstand zwischen fokussierenden optischen Elementen und reflektierender Oberfläche so gewählt sein, dass dieser mit der jeweiligen Brenn punktebene der fokussierenden optischen Elemente übereinstimmt.So there can be an average distance between focusing optical elements and reflecting surface should be chosen that this with the respective focal point level of the focusing optical elements matches.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung sollte aber auch der Abstand zwischen der Ebene, in der die fokussierenden optischen Elemente angeordnet sind und dem kollimierenden optischen Element konstant gehalten sein.In the arrangement according to the invention but should also be the distance between the plane in which the focusing optical elements are arranged and the collimating optical Element must be kept constant.
Vorteilhaft wirkt es sich aus, wenn die jeweiligen konvexen Oberflächen der fokussierenden optischen Elemente, die bevorzugt als Zylinderlinsen ausgebildet sein können, asphärisch gekrümmt sind. Eine solche asphärische Krümmung der konvexen Oberfläche des kollimierenden optischen Elementes ist ebenfalls vorteilhaft. Das kollimierende optische Element kann als plankonvexe Linse ausgebildet sein, wobei die konvex gekrümmte Oberfläche in Richtung auf die reflektierende Oberfläche, deren Abstand zu bestimmen ist, weist.It is advantageous if the respective convex surfaces of the focusing optical elements, which are preferably designed as cylindrical lenses could be, aspherical bent are. Such an aspherical curvature the convex surface of the collimating optical element is also advantageous. The collimating optical element can be designed as a plano-convex lens, being the convex curved surface towards the reflective surface, to determine its distance is, points.
Es besteht die Möglichkeit Licht mittels einer einzigen Lichtleitfaser auf die reflektierende Oberfläche zu richten und von dort reflektiertes Licht über diese eine Lichtleitfaser auf mindestens einen optischen Detektor zu richten. Hierfür ist ein geeigneter Koppler zur Lichtquelle und zum Detektor einzusetzen.There is the possibility of using one light To direct optical fiber to the reflective surface and from there reflected light over this to direct an optical fiber onto at least one optical detector. Therefor a suitable coupler must be used for the light source and the detector.
Ist die reflektierende Oberfläche in einem Soll- bzw. Bezugsabstand angeordnet, bei der sie in der Brennpunktebene der reflektierenden optischen Elemente angeordnet ist, erfolgt eine vollständige Abbildung des aus der Lichtleitfaser auf die reflektierende Fläche gerichteten und von dort reflektierten Lichtes in diese Lichtleitfaser und es kann eine maximale Intensität detektiert werden. Vergrößert oder verringert sich der Abstand der reflektierenden Oberfläche erfolgt keine vollständige Abbildung und die über die Lichtleitfaser den optischen Detektor erreichende Intensität ist entsprechend reduziert, so dass die erfassbare Lichtintensitätsreduzierung ein Maß für den veränderten Abstand ist.Is the reflective surface in a target or reference distance arranged at the focal plane of the reflective optical elements is arranged full picture the one directed from the optical fiber onto the reflecting surface and from there reflected light into this optical fiber and it can have a maximum intensity can be detected. Increases or decreases the distance of the reflecting surface is not fully illustrated and the over the optical fiber intensity reaching the optical detector is corresponding reduced, so that the detectable light intensity reduction is a measure of the changed Distance is.
Wird in der Nähe der bezeichneten einen Lichtleitfaser mindestens eine weitere Lichtleitfaser angeordnet, die von der reflektierenden Oberfläche Licht auf einen weiteren optischen Detektor richten kann, erhöht sich die mit diesem optischen Detektor erfassbare Lichtintensität bei sich veränderndem Abstand, sobald die reflektierende Oberfläche außerhalb der Brennpunktebene der reflektierenden optischen Elemente angeordnet, also bewegt worden ist. Gleichzeitig reduziert sich die Lichtintensität, die mit der anderen Lichtleitfaser über den optischen Koppler/Faserverzweiger auf den entsprechenden optischen Detektor gerichtet wird.Will be near the designated one optical fiber at least one further optical fiber arranged by the reflective Surface light can point to another optical detector increases the light intensity that can be detected with this optical detector changing type Distance once the reflective surface is out of focus the reflective optical elements arranged, that is, moved is. At the same time, the light intensity reduced with the other optical fiber over the optical coupler / fiber splitter on the corresponding optical Detector is directed.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können auch mindestens zwei Lichtleitfasern eingesetzt werden, die außerhalb (neben) der optischen Achse zumindest des kollimierenden optischen Elementes angeordnet sind. Hierbei kann auf einen optischen Koppler/Faserverzweiger an Lichtleitfasern verzichtet werden. Dabei wird durch eine Lichtleitfaser lediglich Licht auf die reflektierende Oberfläche gerichtet und von dort reflektiertes Licht über die erwähnten optischen Elemente in die eine oder weitere zusätzliche Lichtleitfaser(n) eingekoppelt und mittels optischer Detektoren die jeweilige sich abstandsabhängig verändernde Lichtintensität erfasst.In the arrangement according to the invention can at least two optical fibers are used, the outside (besides) the optical axis of at least the collimating optical Element are arranged. You can use an optical coupler / fiber splitter optical fibers can be dispensed with. It is through an optical fiber only light directed at the reflecting surface and from there reflected light over the mentioned optical Elements are coupled into one or more additional optical fibers and by means of optical detectors the respective distance-dependent changing Light intensity detected.
Insbesondere in diesem Fall sollten Zylinderlinsen als reflektierende optische Elemente eingesetzt werden.Especially in this case Cylinder lenses are used as reflective optical elements.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können die Stirnflächen von Lichtleitfasern orthogonal zur optischen Achse des jeweiligen kollimierenden optischen Elementes ausgerichtet sein, was sowohl für die mindestens eine Lichtleitfaser für die Bestrahlung der reflektierenden Oberfläche, wie auch für von dieser Oberfläche reflektiertes Licht zutreffen kann.In the arrangement according to the invention can the end faces of optical fibers orthogonal to the optical axis of each be collimating optical element aligned, both for the minimum an optical fiber for the irradiation of the reflective surface, as well as for this surface reflected light can apply.
Neben der Möglichkeit, dass Lichtleitfasern zumindest in einem Bereich, indem Licht aus diesen aus- und eingekoppelt wird, parallel zur optischen Achse des kollimierenden optischen Elementes ausgerichtet sind, besteht die Möglichkeit diese Lichtleitfasern in Bezug zur optischen Achse des kollimierenden optischen Elementes in einem schräg geneigten Winkel auszurichten, wobei die Neigungswinkel im Bereich zwischen 2° und 8° liegen können. So kann beispielsweise eine Anpassung insbesondere mindestens einer Lichtleitfaser für reflektiertes Licht an die Strahlformung, die mittels der fokussierenden optischen Elemente erreichbar ist, vorgenommen werden, so dass eine orthogonale Ausrichtung der Stirnfläche zur Einkopplung von reflektiertem Licht zur Krümmungsebene der fokussierenden Elemente erreichbar ist.In addition to the possibility that optical fibers are aligned parallel to the optical axis of the collimating optical element at least in an area in which light is coupled out and coupled in, there is the possibility of these optical fibers collimating in relation to the optical axis align the optical element at an obliquely inclined angle, the inclination angles being in the range between 2 ° and 8 °. For example, in particular at least one optical fiber for reflected light can be adapted to the beam shaping which can be reached by means of the focusing optical elements, so that an orthogonal alignment of the end face for coupling reflected light to the plane of curvature of the focusing elements can be achieved.
Es besteht aber auch eine versetzte Anordnungsmöglichkeit der eingesetzten Lichtleitfasern für die Bestrahlung der reflektierenden Oberfläche und/oder für von dort reflektiertes Licht in Bezug zur optischen Achse des kollimierenden optischen Elementes.But there is also an offset possible arrangement of the optical fibers used for the irradiation of the reflective Surface and / or for from light reflected there in relation to the optical axis of the collimating optical element.
In einer Weiterbildungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist auf einer Lichtleitfaser für die Bestrah lung der reflektierenden Oberfläche an der Stirnfläche, an der dieses Licht ausgekoppelt wird, ein Transmissionsgitter ausgebildet.In a further development form of the arrangement according to the invention is on an optical fiber for that Irradiation of the reflective surface on the face which this light is coupled out, a transmission grating is formed.
In dieser Form besteht die Möglichkeit eine Bestrahlung der reflektierenden Oberfläche in Bezug zur jeweiligen Anordnung von fokussierenden Elementen lokal gezielt zu beeinflussen.There is a possibility in this form an irradiation of the reflecting surface in relation to the respective To influence the arrangement of focusing elements locally in a targeted manner.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können als Lichtquellen an sich bekannte LED's, andere inkohärente Lichtquellen oder Laserdioden eingesetzt werden, wobei in der Regel auf eine Polarisation oder eine optische Filterung verzichtet werden kann.In the arrangement according to the invention can LEDs known as light sources, other incoherent light sources or laser diodes be used, usually on a polarization or optical filtering can be dispensed with.
Wie bereits eingangs angedeutet, kann die erfindungsgemäße Anordnung an schwingenden Systemen günstig eingesetzt werden. So besteht die Möglichkeit die reflektierende Oberfläche als Teil einer Membran auszubilden oder auf einer solchen Membran fixiert anzuordnen, so dass schwingungsbedingt auftretende Abstandsänderungen beim Schwingen einer solchen Membran detektiert werden können.As already indicated at the beginning, can the arrangement according to the invention cheap on vibrating systems be used. So there is the possibility of reflective surface form as part of a membrane or on such a membrane to be arranged in a fixed position, so that changes in distance that occur due to vibrations can be detected when such a membrane vibrates.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird also, im Gegensatz zu den bekannten Lösungen des Standes der Technik, die Abbildungsoptik aus einem kollimierenden optischen Element und einer Mehrzahl fokussierender optischer Elemente, wobei letztere in Form einer Arrayanordnung eingesetzt werden sollten, gebildet.In the arrangement according to the invention in contrast to the known solutions of the prior art, the imaging optics from a collimating optical element and a plurality of focusing optical elements, the latter should be used in the form of an array.
Dadurch ergeben sich weitere Möglichkeiten zur Erhöhung der Messempfindlichkeit. So kann dies durch eine Vergrößerung der numerischen Aperturen der einzelnen eingesetzten fokussierenden Elemente und auch durch entsprechende Reduzierung der Brennweite dieser fo kussierenden Elemente beeinflusst werden. Beide bezeichneten Parameter können aber unabhängig voneinander einen entsprechenden positiven Einfluss erwirken. Insbesondere durch die Aufteilung der Lichtstrahlung, mit der die reflektierende Oberfläche beaufschlagt wird, durch die Mehrzahl fokussierender optischer Elemente, kann bei kleinen Abständen der optischen Achsen dieser fokussierenden optischen Elemente (kleine Arraypitches) die Brennweite der fokussierenden optischen Elemente sehr deutlich reduziert werden, ohne dass sich die Divergenz im Bildraum vergrößert, was insbesondere auf den rückreflektierten Lichtanteil zutrifft.This opens up further possibilities for increase the measurement sensitivity. So this can be done by enlarging the numerical apertures of the individual focusing Elements and also by reducing the focal length accordingly of these focusing elements. Both designated Parameters can but independent from each other have a corresponding positive influence. In particular through the distribution of the light radiation with which the reflecting surface acts is, by the plurality of focusing optical elements, can at small intervals the optical axes of these focusing optical elements (small Array pitches) the focal length of the focusing optical elements can be reduced very significantly without the divergence in the Image space enlarges what especially on the back-reflected Proportion of light applies.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below by way of example.
Dabei zeigen:Show:
In
Dabei wird Licht einer nicht dargestellten Lichtquelle über eine
Lichtleitfaser
Dabei sind die fokussierenden optischen Elemente
Infolge von jeweiligen Reflexionen
werden die einzelnen Abbildungen in die Stirnfläche der Lichtleitfaser
Mit diesem optischen Detektor wird
die Lichtintensität
des reflektierten und in die Lichtleitfaser
Einflussgrößen sind dabei die Brennweite
F des kollimierenden optischen Elementes
Für
den Fall, dass der Abstand zwischen der Arrayanordnung
Ändert
sich jedoch der Abstand der reflektierenden Oberfläche
Für einen besonderen Fall, nämlich, wenn der Abstand D = F + f gilt, wird der Streukreisradius R einer solchen Anordnung für ein punktförmiges Objekt in paraxialer Näherung folgendermaßen beschrieben: For a special case, namely if the distance D = F + f applies, the scatter circle radius R of such an arrangement for a point-shaped object is described in paraxial approximation as follows:
Dabei sind NA die numerische Apertur
der fokussierenden optischen Elemente
Die Messempfindlichkeit kann dabei
durch eine Vergrößerung der
numerischen Aperturen und/oder Reduzierung der Brennweite der fokussierenden
optischen Elemente
Im Gegensatz zur Darstellung von
In
Die aus dieser Lichtleitfaser
Die Arrayanordnung
Von der reflektierenden Oberfläche
Ändert
sich der Abstand der reflektierenden Oberfläche
Eine durch Strahlverfolgung bestimmte
Abhängigkeit
der in die Lichtleitfaser
In diesem Diagramm ist erkennbar, dass in einem linearen Arbeitsbereich, ausgehend von ca. 5 bis 10 μm eine erheblich erhöhte Steilheit der sich verändernden Lichtintensität infolge der erreichbaren Koppeleffizienz durch die erfindungsgemäß eingesetzte Abbildungsoptik zu verzeichnen ist, was sich in einer erhöhten Messempfindlichkeit widerspiegelt.This diagram shows that in a linear working area, starting from approx. 5 to 10 μm, a considerable increased Steepness of changing Light intensity due to the achievable coupling efficiency by the used according to the invention Imaging optics can be seen, which is reflected in an increased sensitivity reflects.
Mit
Bei dem in
Mit einer solchen Ausbildung einer
erfindungsgemäßen Anordnung
kann eine deutliche Verbesserung des Frequenzganges erreicht werden,
da so ein Druckausgleich bei Abstandsänderungen der reflektierenden
Oberfläche
Bei dem in
Mit diesem strahlformenden optischen
Element
Neben dem im Beispiel nach den
Beim gezeigten Beispiel wird eine Teleskop-Array-Anordnung eingesetzt.In the example shown, a Telescope array arrangement used.
Mit der räumlichen perspektivischen Darstellung
von
So ist die Seite des strahlformenden
optischen Elementes
Dabei können die gewölbten Oberflächenbereiche
so angeordnet und dimensioniert werden, dass lediglich fokussierende
optische Elemente
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