DE10056510A1

DE10056510A1 - Infrared illumination device for detecting paper path agitation, has microlens plate having microlenses arranged individually corresponding to ferrule of each optical fiber

Info

Publication number: DE10056510A1
Application number: DE10056510A
Authority: DE
Inventors: Ursula Schumacher
Original assignee: QUALICO GmbH
Current assignee: Metso Paper Automation Oy
Priority date: 1999-12-11
Filing date: 2000-11-15
Publication date: 2001-06-13

Abstract

The light irradiated by source (20) passes through several optical fibers (32). A ferrule is fixed to one end of each optical fiber and is inserted into the holes provided in the holder (28). A microlens plate (26) that is arranged between collecting lens and holder, has microlenses arranged individually corresponding to ferrule of each optical fiber.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine IR-Beleuchtungseinrichtung für eine Vorrichtung zum Erfassen von Eigenschaften einer Papierbahn, insbesonde re für eine Vorrichtung zur Produktionskontrolle bei der Papierherstellung,
The invention relates to an IR illumination device for a device for detecting properties of a paper web, in particular for a device for production control in paper manufacture,

- which has a light source,
- Which has a light entry part assigned to the light source, wel cher a plurality of optical fibers running parallel to each other has, each having an entry surface facing the light source is turned and illuminated by it.

Nach diesem vorbekannten Stand der Technik erfolgt das Einkoppeln von Licht einer Lichtquelle in ganz viele Lichtleiterfasern dadurch, dass man die Lichtleiterfasern auf engstem Raum zusammenfasst und die Lichtquelle auf dieses Faserbündel abbildet. Die Lichtquelle ist dabei zumeist die Wendel ei ner Halogenlampe. Die Lichtverteilung dieser Wendel ist nun aber nicht ho mogen, dies führt zu unterschiedlichen Ausleuchtungen der einzelnen Lichtleiterfasern und damit zu unterschiedlichen Lichtströmen in diesen. Weiterhin ergibt sich dann ein Problem, wenn eine Faser defekt ist. Da muss man das gesamte Bündel austauschen und die Eintrittsfläche des gesamten Bündels neu polieren. Dies ist nachteilig.According to this prior art, the coupling of Light from a light source in a large number of optical fibers by the fact that the Fiber optics in a confined space and the light source maps this fiber bundle. The light source is mostly the filament egg a halogen lamp. The light distribution of this filament is now not high mogen, this leads to different illuminations of the individual Optical fibers and thus to different light fluxes in them. A problem also arises when a fiber is defective. That must you swap the entire bundle and the entry area of the whole Polish the bundle again. This is a disadvantage.

Hier setzt die Erfindung ein. Sie hat es sich zur Aufgabe gemacht, diese Nachteile zu vermeiden und die vorbekannte IR-Beleuchtungseinrichtung unter Beibehaltung ihrer Vorteile dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Ausleuchtung der einzelnen Lichtleiterfasern möglichst gleichmässig und ein Austausch einzelner Lichtleiterfasern möglich ist.This is where the invention comes in. It has set itself the task of this To avoid disadvantages and the previously known IR lighting device while maintaining their advantages in that the Illumination of the individual optical fibers as uniform and as possible Exchange of individual optical fibers is possible.

Ausgehend von der IR-Beleuchtungseinrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Lichtleiterfasern in unmittelba rer Nähe ihrer Eintrittsflächen in einem Vielfachhalter angeordnet, der für jede einzelne Lichtleiterfaser eine lösbare Halterung ausbildet, in der die Lichtleiterfasern jeweils einzeln angeordnet sind und dass zwischen Optik und diesem Vielfachhalter eine Mikrolinsenplatte angeordnet ist, die eine Vielzahl von Mikrolinsen aufweist, die nebeneinander angeordnet sind, wobei jeder Eingangsfläche einer Lichtleiterfaser eine Mikrolinse zugeordnet ist.Based on the IR lighting device of the type mentioned this problem is solved in that the optical fibers in immediate rer close to their entry surfaces arranged in a multiple holder that for each individual optical fiber forms a detachable holder in which the Optical fibers are arranged individually and that between optics and this multiple holder is arranged a microlens plate, the one Has a plurality of microlenses, which are arranged side by side, wherein A microlens is assigned to each input surface of an optical fiber.

Die Erfindung schlägt somit vor, jeder einzelnen Lichtleiterfaser eine Mikro linse der Mikrolinsenplatte zuzuordnen. Weiterhin sind die Lichtleiterfasern im Bereich der Eintrittsflächen in einem Vielfachhalter angeordnet. Diese hat lösbare Halterungen, für jede einzelne Lichtleiterfaser ist eine Halterung vor gesehen. Dabei ist vorzugsweise die flächenperiodische Anordnung dieser Halterungen im Vielfachhalter dieselbe wie die flächenperiodische Anord nung der Mikrolinsen der Mikrolinsenplatte. Vorzugsweise hat der Vielfach halter eine Vielzahl von Bohrungen, die jeweils Halterungen aufnehmen und gleichachsig sind mit optischen Achsen der Mikrolinsen.The invention thus proposes a micro for each individual optical fiber assign lens to the microlens plate. Furthermore, the optical fibers arranged in the area of the entry surfaces in a multiple holder. This has Detachable brackets, there is a bracket for each individual optical fiber seen. The area-period arrangement of these is preferred Holders in the multiple holder are the same as the area-period arrangement the microlenses of the microlens plate. Preferably the multiple holder a variety of holes, each of which hold brackets and are coaxial with optical axes of the microlenses.

Durch die zweidimensionale Anordnung der Mikrolinsen auf der Mikrolin senplatte wird ein relativ grosser Lichtstrom der Lichtquelle in die Fasern gekoppelt. Der Verlust ist jedenfalls deutlich geringer als bei der IR- Bleuchtungseinrichtung nach den Stand der Technik. Einzelne Lichtleiterfa sern können ausgetauscht werden, indem sie mit ihrer Halterung aus dem Vielfachhalter herausgenommen werden. Vorzugsweise sind die Halterungen in Bohrungen der Vielfachhalter eingesteckt und können von der Seite der Lichtleiterfaser entnommen werden. Dabei ist ein mechanischer Halt der Halterungen im Vielfachhalter vorteilhaft, beispielsweise können die Halte rungen eingeschraubt werden, haben also ebenso wie die Bohrungen im Vielfachhalter ein Schraubgewinde, oder der Halt der Halterungen erfolgt durch Klemmen oder es ist ein separates Haltemittel vorgesehen, wie eine rückseitige, mit Bohrungen versehene Platte, die alle überstehenden Endbe reiche der Halterungen andrückt.Due to the two-dimensional arrangement of the microlenses on the microlin a relatively large luminous flux from the light source into the fibers coupled. In any case, the loss is significantly less than with the IR Illumination device according to the prior art. Single fiber optics can be replaced by pulling them out of the Multiple holders can be removed. The brackets are preferably inserted in the holes of the multiple holder and can be from the side of the Optical fiber can be removed. A mechanical hold is the Mounts in the multiple holder advantageous, for example, the holders are screwed in, as well as the holes in the Multiple holder a screw thread, or the holders are held by clamping or a separate holding means is provided, such as one back plate with holes, which all protruding Endbe reach the brackets.

In einer bevorzugten Weiterbildung befindet sich die Eingangsfläche jeder einzelnen Lichtleiterfaser im Brennpunkt der zugehörigen Mikrolinse der Mikrolinsenplatte. Auf diese Weise wird das einfallende Licht, das durch die Mikrolinse hindurchgeht, im wesentlichen in die Lichtleiterfaser eingekop pelt.In a preferred development, the entrance area is located on each single optical fiber in the focus of the associated microlens Microlens plate. In this way, the incident light that is transmitted through the Microlens passes through, essentially into the optical fiber pelt.

Diese Ankopplung kann noch dadurch verbessert werden, dass man die Mikrolinsen mit parallelem Licht betrachtet und den Öffnungswinkel der Randstrahlen jeder Mikrolinse, gesehen vom Brennpunkt, so wählt, dass er dem Eintrittswinkel der zugeordneten Lichtleiterfaser entspricht. Auf diese Weise wird erreicht, dass das von einer Mikrolinse stammende, im Brenn punkt gebündelte Licht im wesentlichen in die Lichtleiterfaser eingekoppelt wird.This coupling can be further improved by using the Microlenses viewed with parallel light and the opening angle of the Edge rays of each microlens, seen from the focal point, choose so that it corresponds to the entry angle of the assigned optical fiber. To this It is achieved in such a way that that which comes from a microlens, in the focal point point bundled light essentially coupled into the optical fiber becomes.

Vorzugsweise wird die Mikrolinsenplatte mit parallelem Licht bestrahlt. Hier zu ist der Lichtquelle eine Optik zugeordnet, die das Licht parallelisiert, bei spielsweise ein Hohlspiegel und/oder mindestens eine Sammellinse. Auf die se Weise kann ein relativ grosser Raumwinkel des von der Lichtquelle abge strahlten Lichtes in die Eintrittsöffnungen der Lichtleiterfasern eingekoppelt werden. The microlens plate is preferably irradiated with parallel light. Here to the light source is assigned optics that parallelize the light at for example a concave mirror and / or at least one converging lens. On the In this way, a relatively large solid angle of the light source radiated light into the entry openings of the optical fibers become.

Die IR-Beleuchtungseinrichtung eignet sich insbesondere für Lichtquellen mit Wolframwendel und bevorzugt für Halogenlampen. Grundsätzlich ist sie aber auch für Lampen anderer Art geeignet.The IR lighting device is particularly suitable for light sources with tungsten filament and preferred for halogen lamps. Basically it is but also suitable for other types of lamps.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen der Erfindung, die unter Bezug nahme auf die Zeichnung im folgenden näher erläutert werden. In dieser zei gen:Further advantages and features of the invention result from the others Claims and the following description of non-limiting to understand embodiments of the invention, which refer to took on the drawing are explained in more detail below. In this time gene:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der Beleuchtungseinrichtung, Fig. 1 is a perspective view of the lighting device,

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Beleuchtungseinrichtung ähnlich Fig. 1 und mit weiteren Teilen einer Vorrichtung zum Erfassen von Ei genschaften einer Papierbahn,Similar to FIG. 2 is a side view of an illumination device Fig. 1 and with further parts of a device for detecting egg properties of a paper web,

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Vielfachhalter, Fig. 3 is a plan view of a multiple holder,

Fig. 4 eine Seitenansicht entsprechend Fig. 2 für eine Beleuchtungsein richtung mit Chopper und Fig. 4 is a side view corresponding to Fig. 2 for a direction illuminator with chopper and

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Chopperscheibe des Choppers nach Fig. 4. Fig. 5 is a plan view of the chopper wheel of the chopper according to Fig. 4.

Es werden zunächst die Ausführungen nach Fig. 1 und Fig. 2 sowie Fig. 3 besprochen, da diese weitgehende Übereinstimmungen zeigen und sich ge genseitig ergänzen. Gemäss dieser Figuren ist eine Lichtquelle 20 in Form einer Halogenlampe mit Wolframwendel vorgesehen. Auf der einen Seite die ser Lichtquelle 20, in den Figuren links, befindet sich ein Hohlspiegel 22 im halben Brennweitenabstand von der Wendel der Lichtquelle 20. Anders aus gedrückt befindet sich die Wendel im geometrischen Zentrum der Krüm mung des Hohlspiegels 22. Dadurch wird die Wendel in sich zurück abgebil det. Die Justierung des Hohlspiegels 22 kann dabei vorzugsweise so erfol gen, dass die vom Hohlspiegel 22 abgebildeten Wendeln in den Zwischen raum zwischen den tatsächlichen Wendeln der Lichtquelle 20 fallen. It will be discussed first, the embodiments according to FIGS. 1 and Fig. 2 and Fig. 3, since this largely matches show and complement ge genseitig. According to these figures, a light source 20 is provided in the form of a halogen lamp with a tungsten filament. On one side of the water light source 20 , on the left in the figures, there is a concave mirror 22 at half the focal distance from the coil of the light source 20 . In other words, the helix is in the geometric center of the curvature of the concave mirror 22 . As a result, the helix is reflected back in itself. The adjustment of the concave mirror 22 can preferably be so successful that the coils depicted by the concave mirror 22 fall into the space between the actual coils of the light source 20 .

Auf der anderen Seite ist eine Sammellinse 24 vorgesehen. Sie befindet sich im Brennweitenabstand von der Lichtquelle 20, sodass das aus ihr nach rechts austretende Licht parallel ist.On the other hand, a converging lens 24 is provided. It is located at a focal distance from the light source 20 , so that the light emerging from it to the right is parallel.

In der Ausführung nach Fig. 1 wird diese Sammellinse 24 durch zwei ein zelne Kollimatorlinsen erhalten, in der Ausbildung nach Fig. 2 ist eine einzi ge Sammellinse 24 vorgesehen.In the embodiment according to FIG. 1, this converging lens 24 is obtained by means of two individual collimator lenses, in the embodiment according to FIG. 2 a single collecting lens 24 is provided.

Das aus der Sammellinse 24 parallel austretende Licht fällt auf eine Mikro linsenplatte 26 mit einer Matrix an einzelnen Mikrolinsen 27 (siehe Fig. 1), die untereinander baugleich sind. Die flächenmässige geometrische Vertei lung dieser Mikrolinsen auf der Mikrolinsenplatte 26 entspricht exakt der Anordnung der Bohrungen in einem Vielfachhalter 28, der sich im Strahlen gang wiederum hinter der Mikrolinsenplatte 26 befindet. Alle die beschriebe nen Bauteile sind entlang einer optischen Achse 30 aufgereiht.The light emerging from the converging lens 24 in parallel falls on a micro lens plate 26 with a matrix of individual microlenses 27 (see FIG. 1), which are identical to one another. The areal geometric distribution of these microlenses on the microlens plate 26 corresponds exactly to the arrangement of the bores in a multiple holder 28 , which in turn is in the beam path behind the microlens plate 26 . All the components described are lined up along an optical axis 30 .

Der Vielfachhalter 28 ist im wesentlichen eine Platte, die eine Vielzahl von zueinander parallelen Bohrungen hat. Sie sind im Sinne eines Schachbrett musters angeordnet, worauf bereits hingewiesen wurde, siehe Fig. 1 und Fig. 3. Jede Bohrung ist für die Aufnahme einer Lichtleiterfaser 32 be stimmt. Deren Aussendurchmesser ist jedoch deutlich kleiner als der Innen durchmesser der Bohrung im Vielfachhalter 28. Durch eine Metallhülse, im folgenden Ferul 34 genannt, wird der eingangsseitige Endbereich jeder Lichtleiterfaser 32 umgriffen und festgelegt. Die Ferule 34 ihrerseits sitzen in den einzelnen Bohrungen des Vielfachhalters 28 fest. Zu derartigen Ferulen allgemein und ihre Festlegung in einem Halter wird verwiesen auf die Veröf fentlichung Ball Lens Connector System for Optical Fibres and Cables, A. Ni cia and D. Rittich, International Wire & Gable Symposium Proc. 1981, S. 341.The multiple holder 28 is essentially a plate which has a plurality of mutually parallel bores. They are arranged in the sense of a chessboard pattern, which has already been pointed out, see Fig. 1 and Fig. 3. Each hole is intended for receiving an optical fiber 32 be. However, their outside diameter is significantly smaller than the inside diameter of the bore in the multiple holder 28 . A metal sleeve, hereinafter called Ferul 34 , encompasses and fixes the end region of each optical fiber 32 on the input side. The Ferule 34 in turn are stuck in the individual bores of the multiple holder 28 . For general information on such ferules and their definition in a holder, reference is made to the publication Ball Lens Connector System for Optical Fibers and Cables, A. Ni cia and D. Rittich, International Wire & Gable Symposium Proc. 1981, p. 341.

In Fig. 1 ist der Vielfachhalter 28 aus transparentem Material dargestellt, um die in ihm eingesteckten Ferule 34 besser erkennbar zu machen. In Fig. 1 the multiple holder 28 is shown made of transparent material in order to make the Ferule 34 inserted in it easier to see.

Gleichfalls ist ein Teil der Mikrolinsenplatte 26 weggeschnitten. Man er kennt, dass die Mikrolinsenplatte in der vereinfachten Darstellung ein 4 × 4 quadratisches Muster hat, ebenso der Vielfachhalter 28. In einer verbesserten Ausführung sind die Bohrungen bzw. Linsen einer Rei he auf Lücke zu den Linsen bzw. Bohrungen einer benachbarten Reihe ver setzt, hierdurch wird eine grössere Ausnutzung der Fläche erzielt.Likewise, part of the microlens plate 26 is cut away. It is known that the microlens plate has a 4 × 4 square pattern in the simplified illustration, as does the multiple holder 28 . In an improved version, the bores or lenses of a row are set to gap with the lenses or bores of an adjacent row, thereby making greater use of the area.

Fig. 2 zeigt am Beispiel der dort als unterster Lichtleiterfaser gezeigten Lichtleiterfaser 32, wie das Licht in diese Lichtleiterfaser eingekoppelt wird. Das Eintrittsende der Lichtleiterfaser befindet sich im Brennpunkt der zuge hörigen Mikrolinse der Mikrolinsenplatte 26, was durch einen V-förmigen Strahlengang angedeutet ist. Der Öffnungswinkel dieses Strahlengangs ent spricht dem Eintrittswinkel der Lichtleiterfaser 32. Die Lichtleiterfaser 32 ist zu einer Papierbahn 36 geführt, die im Sinne eines Pfeils bewegt wird. Diese Papierbahn soll hinsichtlich ihrer physikalischen und/oder chemischen Ei genschaften überwacht werden. Am Austrittsende der Lichtleiterfaser bildet sich auf der Papierbahn 36 ein Beleuchtungsfleck. Auf diesem ist ein Licht leiter 38 einer Nachweiseinrichtung gerichtet, durch den Lichtleiter 38 wird das von der Papierbahn 36 reflektierte Licht einem Polychromator 40 zuge leitet. Am Ausgang des Polychromators ist eine Detektormatrix mit IR-emp findlichen Pixel angeordnet. Das so in elektrische Signale umgewandelte IR- Licht wird in einer nachgeschalteten Auswerteschaltung ausgewertet, abge speichert und ausgegeben. Fig. 2 shows the example of the optical fiber shown there as unterster optical fiber 32 as the light is coupled into optical fiber. The entry end of the optical fiber is at the focal point of the associated microlens of the microlens plate 26 , which is indicated by a V-shaped beam path. The opening angle of this beam path corresponds to the entry angle of the optical fiber 32 . The optical fiber 32 is guided to a paper web 36 which is moved in the direction of an arrow. This paper web is to be monitored with regard to its physical and / or chemical properties. At the exit end of the optical fiber, an illumination spot forms on the paper web 36 . On this, a light guide 38 of a detection device is directed by the light guide 38, the light reflected from the paper web 36 passes light is a polychromator 40 supplied. A detector matrix with IR-sensitive pixels is arranged at the output of the polychromator. The IR light thus converted into electrical signals is evaluated, stored and output in a downstream evaluation circuit.

Im folgenden wird nun auf die Fig. 4 und 5 eingegangen. Diese zeigen im wesentlichen eine Anordnung wie die bereits beschriebenen beiden Anord nungen, sodass nun nur noch auf die Unterschiede einzugehen ist: Die Sammellinse 24 ist nun nicht so angeordnet, dass ihr Brennpunkt mit der Wendel der Lichtquelle 20 zusammenfällt, vielmehr wird entlang der opti schen Achse 30 das Licht in einem Fokuspunkt 44 fokussiert. Es ist eine weitere Sammellinse 46 vorgesehen, die nun so angeordnet ist, wie in den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 3, nämlich der Punkt 44 fällt mit dem Brennpunkt dieser Sammellinse 46 zusammen. Dadurch treten hinter der Sammellinse 46 wieder die optischen Verhältnisse auf, wie sie auch bei den Fig. 1 bis 3 vorliegen, die Mikrolinsenplatte 26 erhält pa ralleles Licht und fokussiert mit jeder ihrer einzelnen Mikrolinsen 27 das Licht auf die Eintrittsfläche eines Lichtleiters 32.The following 4 and 5 will now be made to FIG.. These essentially show an arrangement like the two arrangements already described, so that now only the differences have to be dealt with: the converging lens 24 is now not arranged such that its focal point coincides with the filament of the light source 20 , but rather is along the optical Axis 30 focuses the light at a focus point 44 . A further converging lens 46 is provided, which is now arranged as in the exemplary embodiments according to FIGS. 1 to 3, namely the point 44 coincides with the focal point of this converging lens 46 . Thereby, the optical conditions occur behind the converging lens 46 again, as are present also in FIGS. 1 to 3, the microlens plate 26 receives pa ralleles light and focused with each of their individual microlenses 27, the light on the entrance surface of a light conductor 32.

Im Bereich des Punktes 44 ist eine Chopperscheibe angeordnet, sie dreht sich um eine Achse 50, die gegenüber der optischen Achse 30 versetzt, aber zu ihr parallel ist. Dadurch befindet sich der Punkt 44 je nach Drehposition der Chopperscheibe 48 innerhalb eines Fensters 52 oder im undurchlässigen Bereich der Chopperscheibe 48. Die Position des Punktes 48 ist in Fig. 5 dargestellt für den Fall, dass er sich im Fenster 52 befindet.A chopper disk is arranged in the area of point 44 , it rotates about an axis 50 which is offset from the optical axis 30 but is parallel to it. Depending on the rotational position of the chopper disk 48 , the point 44 is thus located within a window 52 or in the impermeable area of the chopper disk 48 . The position of point 48 is shown in FIG. 5 in the event that it is in window 52 .

Claims

1. IR lighting device for a device for detecting properties of a paper web ( 36 ), in particular for a device for production control in paper manufacture,

- Which has a light source ( 20 ),
- Which has a light entry part assigned to the light source ( 20 ),
- Which has a plurality of mutually parallel optical fibers ( 32 ), each having an entry surface, which faces the light source ( 20 ) and is illuminated by it,

characterized in that the optical fibers ( 32 ) are arranged in the immediate vicinity of their entry surfaces in a multiple holder ( 28 ) which forms a holder for each individual optical fiber ( 32 ) in which the optical fibers ( 32 ) are individually detachably arranged and that between optics and this multiple holder ( 28 ) is a microlens plate ( 26 ) is arranged, which has a plurality of microlenses ( 27 ) which are arranged next to each other, each input surface of an optical fiber ( 32 ) being assigned a microlens ( 27 ).

2. IR illumination device according to claim 1, characterized in that the input surface of each individual optical fiber ( 32 ) is located in the focal point of the associated microlens ( 27 ) of the microlens plate ( 26 ).

3. IR illumination device according to claim 2, characterized in that the opening angle of the marginal rays of each microlens ( 27 ), seen from the focal point, corresponds to the entry angle of the associated optical fiber ( 32 ).

4. IR lighting device according to claim 1, characterized in that the microlenses ( 27 ) of the microlens plate ( 26 ) are mutually identical in construction.

5. IR illumination device according to claim 1, characterized in that the optical fibers ( 32 ) in the vicinity of their input surface are encompassed by ferules ( 34 ) which are detachably arranged in bores of the multiple holder ( 28 ).

6. IR lighting device according to claim 1, characterized in that the IR light source has a tungsten filament, especially a halo gen lamp is.

7. IR illumination device according to claim 1, characterized in that it has at least one converging lens ( 24 ) or a concave mirror ( 22 ).

8. IR lighting device according to claim 1, characterized in that the holder is a sleeve that has an outer diameter of ma ximal 1.5 mm, in particular a maximum of 1.2 mm.

9. IR illumination device according to claim 1, characterized in that the holder is a sleeve which has an outer diameter which is not larger than the outer diameter of the microlenses ( 27 ).

10. IR illumination device according to claim 1, characterized in that the multiple holder ( 28 ) has a plurality of bores which are each coaxial with optical axes ( 30 ) of the microlenses ( 27 ).