DE10323336B3

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

Info

Publication number: DE10323336B3
Application number: DE10323336A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Phys. Dr. Schreiber; Sergey Dipl.-Ing. Dr. Kudaev; Ruth Dipl.-Phys. Weichhain; Jürgen Dipl.-Phys. Dr. Ihlmann; Manfred Dipl.-Phys. Hibbing; Andre Michaelis; Wolfgang Dr. Niehoff; Vladimir Dipl.-Ing. Dr. Gorelik
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Laser Laboratorium Goettingen eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Laser Laboratorium Goettingen eV
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-05-24
Also published as: DE10323336B8

Abstract

Arrangement for optical distance determination of a reflecting surface (4) on to which light from a first optical fiber is directed with reflected light routed through the same optical fiber or a second fiber to a stationary detector. The incident and reflected light passes through a collimating optical element (2) and at least two focussing optical elements (3'). The focussing elements are arranged at predefined distances to each other and have their optical axes parallel to the collimator axis.

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 US 3,940,608 sowie US 5,073,027 sind Lösungen bekannt, bei denen Licht einer Lichtquelle über mindes tens eine Lichtleitfaser auf eine reflektierende Oberfläche gerichtet wird und von dieser reflektierenden Oberfläche rückreflektiertes Licht über ebenfalls die eine oder eine weitere Lichtleitfaser auf einen optischen Detektor gerichtet und die jeweilige Intensität des detektierten Lichtes, als Maß für den jeweiligen Abstand der reflektierenden Oberfläche genutzt wird.Out US 3,940,608 such as US 5,073,027 Solutions are known in which light from a light source is directed via at least one optical fiber onto a reflecting surface and light reflected back from this reflecting surface is also directed through one or more optical fibers onto an optical detector and the respective intensity of the detected light as a measure is used for the respective distance of the reflecting surface.

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 US 5,073,027 eine Lösung beschrieben, bei der lediglich eine Lichtleitfaser für die Bestrahlung der jeweiligen reflektierenden Oberfläche und die Führung von von dort reflektiertem Licht zu einem optischen Detektor eingesetzt wird.So in particular US 5,073,027 described a solution in which only one optical fiber is used for irradiating the respective reflecting surface and guiding light reflected from there to an optical detector.

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 US 3,940,608 beschriebenen Lösung werden mehrere Lichtleitfasern für die Bestrahlung der reflektierenden Fläche und auch für auf einen oder mehrere Detektor(en) zu richtende reflektierte Strahlung eingesetzt, wobei sowohl für die Bestrahlung, wie auch für das reflektierte Licht gleiche optische Elemente zwischengeschaltet sind.At the in US 3,940,608 The solution described uses a plurality of optical fibers for the irradiation of the reflecting surface and also for reflected radiation to be directed at one or more detectors, the same optical elements being interposed both for the irradiation and for the reflected light.

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 US 4,411,940 Erwähnung.An optical distance measuring system is also found in US 4,411,940 Mention.

In DE 40 35 799 A1 ist eine optische Vorrichtung mit konfokalem Strahlengang zur dreidimensionalen Untersuchung eines Objektes beschrieben.In DE 40 35 799 A1 describes an optical device with a confocal beam path for three-dimensional examination of an object.

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:

1 in schematischer Form ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit zwei Lichtleitfasern; 1 in schematic form, an example of an arrangement according to the invention with two optical fibers;

2 eine Anordnung von zwei Lichtleitfasern an einem Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung; 2 an arrangement of two optical fibers using an example of an arrangement according to the invention;

3 ein Diagramm von in Abhängigkeit eines sich verändernden Abstandes einer reflektierenden Oberfläche verändernder Koppeleffizienz; 3 a diagram of depending on a changing distance of a reflecting surface changing coupling efficiency;

4 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit zwei symmetrisch um eine optische Achse dezentrierten Lichtleitfasern; 4 an example of an arrangement according to the invention with two optical fibers symmetrically decentered about an optical axis;

5 ein weiteres Beispiel mit einem zusätzlichen strahlformenden optischen Element und 5 another example with an additional beam-shaping optical element and

6 eine räumliche Darstellung des bei Beispiel nach 5 zusätzlich eingesetzten strahlformenden optischen Elementes. 6 a spatial representation of the example 5 additionally used beam-shaping optical element.

In 1 ist in schematischer Form ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung gezeigt.In 1 an example of an arrangement according to the invention is shown in schematic form.

Dabei wird Licht einer nicht dargestellten Lichtquelle über eine Lichtleitfaser 1 ausgekoppelt und in divergenter Form auf ein kollimierendes optisches Element 2 gerichtet. Die parallele Lichtstrahlung trifft dann auf eine Arrayanordnung 3, die aus äquidistant zueinander angeordneten fokussierenden optischen Elementen 3' gebildet ist. Dabei wird die Lichtstrahlung von jedem der fokussierenden optischen Elemente 3' in Richtung auf eine reflektierende Oberfläche 4, die Bestandteil einer weiter nicht dargestellten Membran oder auf einer solchen Membran fixiert angeordnet ist, gerichtet.Light from a light source, not shown, is transmitted via an optical fiber 1 uncoupled and in a divergent form on a collimating optical element 2 directed. The parallel light radiation then strikes an array arrangement 3 , which consist of equidistantly arranged focusing optical elements 3 ' is formed. The light radiation from each of the focusing optical elements 3 ' towards a reflective surface 4 , which is part of a membrane, not shown, or is arranged fixed on such a membrane.

Dabei sind die fokussierenden optischen Elemente 3' so ausgebildet und in einem Abstand zur reflektierenden Oberfläche 4 angeordnet, die zumindest in der Nähe ihrer Brennweite f liegt.Here are the focusing optical elements 3 ' so designed and at a distance from the reflective surface 4 arranged, which is at least in the vicinity of their focal length f.

Infolge von jeweiligen Reflexionen werden die einzelnen Abbildungen in die Stirnfläche der Lichtleitfaser 5 eingekoppelt und auf einem mit dieser Lichtleitfaser 5 verbundenen optischen Detektor (nicht dargestellt) gerichtet, wenn die reflektierende Oberfläche 4 außerhalb der Brennpunktebene der optischen Elemente 3' angeordnet ist. Ist die reflektierende Oberflä che 4 in der Brennpunktebene der optischen Elemente 3' angeordnet, erfolgt eine Reflexion des gesamten Lichtes von der reflektierenden Oberfläche 4 zurück in die Lichtleitfaser 1.As a result of respective reflections, the individual images appear in the end face of the optical fiber 5 coupled and on one with this optical fiber 5 connected optical detector (not shown) directed when the reflective surface 4 outside the focal plane of the optical elements 3 ' is arranged. Is the reflective surface 4 in the focal plane of the optical elements 3 ' arranged, there is a reflection of all light from the reflecting surface 4 back into the optical fiber 1 ,

Mit diesem optischen Detektor wird die Lichtintensität des reflektierten und in die Lichtleitfaser 5 eingekoppelten Lichtes erfasst und kann für eine Bestimmung des jeweiligen Abstandes der reflektierenden Fläche 4 oder gegebenenfalls auftretenden Abstandsänderungen genutzt werden.With this optical detector Light intensity of the reflected and in the optical fiber 5 Coupled light detected and can be used to determine the respective distance of the reflecting surface 4 or any changes in distance that may occur.

Einflussgrößen sind dabei die Brennweite F des kollimierenden optischen Elementes 2, der Abstand D zwischen kollimierendem optischen Element 2 und der Arrayanordnung 3 von fokussierenden optischen Elementen 3', deren Brennweite f, die kleiner als die Brennweite F des kollimierenden optischen Elementes 2 ist.The influencing variables are the focal length F of the collimating optical element 2 , the distance D between the collimating optical element 2 and the array arrangement 3 of focusing optical elements 3 ' whose focal length f is smaller than the focal length F of the collimating optical element 2 is.

Für den Fall, dass der Abstand zwischen der Arrayanordnung 3 und der reflektierenden Oberfläche 4 der Brennweite f der fokussierenden optischen Elemente 3' und Abstand der Lichtleitfaser 1 zum kollimierenden optischen Element 2, der Brennweite F des optischen Elements 2 entspricht, kann der Kern der Lichtleitfaser 1 im Maßstab 1:1 aufrecht auf sich selbst abgebildet werden.In the event that the distance between the array arrangement 3 and the reflective surface 4 the focal length f of the focusing optical elements 3 ' and distance of the optical fiber 1 to the collimating optical element 2 , the focal length F of the optical element 2 corresponds to the core of the optical fiber 1 be displayed upright on yourself on a scale of 1: 1.

Ändert sich jedoch der Abstand der reflektierenden Oberfläche 4, so erfolgt die Abbildung je nach der sich jeweils ergebenden Änderung des Abstands mehr oder weniger defokussiert, so dass nur ein Teil des Lichtes wieder in die Lichtleitfaser 1 zurück und ein anderer Teil des Lichtes in die Lichtleitfaser 5 eingekoppelt und mit dem optischen Detektor detektiert werden kann.However, the distance of the reflective surface changes 4 , the image is more or less defocused depending on the change in the distance that results, so that only part of the light is returned to the optical fiber 1 back and another part of the light into the optical fiber 5 can be coupled in and detected with the optical detector.

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 3' der Arrayanordnung 3 und 6 die Auslenkung der reflektierenden Fläche aus der Nominalentfernung von der Arrayanordnung 3.NA are the numerical aperture of the focusing optical elements 3 ' the array arrangement 3 and 6 deflection of the reflective surface from the nominal distance from the array arrangement 3 ,

Die Messempfindlichkeit kann dabei durch eine Vergrößerung der numerischen Aperturen und/oder Reduzierung der Brennweite der fokussierenden optischen Elemente 3' sowie auch durch die Vergrößerung der Brennweite F des kollimierenden optischen Elementes erreicht werden.The measurement sensitivity can be increased by increasing the numerical apertures and / or reducing the focal length of the focusing optical elements 3 ' as well as by increasing the focal length F of the collimating optical element.

Im Gegensatz zur Darstellung von 1 besteht aber auch die Möglichkeit lediglich eine Lichtleitfaser 1 einzusetzen, aus der Licht einer Lichtquelle ausgekoppelt und über die aus kollimierendem optischen Element 2 und Arrayanordnung 3 gebildete Abbildungsoptik auf die reflektierende Oberfläche 4 zu richten und von dort rückreflektiertes Licht in diese Lichtleitfaser einzukoppeln. Dabei ist eine solche Lichtleitfaser an einen Faserverzweiger/Lichtkoppler angeschlossen, so dass rückreflektiertes Licht auf den optischen Detektor auftreffen kann.Contrary to the representation of 1 but there is also the possibility of only one optical fiber 1 used, out of the light of a light source and via the collimating optical element 2 and array arrangement 3 imaging optics formed on the reflective surface 4 to direct and couple back-reflected light from there into this optical fiber. Such an optical fiber is connected to a fiber splitter / light coupler, so that back-reflected light can strike the optical detector.

In 2 ist ein Beispiel ebenfalls in schematischer Form gezeigt, bei dem eine Lichtleitfaser 1, als Stufenindex-Multimodefaser mit einem Kerndurchmesser von 0,1 mm und einer numerischen Apertur von 0,25 eingesetzt worden ist.In 2 an example is also shown in schematic form in which an optical fiber 1 , has been used as a step index multimode fiber with a core diameter of 0.1 mm and a numerical aperture of 0.25.

Die aus dieser Lichtleitfaser 1 ausgekoppelte Lichtstrahlung erreicht divergent, die das eine kollimierende optische Element 2 bildende plankonvexe Linse, deren konvexe Oberfläche asphärisch gekrümmt ist. Die plankonvexe Linse ist eine kommerziell erhältliche asphärische Linse mit der Bezeichnung GELTECH 350240.The one from this optical fiber 1 decoupled light radiation reaches divergent, which is the one collimating optical element 2 Forming plano-convex lens, the convex surface of which is aspherically curved. The plano-convex lens is a commercially available aspherical lens called GELTECH 350240.

Die Arrayanordnung 3 wird aus Zylinderlinsen, als fokussierende optische Elemente 3' mit einem Abstand von 0,15 mm ihrer optischen Achsen jeweils zueinander und mit einer Brennweite von 0,2 mm ausgebildet. Die einzelnen Zylinderlinsen weisen eine numerische Apertur von 0,35 auf. Dabei sind die konvex gekrümmten Flächen der Zylinderlinsen, als fokussierende optische Elemente 3' bei diesem Beispiel in Richtung auf die reflektierende Oberfläche 4 ausgerichtet. Ihre Krümmung ist ebenfalls asphärisch mit einer konischen Konstante von – 2,3 ausgebildet.The array arrangement 3 is made of cylindrical lenses, as focusing optical elements 3 ' with a distance of 0.15 mm of their optical axes to each other and with a focal length of 0.2 mm. The individual cylindrical lenses have a numerical aperture of 0.35. The convexly curved surfaces of the cylindrical lenses act as focusing optical elements 3 ' in this example towards the reflective surface 4 aligned. Their curvature is also aspherical with a conical constant of - 2.3.

Von der reflektierenden Oberfläche 4 reflektiertes Licht passiert diese Abbildungsoptik in umgekehrter Richtung. So kann reflektiertes Licht in die de' zentrische Lichtleitfaser 5, die in einem Abstand von 0,2 mm zur Lichtleitfaser 1 angeordnet ist, und einen Kerndurchmesser von 0,2 mm mit einer numerischen Apertur von 0,37 aufweist, eingekoppelt werden.From the reflective surface 4 reflected light passes through this imaging optics in the opposite direction. In this way, reflected light can enter the decentralized optical fiber 5 that are at a distance of 0.2 mm to the optical fiber 1 is arranged, and has a core diameter of 0.2 mm with a numerical aperture of 0.37.

Ändert sich der Abstand der reflektierenden Oberfläche 4, so wird in Abhängigkeit der jeweilig auftretenden Abstandsänderung mehr oder weniger Licht in die Lichtleitfaser 5 eingekoppelt.The distance of the reflective surface changes 4 , more or less light will be in the optical fiber depending on the change in distance that occurs 5 coupled.

Eine durch Strahlverfolgung bestimmte Abhängigkeit der in die Lichtleitfaser 5 eingekoppelten Lichtin tensität von der jeweiligen Auslenkung/dem jeweiligen Abstand der reflektierenden Oberfläche 4 aus einem Sollabstand von 0,2 mm ist in Form eines Diagramms in 3 dargestellt.A dependency of the optical fiber determined by beam tracing 5 coupled light intensity from the respective deflection / the respective distance of the reflecting surface 4 from a target distance of 0.2 mm is in the form of a diagram in 3 shown.

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 4 soll eine mögliche Ausführungsform, bei der zwei Lichtleitfasern 1 und 5 um die optische Achse des kollimierenden optischen Elementes 2 dezentriert sind, gezeigt werden. Dadurch kann erreicht werden, dass falls sich die reflektierende Oberfläche 4 in einem vorgebbaren Sollabstand befindet, entweder eine Verkippung der reflektierenden Oberfläche 4 oder durch eine Dezentrierung der Lichtleitfaser 5, aus der Licht für die Bestrahlung der reflektierenden Oberfläche 4 ausgekoppelt wird, in Bezug zur optischen Achse des kollimierenden optischen Elementes ein erhöhter Anteil an von der reflektierenden Oberfläche 4 reflektiertem Licht in die Lichtleitfaser 5 eingekoppelt werden kann. So bewirkt auch eine Abstandsänderung der reflektierenden Oberfläche eine Reduzierung der in die Lichtleitfaser 5 eingekoppelten und mit dem optischen Detektor detektierbaren Intensität.With 4 is a possible embodiment in which two optical fibers 1 and 5 about the optical axis of the collimating optical element 2 are decentered. This can ensure that if the reflective surface 4 is at a predetermined target distance, either a tilt of the reflecting surface 4 or by decentering the optical fiber 5 , out of the light for irradiating the reflective surface 4 is coupled out, with respect to the optical axis of the collimating optical element, an increased proportion of the reflecting surface 4 reflected light into the optical fiber 5 can be coupled. A change in the distance of the reflecting surface also results che a reduction in the optical fiber 5 coupled intensity and detectable with the optical detector.

Bei dem in 5 gezeigten Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung sind zwischen fokussierenden optischen Elementen 3', die hier Bestandteil einer Array-Anordnung 3 sind, Durchbrechungen 7 bzw. 7' ausgebildet. In nicht dargestellter Form können die fokussierenden optischen Elemente 3' auch mit Abständen zueinander angeordnet sein, so dass zwischen ihnen Freiräume verbleiben.At the in 5 shown example of an arrangement according to the invention are between focusing optical elements 3 ' which are part of an array arrangement here 3 are breakthroughs 7 respectively. 7 ' educated. In a form not shown, the focusing optical elements 3 ' also be spaced from each other so that there is space between them.

Mit einer solchen Ausbildung einer erfindungsgemäßen Anordnung kann eine deutliche Verbesserung des Frequenzganges erreicht werden, da so ein Druckausgleich bei Abstandsänderungen der reflektierenden Oberfläche 4 erreichbar ist. Insbesondere da die Abstände zwischen reflektierender Oberfläche 4 und den fokussierenden optischen Elementen 3', insbesondere bei einer Array-Anordnung 3 gering sind, kann sich das dazwischen vorhandene Luftpolster dämpfend auswirken. Mittels der Durchbrechungen 7, 7' oder entsprechenden Freiräumen kann dieser Nachteil behoben werden.With such a configuration of an arrangement according to the invention, a significant improvement in the frequency response can be achieved, since pressure compensation in the event of changes in the distance of the reflecting surface 4 is achievable. Especially since the distances between the reflective surface 4 and the focusing optical elements 3 ' , especially with an array arrangement 3 are low, the air cushion in between can have a dampening effect. By means of the breakthroughs 7 . 7 ' or corresponding free spaces, this disadvantage can be eliminated.

Bei dem in 5 gezeigten Beispiel ist zusätzlich ein strahlformendes optisches Element 6 zwischen dem kollimierenden optischen Element 2 und den fokussierenden optischen Elementen 3', also hier der Array-Anordnung 3 vorhanden.At the in 5 The example shown is additionally a beam-shaping optical element 6 between the collimating optical element 2 and the focusing optical elements 3 ' , here the array arrangement 3 available.

Mit diesem strahlformenden optischen Element 6 können Lichtverluste kompensiert werden, da so lediglich Bereiche der Array-Anordnung 3, auf denen fokussierende optische Elemente 3' angeordnet sind, beleuchtet werden und eine gezielte Lichtstrahlführung auf diese Bereiche erfolgt und dementsprechend Bereiche mit Durchbrechungen 7, 7' nicht beleuchtet werden.With this beam-shaping optical element 6 Loss of light can be compensated for, since this means only areas of the array arrangement 3 on which focusing optical elements 3 ' are arranged, are illuminated and a targeted light beam is guided onto these areas and, accordingly, areas with openings 7 . 7 ' not be illuminated.

Neben dem im Beispiel nach den 5 und 6 gezeigten strahlformenden Element 6 können auch ein oder auch mehrere diffraktive oder refraktive optische Elemente eingesetzt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit (nicht dargestellt) strahlformende Elemente in das kollimierende optische Element 2 zu in tegrieren, so dass auf das zusätzliche Element 6 verzichtet werden könnte.In addition to the example in the 5 and 6 shown beam-shaping element 6 one or more diffractive or refractive optical elements can also be used. However, there is also the possibility (not shown) of beam-shaping elements in the collimating optical element 2 to integrate so that on the additional element 6 could be dispensed with.

Beim gezeigten Beispiel wird eine Teleskop-Array-Anordnung eingesetzt.In the example shown, a Telescope array arrangement used.

Mit der räumlichen perspektivischen Darstellung von 6 wird deutlich, dass das strahlformende optische Element 6 an zwei sich diametral gegenüberliegenden Oberflächen quadratische konvex und auf der gegenüberliegenden Seite konkav gewölbte Oberflächenbereiche 6a und 6b komplementär ausgebildet sind, die jeweils durch Menisken voneinander getrennt sind.With the spatial perspective representation of 6 it becomes clear that the beam-shaping optical element 6 square convex on two diametrically opposite surfaces and concave surfaces on the opposite side 6a and 6b are complementary, each separated by menisci.

So ist die Seite des strahlformenden optischen Elementes 6 mit den konvex gewölbten Oberflächen 6a in Richtung auf das kollimierende optische Element 2 weisend und mit den konkav gewölbten Oberflächenbereichen 6b in Richtung auf die fokussierenden optischen Elemente 3' weisend angeordnet.This is the side of the beam-shaping optical element 6 with the convex curved surfaces 6a towards the collimating optical element 2 pointing and with the concave surface areas 6b towards the focusing optical elements 3 ' arranged pointing.

Dabei können die gewölbten Oberflächenbereiche so angeordnet und dimensioniert werden, dass lediglich fokussierende optische Elemente 3' bestrahlt und Bereiche, in denen Durchbrechungen 7, 7' angeordnet sind, nicht bestrahlt werden.The curved surface areas can be arranged and dimensioned such that only focusing optical elements 3 ' irradiated and areas where breakthroughs 7 . 7 ' are arranged, not to be irradiated.

Claims

Arrangement for the optical distance determination of a reflecting surface, to which light from a light source is directed via a first optical fiber and from which reflected light reaches at least one statically arranged optical detector via the first optical fiber or at least one further optical fiber, characterized in that the light is directed onto the reflective surface ( 4 ) and from the reflective surface ( 4 ) via at least one towards the reflecting surface ( 4 ) collimating optical element ( 2 ) and at least two towards the reflecting surface ( 4 ) focusing optical elements ( 3 ' ) whose optical axes are parallel to the optical axis of the collimating optical element ( 2 ) are aligned and arranged at predetermined distances from each other.

Arrangement according to claim 1, characterized in that a plurality of focusing optical elements ( 3 ' ) form a row or an array in several rows along one axis.

Arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the focusing optical elements ( 3 ' ) are arranged equidistant from each other.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the focusing optical elements ( 3 ' ) at a constant distance from the collimating optical element ( 2 ) are arranged.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the focusing optical elements ( 3 ' ) are designed as cylindrical lenses.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the convex surfaces of the focusing optical elements ( 3 ' ) are aspherically curved.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the collimating optical element ( 2 ) is a plano-convex optical lens.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the con vex surface of the collimating optical element ( 2 ) is aspherically curved.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the end face of the at least one further optical fiber ( 5 ) into which reflected light can be coupled, directly next to the end face of the first optical fiber ( 1 ), from which light from the light source emerges.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that in an arrangement in which light from an end face of a first optical fiber ( 1 ) on the reflective surface ( 4 ) directed and reflected light from there into the end face of this optical fiber ( 1 ) can be coupled in, a fiber splitter / feedback for light from the light source and for reflected light to the optical detector is available.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the end face (s) of the first optical fiber and / or the at least one further optical fiber ( 5 ) orthogonal to the optical axis of the collimating optical element ( 2 ) is / are.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the first optical fiber ( 1 ) and / or the at least one further optical fiber ( 5 ) each at an obliquely inclined angle with respect to the optical axis of the collimating optical element ( 2 ) is / are.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the first optical fiber ( 1 ) and / or the at least one further optical fiber ( 5 ) offset to the optical axis of the collimating optical element ( 2 ) is / are arranged.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that on the end face of the first optical fiber ( 1 ) a transmission grid is formed.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized that the light source is an LED or a laser diode is.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the reflecting surface ( 4 ) part of a membrane or on a membrane is arranged.

Arrangement according to one of claims 1 to 16, characterized in that between focusing optical elements ( 3 ' ) Free spaces or openings ( 7 . 7 ' ) are trained.

Arrangement according to one of claims 1 to 17, characterized in that between the collimating optical element ( 2 ) and focusing optical elements ( 3 ' ) at least one further beam-shaping optical element ( 6 ) is arranged or beam-shaping elements in the collimating optical element ( 2 ) are integrated.

Arrangement according to claim 18, characterized in that the beam-shaping optical element ( 6 ) is a telescopic array arrangement.

Arrangement according to claim 18, characterized in that the beam-shaping optical element (s) ( 6 ) is / are diffractive or refractive optical elements.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the arrangement forms an optical microphone.