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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Sensor nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Gattungsgemäße
optische Sensoren zum Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich
sind für eine Vielzahl von Anwendungen bekannt und weisen
folgende Komponenten auf: eine Sendeeinheit zum Aussenden von Licht,
eine Empfangseinheit zum Empfangen von Licht, eine Sendeoptik zum
Leiten von Licht in den Überwachungsbereich und eine Empfangsoptik
zum Leiten von aus dem Überwachungsbereich kommendem Licht
auf die Empfangseinheit.
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Beispielsweise
kann es sich um Lichttaster, Triangulationssensoren, Reflexionslichtschranken oder
auch um elektrooptische Entfernungsmessgeräte nach dem
Laufzeitprinzip handeln.
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Optische
Kupplungen sind beispielsweise aus dem Bereich der Telekommunikation
bekannt und weisen einen Kupplungskörper auf, an oder in dem
mindestens ein Lichtleitbereich und Anschlussbereiche für
anzuschließende Komponenten gebildet sind.
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Bei
elektrooptischen Entfernungsmessgeräten, insbesondere solchen,
bei denen eine Pulslaufzeit zur Entfernungsbestimmung herangezogen
wird, werden aus dem Laserstrahlengang Referenzpulse ausgekoppelt,
die im Vergleich zu den Messpulsen eine geringere Höhe
aufweisen, in ihrer Pulsform ansonsten aber möglichst gut
mit den Messpulsen übereinstimmen sollen.
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Bei
diesem Prinzip der Distanzmessung sendet eine gepulste Laserdiode
für jede Messung eine Abfolge gleicher Pulse aus. Die Laserleistung
wird in zwei Fasern eingekoppelt, wobei typischerweise 80% der Leistung
auf einen Hauptkanal und 20% der Leistung auf einen Referenzkanal
entfallen. Das Licht im Hauptkanal wird sodann auf ein Zielobjekt gerichtet
und von dort zurückreflektiert. Durch Vergleich des reflektierten Strahls
mit dem Referenzstrahl kann auf die Zeitdauer für den Hin-
und Rückweg des Lichts und hierüber auf die Distanz
des Zielobjekts geschlossen werden. Eine Präzisierung der Ergebnisse
kann dabei erzielt werden, wenn über die Ergebnisse der
Pulsfolge gemittelt wird.
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Hierzu
sollten die Mess- und die Referenzpulse möglichst dieselbe
Verteilung von Lichtmoden enthalten. Diesem Aspekt kommt besondere
Bedeutung zu, da üblicherweise Laserdioden als Lichtquellen
verwendet werden, die über ihre aktive Fläche
im Allgemeinen inhomogen abstrahlen. Um eine homogenere Verteilung
der Lichtmoden zu erzielen, werden üblicherweise Diffusoren
oder lange, konventionelle Lichtwellenleiter eingesetzt. Durch eine
Vielzahl von Reflexionen kommt es dabei zur gewünschten Modemmischung.
Zum Ein- und Auskoppeln der Laserstrahlung, beispielsweise von zusätzlichen
Lichtquellen, werden im Stand der Technik bisher Strahlteiler eingesetzt.
Hierbei handelt es sich um mechanisch behandelte, beispielsweise
geeignet angeschliffene Glasfasern, die miteinander verklebt werden.
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Um
vergleichbare Pulse zu erhalten, werden bei elektrooptischen Entfernungsmessgeräten,
die eine Pulslaufzeit auswerten, die Messpulse üblicherweise
definiert abgeschwächt, wobei hierfür bisher häufig
eine aufwendige mechanische Blende, insbesondere ein auf einem drehbaren
Rad angeordnetes Verlaufsfilter eingesetzt werden. Eine Formung
des Strahls ist bisher nur mit erheblichem mechanischem und optischem
Aufwand möglich, wobei auch hier beispielsweise Glasfasern
verwendet werden.
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Die
erwähnten Diffusoren erzielen aber nur sehr eingeschränkt
die gewünschte Wirkung der Modenmischung und der Prozess
ist auch für eine Serienfertigung nur sehr eingeschränkt
reproduzierbar.
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Weiterhin
ist der Einsatz von Strahlteilern als auch von anderen Lichtwellenleiter-Lösungen
sehr teuer. Lediglich in sehr großen Stückzahlen
eingesetzte Typen können zu vertretbaren Preisen bezogen
werden. Die dabei zum Einsatz kommenden Glasfasern eignen sich aber
nur sehr eingeschränkt für den Bau der oben erwähnten
optischen Entfernungsmessgeräte. Sodann sind die üblicherweise eingesetzten
Blenden relativ aufwendig und ebenfalls teuer. Darüber
hinaus sind die benötigten Blenden nur schwer zu beschaffen.
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Schließlich
ist eine Strahlformung mit Hilfe von Glasfasern nur jeweils durch
gezielte Fertigung dieser Glasfasern in Handarbeit möglich,
was ebenfalls hohe Kosten nach sich zieht.
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Als
eine Aufgabe der Erfindung kann angesehen werden, einen optischen
Sensor zum Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich zu
schaffen, bei welchem für die Sendeoptik und/oder die Empfangsoptik
ein vereinfachter und/oder kostengünstigerer Aufbau erzielt
wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den optischen
Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der
optische Sensor der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch
weitergebildet, dass die Sendeoptik und/oder die Empfangsoptik zum
Verbinden von optischen Komponenten mindestens eine optische Kupplung
aufweist, dass die optische Kupplung einen aus einem ersten Kunststoffmaterial
gebildeten Kupplungskörper aufweist, an oder in dem mindestens
ein Lichtleitbereich und Anschlussbereiche für anzuschließende
Komponenten gebildet sind, und dass in dem Kupplungskörper
an einer ersten Formseite ein erstes Vertiefungsprofil eingeprägt
ist, welches zum Bilden der Lichtleitbereiche wenigstens teilweise
mit einem transparenten zweiten Kunststoffmaterial verfüllt
ist.
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Bei
einem Verfahren zur Herstellung einer solchen optischen Kupplung
wird in eine Formseite einer ersten Halbschale aus einem ersten
thermoplastischen Kunststoff mit einem Prägewerkzeug thermisch
ein Vertiefungsprofil eingeprägt. Weiterhin wird zum Bilden
der Lichtleitbereiche das Vertiefungsprofil wenigstens teilweise
mit einem transparenten zweiten thermoplastischen Kunststoffmaterial verfüllt.
Außerdem wird die Formseite der ersten Halbschale wenigstens
teilweise mit einer zweiten Halbschale abgedeckt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird die optische Kupplung zum Leiten
von analogen Lichtsignalen bei elektrooptischen Entfernungsmessgeräten,
insbesondere nach dem Laufzeitprinzip, verwendet.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen des optischen Sensors sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche und werden außerdem in der folgenden
Beschreibung, insbesondere mit Bezug auf die beigefügten
Figuren, erläutert.
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Als
erster Kerngedanke der Erfindung kann angesehen werden, für
die spezifische Aufgabenstellung bei optischen Sensoren und insbesondere
bei elektrooptischen Entfernungsmessgeräten, die eine Pulslaufzeit
auswerten, zur Ein- und Auskopplung von Licht und insbesondere zur
Modenmischung nicht mehr hochwertige optische Komponenten, sondern
ein gezielt für die vorliegenden Bedürfnisse geschaffenes
Massenprodukt zu verwenden.
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Als
weiterer Kerngedanke der Erfindung kann erachtet werden, als einfache
Fertigungstechnik für die einzusetzenden optischen Kupplungen
ein Prägeverfahren einzusetzen.
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Überraschenderweise
können hierbei Grenzflächen erreicht werden, welche
so strukturiert sind, dass im Hinblick auf die Durchmischung der
einzelnen Lasermoden besonders gute Eigenschaften erzielt werden.
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Als
erster wesentlicher Vorteil der Erfindung kann angesehen werden,
dass mit der Prägetechnik auch variable Prägetiefen
möglich sind. Damit können Strukturen geschaffen
werden, die sich beispielsweise in zwei Dimensionen verjüngen.
Hierdurch kann die Einkoppeleffizienz und die Variabilität der
Strahlformung deutlich verbessert werden. Damit zusammenhängend
besteht ein weiterer Vorteil darin, dass eine echte zweidimensionale
Strahlformung möglich ist. Beispielsweise kann ein im Einkoppelbereich
zunächst rechteckiges Strahlprofil auf runde Strahlprofile
im Bereich der Auskopplung überführt werden.
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Insgesamt
wird mit der vorliegenden Erfindung ein optischer Sensor mit einer
optischen Kupplung bereitgestellt, welche besonders einfach und kostengünstig
herzustellen ist und bei der außerdem im Hinblick auf die
Modenmischung besonders gute Eigenschaften erzielt werden.
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Bei
der Sendeeinheit kann es sich grundsätzlich um beliebige
Strahlungs- oder Lichtquellen handeln. Besonders bevorzugt werden
Leuchtdioden oder Laserdioden eingesetzt.
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Ebenso
kann die Empfangseinheit grundsätzlich bekannte Licht-
oder Strahlungsdetektoren aufweisen. Insbesondere werden Halbleiter-Photodetektoren
eingesetzt.
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In
besonders vorteilhafter Weise können mit optischen Kupplungen,
die gemäß dem oben beschriebenen Prägeverfahren
hergestellt sind, bei elektrooptischen Entfer nungsmessgeräten
die analogen Lichtsignale geleitet und gegebenenfalls manipuliert
werden.
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Grundsätzlich
können an die optische Kupplung beliebige optische Komponenten
angeschlossen werden. Insbesondere können Strahlungsquellen,
Detektoren und optische Fasern an die optischen Kupplungen angeschlossen
werden.
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Grundsätzlich
ist eine Totalreflexion in den Lichtleitbereichen auch an einer
Grenzfläche zu Luft möglich. Allerdings wäre
eine so gebildete Oberfläche oder Grenzfläche
verschmutzungsempfindlich.
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Bei
einer besonders bevorzugten Variante weist die optische Kupplung
zum Bereitstellen einer definierten optischen Grenzfläche
eine Abdeckung auf, welche die erste Formseite wenigstens teilweise abdeckt.
Besonders zweckmäßig ist hierbei, wenn die Abdeckung
zumindest die Lichtleitbereiche vollständig abdeckt, um
diese vor Verschmutzungen, über welche Licht ausgekoppelt
werden kann, zu schützen. Durch diese Abdeckung wird demgemäß sowohl
ein mechanischer als auch ein optischer Schutz bereitgestellt.
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Grundsätzlich
kann der Kupplungskörper eine erste Halbschale aufweisen,
an welcher die erste Formseite gebildet ist, und darüber
hinaus eine zweite Halbschale, durch welche die Abdeckung gebildet
ist.
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Bei
einer besonders bevorzugten Variante ist die Abdeckung durch eine
auf die erste Formseite aufgebrachte, insbesondere aufgeklebte Folie
gebildet.
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Bei
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
optischen Sensors ist in die zweite Halbschale an einer zweiten Formseite
ein zweites Vertiefungsprofil eingeprägt. Grundsätzlich
besteht im Hinblick auf dieses zweite Vertiefungsprofil in der zweiten
Halbschale weitestgehende Gestaltungsfreiheit, so dass die Variabilität der
Strahlformung durch diese Maßnahme noch gesteigert werden
kann.
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Bei
einer besonders bevorzugten Variante entspricht das zweite Vertiefungsprofil
spiegelbildlich dem ersten Vertiefungsprofil. Die Strahlquerschnitte der
Lichtleitbereiche setzen sich somit aus dem ersten und dem zweiten
Vertiefungsprofil zusammen. Prinzipiell ist an das Material der
ersten Halbschale und der zweiten Halbschale von der thermischen
Verformbarkeit abgesehen, keine weitere Anforderung gestellt.
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Besonders
bevorzugt sind die erste Halbschale und/oder die zweite Halbschale
jedoch aus einem transparenten ersten Kunststoffmaterial gebildet.
Beispielsweise können die erste Halbschale und/oder die
zweite Halbschale aus PMMA gebildet sein.
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Grundsätzlich
kann die zweite Halbschale auch aus einem anderen Material als die
erste Halbschale geformt sein. Besonders bevorzugt sind jedoch beide
Halbschalen aus demselben Material gefertigt.
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Soweit
die erste und/oder die zweite Halbschale aus einem transparenten
Kunststoffmaterial gefertigt ist, ist im Hinblick auf die Lichtleiteigenschaften
der Lichtleitbereiche besonders bevorzugt, wenn das zweite transparente
Kunststoffmaterial, mit welchem das erste Vertiefungsprofil und
das zweite Vertiefungsprofil wenigstens teilweise verfüllt
werden, einen geringeren Brechungsindex aufweist als das erste transparente
Kunststoffmaterial, aus welchem die erste Halbschale und/oder die
zweite Halbschale gebildet sind.
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Bei
weiteren zweckmäßigen Varianten des erfindungsgemäßen
optischen Sensors ist in dem Kupplungskörper mindestens
eine Aufnahme für eine anzuschließende Lichtleitfaser
gebildet. Sofern die optische Kupplung in einem Entfernungsmessgerät nach
dem Laufzeitprinzip eingesetzt wird, ist bevorzugt mindestens eine
Aufnahme für eine Messfaser und eine Referenzfaser vorhanden.
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Entsprechend
ist zweckmäßig an einem Einkoppelende der optischen
Kupplung mindestens eine Aufnahme für eine anzuschließende
Laserdiode gebildet.
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Die
Aufnahmen für anzuschließende Lichtleitfasern
oder anzuschließende Laserdioden können dabei
vorteilhaft durch das erste Vertiefungsprofil und/oder das zweite
Vertiefungsprofil gebildet sein. Weitere Fertigungsschritte sind
dann nicht notwendig.
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Für
den Einsatz der optischen Kupplung in einem Entfernungsmessgerät
nach dem Laufzeitprinzip ist weiterhin bevorzugt, wenn der Lichtleitbereich oder
die Lichtleitbereiche mindestens eine Verzweigung zum Teilen der
Laserstrahlen oder zum Einkoppeln der Strahlung einer zweiten Strahlungsquelle aufweisen.
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Das
oben beschriebene Verfahren ermöglicht darüber
hinaus die Herstellung von optischen Kupplungen, bei denen der Lichtleitbereich
oder die Lichtleitbereiche in ihrer Erstreckungsrichtung einen gezielt
angepassten, insbesondere veränderlichen, Quer schnitt aufweisen.
Hierbei handelt es sich um eine besonders wichtige Eigenschaft der
optischen Kupplung und des oben beschriebenen Verfahrens, da durch
dieses Merkmal die Variabilität und Anpassbarkeit der optischen
Strahlführung erheblich gesteigert wird.
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Im
Hinblick auf die tatsächlich eingesetzten Strahlquerschnitte
besteht denkbar große Freiheit. Beispielsweise können
die Lichtleitbereiche wenigstens teilweise einen runden oder elliptischen
Querschnitt aufweisen. Ebenso können, beispielsweise im Hinblick
auf die im Allgemeinen rechteckige Abstrahlfläche einer
Laserdiode, wenigstens teilweise quadratische oder rechteckige Querschnitte
der Lichtleitbereiche zweckmäßig sein.
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Statt
eines rechteckigen Querschnitts in einem Anschlussbereich einer
Laserdiode kann aber auch ein elliptischer Querschnitt von Vorteil
sein.
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In
den Anschlussbereichen für die anzuschließenden
Lichtleitfasern weisen die Lichtleitbereiche im Hinblick auf eine
möglichst effektive Auskopplung oder Einkopplung der Strahlung
zweckmäßig einen runden oder quadratischen Querschnitt auf.
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Im
Hinblick auf die im Allgemeinen deutlich kleineren Querschnitte
der eingesetzten Lichtleitfasern im Vergleich zu den Abstrahlflächen
von typischerweise verwendeten Laserdioden ist außerdem bevorzugt,
wenn sich der Lichtleitbereich oder die Lichtleitbereiche mit zunehmender
Entfernung von einem Einkoppelende verjüngt oder verjüngen.
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Insbesondere
sind erfindungsgemäß Sensoren mit optischen Kupplungen
möglich, bei denen sich die Ausdehnung eines Lichtleitbereichs
in seiner Erstreckungsrichtung in beiden zur Erstreckungsrichtung
querstehenden Raumrichtungen ändert.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung ist außerdem
zur Aufnahme einer Laserdiode im Bereich mindestens eines Einkoppelendes ein
Kupplungselement vorgesehen. Hierbei kann es sich um ein einfaches
Spritzgussteil handeln, welches mit dem Kupplungskörper
verbunden, beispielsweise darin eingerastet wird, und in dem eine
anzuschließende Laserdiode formschlüssig aufgenommen
werden kann.
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Zweckmäßig
kann in ein solches Kupplungselement bereits eine Linse, insbesondere
eine Zylinderlinse, integriert sein, mit welcher die aus der Laserdiode
austretende Strahlung geeignet auf das Einkoppelende des entsprechenden
Lichtleitbereichs in dem Kupplungskörper geleitet und gerichtet
werden kann. Auf diese Weise können Koppelverluste reduziert
werden.
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Mit
Hilfe einer Zylinderlinse kann eine vertikale Überstrahlung
einer Stirnfläche eines Lichtleitbereichs reduziert werden
und außerdem kann die Strahldivergenz verkleinert werden,
so dass diese möglichst kleiner ist als ein Akzeptanzwinkel
des Lichtleitbereichs.
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In
diesem Zusammenhang besteht eine weitere Verbesserung darin, dass
das genannte Kupplungselement eine Verdrehsicherung für
die Laserdiode aufweist. Hierbei kann es sich in einer einfachen Variante
um eine nichtrotationssymmetrische Ausbildung der Aufnahme für
die Laserdiode im Kupplungskörper handeln, so dass ein
Verdrehen der in den Kupplungskörper eingesetzten Laserdiode
nicht möglich ist. Auch hierdurch wird insgesamt die Zuverlässigkeit
des Aufbaus erhöht. Bevorzugt kann dieses Kupplungselement
selbst bezüglich des Kupplungselements justierbar sein,
beispielsweise mit Hilfe von Stellschrauben. Alternativ kann dieses
Kupplungselement mit dem Kupplungskörper verklebt sein,
wobei vor dem Aushärten der Klebeverbindung eine Justage
durchgeführt werden muss.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
optischen Sensors ist an mindestens einem Lichtleitbereich ein Heizelement,
insbesondere ein Widerstandsdraht, vorgesehen, mit welchem eine
Abschwächung des zu leitenden Lichts bis zu 30 dB ohne
mechanischen Abschwächer erfolgen kann.
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Erfindungsgemäß wurde
erkannt, dass sich die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellten
optischen Kupplungen besonders gut zum Mischen von Lichtmoden der
Laserstrahlung verwenden lassen. Durch mehrfache interne Reflexionen
an den Grenzflächen der Lichtleitbereiche an oder in dem
Kupplungskörper wird die Strahlungsverteilung besonders
schnell, typischerweise bereits nach etwa 4 cm hinreichend gut über
den Querschnitt der Lichtleitbereiche homogenisiert.
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Dies
ermöglicht in vorteilhafter Weise die Verwendung der optischen
Kupplung zum Leiten und Auftrennen von kurzen Lichtpulsen, wobei
diese Lichtpulse durch die erzielte Modenmischung in ihrer Pulshöhe
eventuell unterschiedlich sind, in ihrer Form ansonsten jedoch sehr
weitgehend übereinstimmen.
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Beispielsweise
kann die optische Kupplung als optische Kopplungsvorrichtung zwischen
mindestens einem Laser und einer weiteren optischen Komponente,
insbesondere mindestens einer Lichtleitfaser, verwendet werden.
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Die
genannten positiven Merkmale machen die optische Kupplung in besonderer
Weise geeignet zum Leiten von analogen Lichtsignalen bei elektrooptischen
Entfernungsmessgeräten, insbesondere nach dem Laufzeitprinzip,
inbesondere der in
WO 2008/003481
A1 und
WO
2008/003482 A1 beschriebenen Art. Der Inhalt der Schriften
WO 2008/003481 A1 und
WO 2008/003482 A1 wird
hiermit in die vorliegende Anmeldung integriert. Der Offenbarungsgehalt
der vorliegenden Anmeldung soll demgemäß auch
Merkmalskombinationen der in
WO 2008/003481 A1 und
WO 2008/003482 A1 beschriebenen
Gegenstände mit den hier beschriebenen Gegenständen
umfassen.
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Besonders
bevorzugt werden in erfindungsgemäßen Sensoren
analoge Lichtpulse in Mess- und Referenzpulse aufgeteilt.
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Eine
besondere Bedeutung für die Effektivität der Einkopplung
von Licht in die Lichtleitbereiche oder der Auskopplung von Licht
aus den Lichtleitbereichen spielt die numerische Apertur im Bereich
des Einkoppel- oder Auskoppelendes der Lichtleitbereiche. Mit dem
oben beschriebenen Herstellungsverfahren können numerische
Aperturen erreicht werden, die größer sind als
0,30. Gute Resultate werden aber bereits mit numerischen Aperturen
erreicht, die größer als 0,25 oder 0,28 sind.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nachstehend
mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben.
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Hierin
zeigt:
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1 eine
perspektivische schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
einer optischen Kupplung für den Einsatz bei einem erfindungsgemäßen
optischen Sensor;
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2 eine
schematische perspektivische Teilansicht der optischen Kupplung
aus 1;
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3 eine
weitere schematische perspektivische Teilansicht der optischen Kupplung
aus 1;
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4 eine
Schnittansicht eines im Vergleich zu 1 leicht
abgewandelten Beispiels einer optischen Kupplung;
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5 eine
schematische perspektivische Teilansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels
einer optischen Kupplung;
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6 eine
schematische perspektivische Teilansicht des Ausführungsbeispiels
aus 5; und
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7 eine
schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
optischen Sensors.
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Ein
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
optischen Sensors 100 wird mit Bezug auf 7 erläutert.
Bei dem dort schematisch gezeigten optischen Sensor 100 handelt
es sich um ein elektrooptisches Entfernungsmessgerät nach
dem Laufzeitprinzip.
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Eine
Sendeeinheit 13, beispielsweise ein Laser, ist dort an
eine optische Kupplung 10 der in den 1 bis 6 gezeigten
Art angeschlossen. Von der Sendeeinheit 13 ausgesandtes
Licht wird von der Kupplung 10 auf eine Messfaser 84 und
eine Referenzfaser 82 aufgeteilt. Aus der Messfaser 84 austretendes
Licht wird auf eine hier schematisch dargestellte Optik 15 gestrahlt,
welche das Licht 17 in einen Überwachungsbereich 18 lenkt.
Durch die optische Kupplung 10, die Messfaser 84 und
die Optik 15 wird eine Sendeoptik 16 gebildet,
welche das Licht 17 von der Sendeeinheit 13 in
den Überwachungsbereich 18 leitet.
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Von
einem Objekt 19 im Überwachungsbereich 18 wird
Licht 21 zurückreflektiert und/oder zurückgestreut
und gelangt sodann auf eine hier schematisch dargestellte Optik 24.
Das Licht 21 wird im Anschluss in eine Glasfaser 23 eingekoppelt,
welche mit einer weiteren optischen Kupplung 11 verbunden ist.
Ein Ausgang dieser optischen Kupplung 11 ist über
eine weitere optische Faser 27 mit einer durch einen Photodetektor
gebildeten Empfangseinheit 25 verbunden. Außerdem
ist mit der optischen Kupplung 11 auch ein weiterer Anschluss
der optischen Faser 24 verbunden. Durch die Optik 24,
die optischen Fasern 23, 27 und die optische Kupplung 11 wird
demgemäß eine Empfangsoptik 22 gebildet,
welche das aus dem Überwachungsbereich 18 kommende
Licht 21 auf die Empfangseinheit 25 leitet. Die
optische Kupplung 11 dient demgemäß zum
Leiten sowohl von Referenzpulsen über die Glasfaser 24 auf
die Empfangseinheit 25 als auch von Messpulsen über die
optische Faser 23 auf die Empfangseinheit 25.
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In
besonders vorteilhafter Weise können mit Hilfe der optischen
Kupplung 10 von der Sendeeinheit 13 gelieferte
Pulse in Messpulse und Referenzpulse aufgeteilt werden, welche sich
aufgrund der besonders effektiven Modenmischung in der optischen Kupplung 10 im
Wesentlichen nur in ihrer Höhe, nicht aber in ihrer Form
unterscheiden.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel einer optischen Kupplung 10,
wie sie bei einem erfindungsgemäßen optischen
Sensor zum Einsatz kommt, wird mit Bezug auf die 1 bis 4 erläutert. Äquivalente
Komponenten sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die
optische Kupplung 10 weist als wesentlichen Bestandteil
einen Kupplungskörper 20 einer ersten Halbschale 40 und
einer zweiten Halbschale 50 auf. Die erste Halbschale 40 und
die zweite Halbschale 50 sind jeweils aus einem PMMA-Grundmaterial,
also einem transparenten thermoplastischen Material, gefertigt.
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Eine
Innenseite oder Formseite 42 der ersten Halbschale weist
ein Vertiefungsprofil 44 auf, welches dort mit Hilfe des
oben beschriebenen Verfahrens und einem geeigneten Prägewerkzeug
thermisch eingeprägt wurde.
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An
einer Innenseite oder Formseite 52 der zweiten Halbschale
ist ein spiegelbildlich gleiches Vertiefungsprofil 54 thermisch
eingeprägt.
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Durch
die Vertiefungsprofile 44, 54 wird eine Lichtleitstruktur
definiert. Die entstandenen Hohlräume werden mindestens
teilweise, bevorzugt aber vollständig, mit einem niedriger
brechenden Kunststoff verfüllt. Zur Fertigstellung der
optischen Kupplung werden sodann die erste Halbschale 40 und
die zweite Halbschale 50 zusammengesetzt. Zuvor können
eventuell anzuschließende Lichtleiterfasern bereits in
durch die Vertiefungsprofile 44, 54 gegebene Aufnahmebereiche
eingelegt werden. Dies kann grundsätzlich aber auch erst
nach dem Zusammensetzen der Halbschalen 40, 50 erfolgen.
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Je
nach Herstellverfahren für das eingesetzte Prägewerkzeug
liegen die erzielbaren Rauhigkeiten im Bereich von Ra = 20 nm bis
Ra = 75 nm. Damit sind Genauigkeiten im Bereich von 1 μm
zu realisieren.
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An
einer ersten Stirnseite der optischen Kupplung 10, die
auch als Einkoppelende 12 bezeichnet werden kann, ist ein
Anschlussbereich 60, beispielsweise für eine Laserdiode 90 vorgesehen. Das
in den 1 und 4 gezeigte Ausführungsbeispiel
weist ei nen Lichtleitbereich 30 mit einer Verzweigung 36 auf.
Von einem Teilbereich 38 des Lichtleitbereichs 30,
in welchen Strahlung einer Laserdiode 90 eingekoppelt wird,
teilt sich demgemäß der Lichtleitbereich 30 an
der Verzweigung 36 in die Lichtleiter 32, 34 auf.
Der Lichtleitbereich 30 verjüngt sich vom Einkoppelende
zum Auskoppelende in der in 4 gezeigten
Zeichenebene, d. h. die Ausdehnung der Lichtleiter 32, 34 in
z-Richtung ist kleiner als diejenige des Bereichs 38. Darüber
hinaus verjüngt sich der Lichtleitbereich 30 aber
auch in y-Richtung, also in Richtung senkrecht zur Zeichenebene.
Die Raumdichtungen sind in 4 durch
ein Koordinatensystem 95 eingedeutet.
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Durch
diese Strukturen, die auch als zweidimensionale Taper bezeichnet
werden, kann eine deutlich höhere Einkoppeleffizienz und
insbesondere eine variable Strahlform realisiert werden. Diese zweidimensionalen
Taper können insbesondere mit dem oben beschriebenen Verfahren
besonders gut und kostengünstig hergestellt werden.
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Bei
dem in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel
weist der Bereich 38 des Lichtleitbereichs 30 einen
im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Dies ist insbesondere
aus den 1 und 2 ersichtlich.
Am Auskoppelende 14 weisen die Aufnahmebereiche 62, 64 für
die dort einzuführenden oder einzulegenden optischen Fasern 82, 84 einen
im Wesentlichen quadratischen Querschnitt auf, wobei die Aufnahme 64,
die eine Messfaser 84 eines erfindungsgemäßen
elektrooptischen Entfernungsmessgeräts nach dem Laufzeitprinzip
aufnehmen kann, einen größeren Querschnitt aufweist
als die Aufnahme 62, die zum Aufnehmen einer Referenzfaser 82 dient.
Diese relativen Größenverhältnisse sind
sehr schematisch in den Abbildungen angedeutet.
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Die
Seitenlängen der rechteckigen Eintrittsfläche
und der quadratischen Austrittsflächen betragen größenordnungsmäßig
einige 0,1 mm.
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Bei
den Aufnahmen 62, 64 handelt es sich im Wesentlichen
um grabenförmige Strukturen oder Vertiefungen, in welchen
die Fasern, also die Referenzfaser 82 und die Messfaser 84,
justagefrei positioniert werden können.
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Das
in den 1 bis 4 dargestellte Ausführungsbeispiel
dient demgemäß als optischer Strahlteiler für
ein elektrooptisches Entfernungsmessgerät nach dem Laufzeitprinzip.
Dabei wird ein in den Teilbereich 38 des Lichtleitbereichs 30 eingekoppelter optischer
Messpuls über die Verzweigung 36 in einen Mess-
und einen Referenzpuls aufgeteilt.
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Eine
zweite Variante einer optischen Kupplung 10 ist in den 5 und 6 gezeigt. 5 ist eine
Ansicht des Einkoppelendes 12 der optischen Kupplung 10. 6 zeigt
das Auskoppelende 14 dieser optischen Kupplung 10.
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Der
Verlauf der Lichtleitbereiche entspricht bei dem Ausführungsbeispiel
aus den 5 und 6 im Wesentlichen
der in 4 für das erste Ausführungsbeispiel
gezeigten Situation. Unterschiede bestehen jedoch in der konkreten
Ausformung der Strahlquerschnitte. Während die Strahlquerschnitte bei
dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 rechteckig
und quadratisch sind, weist bei der Variante aus den 5 und 6 ein
Einkoppelbereich 70 einen elliptischen Strahlquerschnitt
auf und die entsprechenden Auskoppelbereiche 72, 74 sind
im Querschnitt kreisförmig. Vergleichbar der in 3 gezeigten
Situation ist dabei der Querschnitt des Auskoppelbereichs 74 kleiner
als derjenige des Auskoppelbereichs 72.
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Die
räumlichen Dimensionen der Querschnitte betragen wiederum
einige 0,1 mm.
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Mit
dem in den Figuren gezeigten optischen Kupplungen 10 können
beispielsweise etwa 50% einer eingestrahlten Laserstrahlung in den
Hauptkanal, also in die Messfaser 84 eingekoppelt werden.
In die Referenzfaser 82 werden beispielsweise nur einige Prozent
eingekoppelt. Der Brechungsindex des Materials, mit welchem die
Vertiefungsprofil 44, 45 verfüllt werden,
kann beispielsweise n = 1,5 betragen. Der Brechungsindex des PMMA-Materials
der Halbschalen 40, 50 ist geringer und kann zum
Beispiel etwa n = 1,47 betragen. Die Verzweigung 36 ist
vergleichsweise scharf ausgeführt. Eine Verrundung führt
zu einer Verschlechterung der Referenzauskoppelung.
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Die
Messfaser 84 und die Referenzfaser 82 stecken
beispielsweise zwei Millimeter tief in dem Kupplungskörper 20.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiger optischer Sensor
mit einer optischen Kupplung bereitgestellt. Die hier beschriebenen
optischen Kupplungen eignen sich besonders für Anwendungen
in der Optosensorik allgemein und insbesondere für solche
Anwendungen, bei denen eine gezielte Strahlformung notwendig ist.
Besondere Vorteile können hier bei sehr kleinen Strukturen
erzielt werden, wenn bisher bekannte Werkzeugtechnologien, wie Spritzguss,
nicht zum Erfolg führen. Insbesondere können diese optischen
Kupplungen erfindungsgemäß für elektrooptische
Entfernungsmessgeräte nach dem Laufzeitprinzip eingesetzt
werden, bei denen zur Bereitstellung vergleichbarer optischer Pulse eine
Modenmischung erfolgen soll. Die optische Kupplung kann erfindungsgemäß deshalb
insbesondere als optischer Strahlteiler oder Splitter dienen. Im Vergleich
zu bisher bekannten Technologien wie optischen Leiterplatten oder
einfacher Stumpfkopplung von zwei Fasern nebeneinander können
mit der Erfindung deutlich verbesserte Koppeleffizienzen, eine erheblich
verbesserte Durchmischung der einzelnen Moden und außerdem
eine deutlich verbesserte Zuverlässigkeit der Herstellung
erzielt werden.
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Allgemein
ermöglicht bei den erfindungsgemäßen
Sensoren eine Strahlformung in zwei Dimensionen in Bereichen unterhalb
von 10 μm.
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Für
die Entfernungsmessung nach dem Lichtlaufzeitprinzip ist neben der
hohen Einkoppeleffizienz und der sehr guten homogenen Modenmischung
der Laserdiodenstrahlung auch die gute Auskoppeleffizienz des Referenzkanals
nach der Modenmischung bedeutsam. Im Vergleich zur Technologie von
optischen Leiterplatten können außerdem höhere
numerische Aperturen beim Ein- und Auskoppeln erzielt werden.
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Die
Technologie des Heißprägens ermöglicht insgesamt
dreidimensionale Strahlverläufe innerhalb des Kupplungskörpers
und durch eine große Wahlfreiheit der Materialpaarungen
können hohe numerische Aperturen erzielt werden. Das allgemeine
Ziel bei den genannten Entfernungsmessgeräten nach dem
Laufzeitprinzip, einen möglichst hohen Anteil des Lichts
in eine Messfaser einzukoppeln und einen kleinen definierten Teil
in eine, insbesondere kürzere, Referenzfaser, wird demgemäß bei
der optischen Kupplung besonders zuverlässig realisiert.
Für beide Fasern kann die gleichen Stufenindexfaser mit
beispielsweise 100 μm Durchmesser verwendet werden.
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Insbesondere
kann durch die hier beschriebenen optischen Kupplungen ein Kunststoffteil
bereitgestellt werden, bei dem beide Fasern einfach und insbesondere
ohne Justage gekoppelt werden können. Grundsätzlich
ist auch möglich, dass auch die Laserdiode ohne aktive
Justage mit der optischen Kupplung verbunden wird. Da mechanische
Toleranzen von Laserdioden im Allgemeinen vergleichsweise groß sind,
ist aber genauso möglich, für die aktive Justage
einer Laserdiode geeignete Justagemittel vorzusehen.
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Die
hier beschriebenen optischen Kupplungen können grundsätzlich
in einem großen Temperaturbereich beispielsweise von –20
bis +75°C betrieben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2008/003481
A1 [0054, 0054, 0054]
- - WO 2008/003482 A1 [0054, 0054, 0054]