DE19528590C3 - Vorrichtung zur Temperaturmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperatur­ messung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 (US 5,368,392).

Derartige, aus der Praxis bekannte Vorrichtungen zur be­ rührungslosen Temperaturmessung enthalten einen Detektor zum Empfang einer von einem Meßfleck auf einem Meßob­ jekt ausgehenden Wärmestrahlung, ein optisches System zur Abbildung der vom Meßfleck ausgehenden Wärme­ strahlung auf den Detektor sowie eine Visiereinrichtung zur Kennzeichnung der Lage und Größe des Meßflecks auf dem Meßobjekt mittels sichtbarem Licht. Mit dem Detektor steht ferner eine weiterverarbeitende Einrichtung in Verbindung, die das Detektorsignal in eine Temperaturanzeige umrech­ net.

Das optische System wird dabei so ausgestaltet, daß in ei­ ner bestimmten Meßentfernung zu einem großen Teil nur Wärmestrahlung von einer bestimmten Fläche des Meßob­ jekts, nämlich dem sog. Meßfleck, auf den Detektor fokus­ siert wird. In den meisten Fällen wird die Größe des Meß­ fleckes durch die Fläche definiert, aus der 90% der auf den Detektor fokussierten Wärmestrahlen treffen. Es sind je­ doch auch Anwendungsfälle bekannt, bei denen man sich auf Werte zwischen 50% und 100% bezieht.

Der Verlauf der Abhängigkeit der Größe des Meßfleckes von der Meßentfernung hängt von der Gestaltung des opti­ schen Systems ab. Man unterscheidet grundsätzlich zwi­ schen Fernfokussierung und Nahfokussierung. Bei der Fern­ fokussierung bildet das optische System den Detektor ins Unendliche und bei der Nahfokussierung auf die Fokus­ ebene ab. Im Falle der Fernfokussierung hat man es mit ei­ nem linear mit der Meßentfernung wachsenden Meßfleck zu tun, bei der Nahfokussierung wird der Meßfleck sich zu­ nächst mit der Meßentfernung verkleinern und nach der Fo­ kusebene wieder vergrößern, falls die freie Apertur der Op­ tik größer ist als der Meßfleck in der Fokusebene. Ist der Meßfleck in der Fokusebene größer als die freie Apertur des optischen Systems, vergrößert sich der Meßfleck mit der Meßentfernung auch vor der Fokusebene. Nur der Anstieg der Meßfleckgröße ist vor der Fokusebene geringer als da­ nach.

Aus der DE 36 03 464 A1 ist eine Vorrichtung zur Tem­ peraturmessung bekannt, enthaltend einen Detektor, ein op­ tisches System sowie eine Visiereinrichtung.

Diese Visiereinrichtung weist eine Lichtquelle auf, deren Lichtstrahlung über diverse Bauteile in Richtung des Meß­ objekts reflektiert wird. Mit dieser Visiereinrichtung können insbesondere dunkle, nicht glühende Meßobjekte ange­ leuchtet und damit anvisiert werden. Somit läßt sich mit Hilfe dieser Lichtstrahlung die Lage des Meßflecks am Meßobjekt kennzeichnen.

In der JP 63-145 929 in Patents Abstracts of Japan, Vol. 12/No. 408, 28. Okt. 1988, P-778, wird eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines Objekts beschrieben, die ein optisches System zur Abbildung des vom Meßfleck ausge­ henden Wärmestrahlung auf einen Detektor aufweist. Die­ ses optische System ist als Linse ausgebildet, die in der Mitte eine Bohrung aufweist, durch die parallele Lichtstrah­ len auf das Objekt zur Kennzeichnung des Meßflecks ge­ richtet werden.

Die US 5,172,978 betrifft eine Vorrichtung zur Tempera­ turmessung, bei der zur Sichtbarmachung des Meßflecks Lichtstrahlen über eine Linse im Meßfleck fokussiert wer­ den.

In der Vergangenheit wurden verschiedene Versuche ge­ macht, die Lage und Größe des an sich unsichtbaren Meß­ fleckes durch Beleuchtung sichtbar zu machen. Eine Vor­ richtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist aus der JP-A-57-22521 bekannt, bei der eine Vielzahl von Strah­ len, die von mehreren Lichtquellen stammen, entlang den Randstrahlen eines fernfokussierten optischen Systems auf das Meßobjekt gerichtet werden. Auf diese Weise kann die Größe und Lage des Meßflecks für ein fernfokussiertes Sy­ stem durch eine ringförmige Anordnung von beleuchteten Punkten um den Meßfleck herum sichtbar gemacht werden.

US 5,368,392 beschreibt verschiedene Methoden zum Ummalen von Meßflecken durch Laserstrahlen. Dazu ge­ hört die mechanische Ablenkung von einem oder mehreren Laserstrahlen sowie die Aufspaltung eines Laserstrahls durch einen Strahlteiler oder eine Faseroptik in mehrere Einzelstrahlen, die den Meßfleck umgeben.

Aus der Zeitschrift Photonics Spectra, September 1994, Seite 186, und März 1992, Seite 203, ist es be­ kannt, diffraktive Optiken zur Strahlteilung von Laserstrahlen, auch in der Meßtechnik, zu verwenden.

Aus der Praxis ist ferner ein Visiersystem bekannt, das zwei Laserstrahlen zur Beschreibung der Meßfleckgröße be­ nutzt. Dieses System benutzt zwei divergierende vom Rand des optischen Systems ausgehende Strahlen zur Charakteri­ sierung eines fernfokussierten Systems und zwei sich im Fo­ kuspunkt kreuzende Laserstrahlen zur Charakterisierung ei­ nes nahfokussierten optischen Systems.

Alle bekannten Visiereinrichtungen sind entweder nur für eine bestimmte Meßentfernung brauchbar oder erfordern ei­ nen relativ hohen Justageaufwand und sind oftmals sehr teuer.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Vor­ richtung zur Temperaturmessung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 dahingehend weiterzuentwickeln, daß eine einfache Kennzeichnung der Lage und Größe des Meßfleckes ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzei­ chenenden Teil des Anspruches 1 gelöst.

Eine diffraktive Optik ist ein optisches Element, dessen Funktion hauptsächlich auf der Beugung von Lichtwellen beruht. Zur Erzeugung der Beugung sind in dem optischen Element transversale Mikrostrukturen vorgesehen, die bei­ spielsweise aus einem Oberflächenprofil oder einem Bre­ chungsindexprofil bestehen können. Diffraktive optische Elemente mit einem Oberflächenprofil sind auch als sog. ho­ lografische Elemente bekannt. Die Oberflächenmuster wer­ den beispielsweise durch Belichtung von Fotoresist-Schich­ ten und anschließendem Ätzen hergestellt. Ein solches Oberflächenprofil läßt sich auch durch Galvanisieren in ei­ nen Präge-Druckstock umwandeln, mit dem in erwärmte Plastikfolien das Hologramm-Profil übertragen und verviel­ fältigt werden kann. Somit lassen sich preiswert aus einem Hologramm-Druckstock viele holografische Elemente her­ stellen.

Das Muster der diffraktiven Optik entsteht durch Interfe­ renz einer Gegenstandswelle mit einer Referenzwelle. Ver­ wendet man beispielsweise als Gegenstandswelle eine Ku­ gelwelle und als Referenzwelle eine ebene Welle, entsteht eine Intensitätsverteilung in der Bildebene, die sich aus ei­ nem Punkt in der Mitte (0. Ordnung), einem ersten intensi­ ven Kreis (erster Ordnung) und weiteren weniger intensiven Kreisen größerer Durchmesser (höhere Ordnungen) zusam­ mensetzt. Durch Ausblenden der 0-ten und der höheren Ord­ nungen läßt sich ein einzelner Kreis herausfiltern. Durch an­ dere Gegenstandswellen läßt sich eine Vielzahl anderer In­ tensitätsverteilungen herstellen, die nachfolgend anhand ei­ niger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.

Üblicherweise liegen etwa 80% der von der Lichtquelle ausgehenden Energie in den von der diffraktiven Optik er­ zeugten Mustern. Die restliche Energie wird innerhalb und außerhalb des Meßfleckes verteilt.

Die erzeugte Lichtintensitätsverteilung kann beispiels­ weise durch eine kreisringförmige, den Meßfleck einschlie­ ßende Markierung gebildet werden.

Eine derartige Vorrichtung ist zudem preiswert herstellbar und erfordert lediglich einen geringen Justageaufwand.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden im folgenden anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und der Zeich­ nung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Temperaturmessung, die nicht der Erfindung entspricht,

Fig. 2a und 2b schematische Darstellungen verschiede­ ner Lichtintensitätsverteilungen zur Kennzeichnung der Lage und Größe des Meßflecks,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Temperaturmessung gemäß einem Ausführungs­ beispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Vorrich­ tung zur Temperaturmessung, enthaltend

• a) einen Detektor 1 zum Empfang einer von einem Meßfleck 2a eines Meßobjektes 2 ausgehenden Wär­ mestrahlung 3,
• b) ein optisches System 4 zur Abbildung der vom Meßfleck 2a ausgehenden Wärmestrahlung auf den Detektor 1
• c) sowie eine Visiereinrichtung 5 zur Kennzeichnung der Lage und Größe des Meßflecks 2a auf dem Meßob­ jekt 2 mittels sichtbarem Licht 6.

Die Visiereinrichtung 5 besteht im wesentlichen aus einer Lichtquelle 5a, einer beispielsweise durch ein holografi­ sches Element 5b gebildeten diffraktiven Optik und einem zusätzlichen brechenden und/oder reflektierenden optischen Element 5c. Die Lichtquelle 5a sendet eine Referenzwelle 6a auf das holografische Element 5b, wobei ein sich kegel­ förmig öffnendes Hologramm 6b entsteht, das durch das optische Element 5c so umgeformt wird, daß es eine Inten­ sitätsverteilung 6c bildet, die die Lage und Größe des Meß­ flecks 2a über alle Meßentfernungen beschreibt.

Als Lichtquelle 5a zur Erzeugung der Referenzwelle wird zweckmäßigerweise ein Laser verwendet. Es ist jedoch auch möglich, eine Halbleiter-Leuchtdiode oder eine thermische Lichtquelle einzusetzen. Bei Benutzung einer thermischen Lichtquelle wird zweckmäßigerweise ein Filter vorgesehen, um die chromatischen Fehler zu verringern.

Das optische System 4 wird durch einen dichroitischen Strahlteiler 4a und eine Infrarotlinse 4b gebildet. Die vom Meßfleck 2a ausgehende Wärmestrahlung 3 gelangt zu­ nächst auf den Strahlteiler 4a der, die Wärmestrahlung, d. h. die Infrarotstrahlung, um 90° umlenkt und der Infrarotlinse 4b zuführt.

Nachdem der Strahlungsteiler 4a zwangsläufig im Strah­ lengang der Visiereinrichtung 5 liegen muß, ist dieser als di­ chromatischer Strahlteiler 4a ausgebildet, der für die vom Meßfleck 2a ausgehende Wärmestrahlung reflektierend und für das sichtbare Licht der Visiereinrichtung 5 durchlässig ist.

Die Größe der zu erzeugenden Markierung hängt im we­ sentlichen von zwei Parametern ab, nämlich des Maßentfernung und der gewünschten Meßgenauigkeit. Die Meßge­ nauigkeit ergibt sich aus dem Prozentsatz der vom Meßfleck ausgehenden und auf den Detektor fokussierten Strahlen. Man kann die Fläche des Meßflecks beispielsweise dadurch definieren, daß 90% der ausgehenden Strahlung auf den De­ tektor gelingt. Je nach Anwendungsfall kann dieser Pro­ zentsatz jedoch auch verändert werden.

Um sicherzustellen, daß in jeder Meßentfernung die er­ zeugte Markierung zur Kennzeichnung des Meßflecks die richtige Größe für die gewünschte Meßgenauigkeit auf­ weist, ist das optische Element 5c vorgesehen, das auf das optische System 4 abgestimmt ist.

Die Fig. 2a und 2b zeigen Lichtintensitätsverteilungen, wie sie auf dem Meßobjekt 2 zur Kennzeichnung des Meß­ flecks 2a hervorgerufen werden können. Sie zeigen kreisringförmige Markierungen, die den Meßfleck 2a im wesentlichen ummalen. Die Markierungen können dabei wie in Fig. 2a als geschlossener Kreisring 3a oder in Fig. 2b als unterbrochener Kreisring 3b ausgestaltet sein.

Fig. 3 zeigt ein Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Meßfleckverlauf eines nahfokussierten Systems mit Hilfe einer diffraktiven Optik sichtbar gemacht werden kann. Die Meßebene, d. h. das Meßobjekt 2 liegt hier direkt in der Fokusebene des opti­ schen Systems 4. In der Zeichnung sind jeweils zwei das In­ frarotstrahlenbündel begrenzende Strahlen 3i, 3k dargestellt. Der Strahl 3i verläuft vom oberen Rand der Infrarotlinse 4'b zum oberen Rand des Meßflecks 2a bzw. vom unteren Rand der Infrarotlinse 4'b zum unteren Rand des Meßflecks. Der Strahl 3k verläuft hingegen vom unteren Rand der Infrarot­ linse 4'b zum oberen Rand es Meßflecks 2a bzw. vom oberen Rand der Infrarotlinse 4'b zum unteren Rand des Meßflecks.

Das optische Element 5'c der Visiereinrichtung 5 ist so ausgelegt, daß zwei Intensitätskegel 6d und 6e entstehen, die im wesentlichen dem Verlauf der Randstrahlen 3k und 3i folgen. Dabei beschreibt der Intensitätskegel 6e die Größe des Meßflecks bis zur Fokusebene und der Intensitätskegel 6d den divergierenden Meßfleck nach der Fokusebene.

Ein Nachteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß der Intensitätskegel 6d innen am Randstrahl 3k verläuft, während der Intensitätskegel 6e außem am Randstrahl 3i verläuft. Durch eine andere Gestaltung des brechenden und/­ oder reflektierenden optischen Elements 5'c läßt sich dieser Nachteil jedoch beheben.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 wird die Lichtintensitätsverteilung durch zwei kreisförmige, konzentrische Markierungen gebildet, wobei die eine kreisförmige Markierung den zwischen dem optischen Element 5'c und der Fokusebene liegenden Maß­ fleck und die andere Markierung den - vom optischen Ele­ ment aus gesehen - hinter der Fokusebene liegenden Meß­ fleck kennzeichnet.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Temperaturmessung enthaltend
einen Detektor (1) zum Empfang einer von einem Meßfleck (2a) auf einem Meßobjekt (2) ausgehenden Wärmestrahlung (3),
ein optisches System (4) zur Abbildung der vom Meßfleck (2a) ausgehenden Wärmestrahlung (3) auf den Detektor (1) und
eine Visiereinrichtung (5) zur Erzeugung einer Lichtintensitäts­ verteilung, die die Lage und Größe des Meßflecks (2a) auf dem Meß­ objekt (2) mittels sichtbarem Licht (6) kennzeichnet,
dadurch gekennzeichnet, daß
das optische System (4) eine Fokusebene aufweist und
die Visiereinrichtung (5) eine diffraktive Optik (5b) und wenig­ stens ein zusätzliches, brechendes und/oder reflektierendes optisches Element (5c, 5'c) aufweist, das das von der diffraktiven Optik (5b) ab­ gegebene Licht (6b) so umformt, daß eine erste kreis­ förmige Markierung den zwischen dem optischen Element (5c, 5'c) und der Fokusebene liegenden Meßfleck (2a) und eine zu der ersten Markierung konzentrische zweite kreisförmige Markierung den - vom optischen Element aus gesehen - hinter der Fokusebene lie­ genden Meßfleck kennzeichnet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die diffraktive Optik durch ein holografisches Element (5b) gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Visiereinrichtung (5) einen Laser (5a) zur Bestrahlung der diffraktiven Optik (5b) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (5c, 5'c) als Ringlinse und das optische System (4) als Infrarotlinse (4'b) ausgebildet ist, wobei die Ringlinse um die Infra­ rotlinse (4'b) angeordnet ist.