DE2208089A1 - Faseroptik Vergleichsvorrichtung - Google Patents

Description

Unser Zeichen: C 2869

COMPTEURS SCHLUMBERGER
12_f Place des Etats-Unis
92 Montrouge, Frankreich

Faseroptik-Vergleichsvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Faseroptik-Vergleichsvorrichtung mit einer Lichtquelle, einem Sendefaserbündel, das den von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrom auf sins Fläche richtet, und mit wenigstens einem Empfangsxaserbundei, das den von der Fläche reflektierten Jiichtstrora empfängt, und zu einem photoelelctrischen Detektor überträgt,

Es ist bekannt, zur Messung der Verstellung einer Prüffläche eine Giasfaseroptik-Vergleichsvorrichtung anzuwenden, deren Prinzip darauf beruht, das von einer Lichtquelle abgegebene Licht mit Hilfe eines zentralen Paser-, bündeis auf die Prüffläche zu richten, deren Verstellung gemessen v/erden soll. Der Lichtstrorn wird reflektiert und von einem neben dem Sendefaserbündel angeordneten Empfangsfaserbündel aufgefangen und zu einem Detektor übertragen.

Der Querschnitt eines solchen Abtasters kann eine beliebige Form haben. Die Geometrie der Faserbündel, iliro

Lsi/Ba

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-23 Au3angs

;u::.gcn sowie die Form des Emissionsdiagramms der ν or ν; 0:1·:: ο ton Lichtquelle bcxtimmten die Kennlinie S = f (d)

ssignals als Funktion des Abstands zwischen dem ma der Prüffläche. Diese Kennlinie hat einen linearen. Bereich Δο, der zur Messung des Abstands d vei-.vsr.d3t wird. Dabei ist Δο die Ausdehnung des'linearen Bereichs. Die mittlere Stellung der Vergleichsvorrichtung (Abstand d_Q in der Mitte des linearen Bereichs), ihr Meßbereich Δο und ihrer Genauigkeit sind keine voneinander unabhängigen Parameter.

Das Siel der Erfindung ist die Schaffung einer Faseroptik-Vergleichsvorrichtung der eingangs angegebenen Art, deren Anwendungsbereich im Vergleich zu deⁿ bekannten Fasercptik-Tergieichsvorrichtungen erweitert ist.

l'zoh der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Lichtquelle ein Laser ist.

Die Brfindung ergibt die Wirkung, daß eine Änderung des Einfallswinkels des Laser-Lichtbündels in Bezug auf die Zintrittsfläche des Paserbündeis eine Änderung der Form der Ansprechkennlinie der Vergleichsvorrichtung ergibt, v;cdurch es noglich ist, disse Kennlinie an den jeweils gewünschten Anwendungsfall anzupassen.

Die srfindungsgamäße Faseroptik-Yergieichsvorrichtung arr.cglicht die Messung der Dicke von lichtdurchlässigen Zcrpsrn ;:it Hilfe eines einfachen Diiferenzabtasters, wobei der Anwendungsbereich der Vergleichsvorrichtung v/slar durch dia Größe dieser Dicke noch durch den Refle xionsfaktor der dem Abtaster entgegengesetzten Fläche fies iichtdurchiässigenl-Iörpers beeinträchtigt wird.

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Ferner ist es mit der erfindungsgemäßen Faseroptik-Yergleichsvorrichtung möglich, das Reflexionsvermögen eines Körpers zu messen und zu korrigieren; dies geschieht durch die Auswertung von zwei Ansprechkennlini-en, deren Neigungen gleich groß sind, aber entgegengesetzte Vorzeichen haben.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshaiher beschrieben. Darin zeigen:

Fig.1 den schematischen Aufbau einer Faseroptik-Vergleichsvorrichtung bekannter Art,

Fig.2 ein Diagramm der Kennlinie der Faseroptik-Vergleich'svorrichtung von Fig.1,

Pig.3 eine scheraatische Darstellung der Ausbreitung eines lichtstrahls -in einer Faser,

Fig.4 eine schematische Darstellung des Eintrittswinkeis und des Austrittswinkels eines durch ein Faserbündel gehenden Lichtstrahls,

Fig.5 das Emissionsdiagramm eines Faserbündels, dem eine Lichtquelle klassischer Art zugeordnet ist,

Fig.6 die Energieverteilung am Austritt eines Faserbündels bei Verwendung einer Laser-Lichtquelle,

Fig.7 ein Diagramm der Kennlinien einer Faseroptik-Vergleichsvorrichtung mit einer Laser-Lichtquelle bei verschiedenen Einfallswinkeln,

Fig.8 eine schematicche Darstellung zur Erläuterung der Messung der Dicke eines lichtdurchlässigen Körpern bei Verwendung einer Faceroptik-Vor^-Leichnvorrichtung mit einer herkömmlichen Lichtquelle. 209837/ 1033

BAD OHCiNAL °°^ΡΥ

3in Schema zur Erläuterung der Messung der Dicke 3in.es lichtdurchlässigen Körpers bei Verwendung ainsr Faseroptik-Vergleichsvorrichtung mit einer Laser-Lichtquelle,

0 2in Schema zur Erläuterung der Einstellung des Einfallswinkels der Lichtstrahlen in Abhängigkeit •^Tcn dam Abstand zwischen den Faserbündeln und dem Abstand zwischen dem Abtaster und dem zu messenden Körper und

j'ic.1

ein Kenniiniendiagramm zur Erläuterung der Messung und Korrektur des RsflexiQnsvermögens .

Jig.1 zeigt schsmatisch den Aufbau einer Faseroptik-7ξγ~13lenkvorrichtung bekannter Art. Ein Bündel 10 aus Lichtleitfasern ist in der Richtung der relativen Vorstallungen dar Prüffläche 11 senkrecht auf diese Fläche gerichtet. Diesem ersten Faserbündel iat ein zv/eites Faserbündel 12 zugeordnet, weiches zu einem nicht dargestellten Empfänger 13 das Licht überträgt, das von der Prüffiäche 11 reflektiert wird, wenn diese von dem Lichtstrom einer nicht dargestellten Lichtquelle 1» angestrahlt wird, der über das zentrale Bündel 10 übertragen wird. Der Empfänger liefert ein Ausgangssignal S. das die Messung der Änderungen des Abstands d zwischen der Prüffläche 11 und der Vergleichsvorrichtung ermöglicht.

Fig.2 zeigt die Kennlinie der Änderungen des Signals S al3 Funktion des Abstands d. Diese Kennlinie enthält einen linearen Bereich Δο, der zentrisch zu einem Wert d liegt, und in welchem der Komparator verwendet wird. Di333 Kannlinie und insbesondere die Ausdehnung des Bsreichs Δο wird durch die geometrische Form der Faserbündel und ihrer Abmessungen bestimmt.

2 0 3 3 2 '/ 1 Q 8 3 copy

BAD ORIGINAL

⁵ " .07 η:ρ η

Pig.3 zeigt die Lichtausbreitung in einer Paser. Ein lichtstrahl erreicht die Eintrittsfläche einer Paser bei A unter einem Winkel ß, erfährt eine Brechung (Winkel γ) und trifft bei B auf die Pläche des Glasmantels, wo er unter dem Winkel ' reflektiert wird, vorausgesetzt, daß am Punkt B eine Totalreflexion erfolgt. Damit diese Bedingung erfüllt ist, muß der Winkel ß des einfallenden Lichtstrahls kleiner als ein durch die folgende Beziehung definierter Grenzwinkel sein:

sin ß4 =1 η. - η_ο (""

Darin sind: η.. = Brechungsindex·' des Glaskerns

Xirj - Brechungsindex des Glasmantels sin ß., = numerische Öffnung der Paser.

In erster Annäherung tritt ein Lichtstrahl, der die Paser unter einem Winkel ß erreicht, aus dieser unter dem gleichen Winkel ß aus (Pig.4). Im Pail der Verwendung einer Glühlampe oder Elektrolumineszenzdiode als Lichtquelle erzeugt der Lichtleiter austretende Strahlen, die einen Lichtkegel (Pig.5) bilden, dessen halber Scheitelwinkel α meistens in der Nähe von 30° liegt. Wenn dagegen ein paralleles Lichtbündel verwendet wird, O' beispielsweise das Lichtbündel eines Lasers, erhält man am Austritt des Lichtleiters einen Lichtkegel von ringförmigem Querschnitt, dessen halber Scheitelwinkel gleich dem Einfallswinkel ß ist und daher von diesem Einfallswinkel abhängt (Pig.6).

Bei Anwendung dieser Eigenschaft auf eine Paseroptik-Vergleichsvorrichtung der in Pig.1 dargestellten Art erhält man eine Kennlinie S = f(d) mit dem in Pig.7

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~3ZoI..;;-':cη Ysri-nf, die im wesentlichen symmetrisch ist und cv,¹ ei gleiche, aber entgegengesetzt geneigte lineare Zonen hat.

Im Gegensatz zu Paseroptik-Vergleichsvorrichtungen , bei dsnen als Lichtquellen Glühlampen, Elektrolumineszenzdioden od.dgl. verwendet werden, kann man also bei der hier beschriebenen Vergleichsvorrichtung leicht den V,^rink3l und die Perm des aus dem Lichtleiter austretenden Bündeis verändern, so daß man über einen zusätzlichen Pa race·; sr verfügt, der es ermöglicht, die Kennlinie S = f(d) in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung z'sl verändern.

Dis Verv/endnng einer Laser-Lichtquelle ermöglicht auch dia Massung der Dicks von lichtdurchlässigen Körpern mit HiIf3 dar Paseroptik-Vergleichsvurrichtungen, die in der Patentanmeldung P 21 55 049.2 beschrieben sind. Pig.3 Z3igt die Verhältnisse bei Verwendung einer klassischen Lichtquelle (Glühlampe oder Elektrolumineszenzdiode) entsprechend der Darstellung von Pig.5 in Verbindung mit einer Paseroptik-Vergleichsvorrichtung, wie sie in Pig.5 der Patentanmeldung P 2155-049.2 dargestellt ist.

Der lichtdurchlässige Körper hat eine vordere Pläche P^ und eins hintere Pläche P₂. Die Paseroptik-Vergleichsvorrichtung enthält ein Sendebündel E, ein inneres Ssnfaa.-rsbündel R« ( für die Pläche P₁) und ein äußeres Enpfangsbündsi R₂( für die Pläche P₂). . "

5i3 vollen Linien in Pig.8 steilen den zur Xooaung verwendeten Lichtstroci dar. Wie zu erkennen ist, erzeugt bei un°· einer klassischen Lichtquelle) der Lichtstrom,

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der an der hinteren Fläche Fp ^es lichtdurchlässigen Körpers reflektiert wird, ein Störsignal (gestrichelte linien), das auf das erste Empfangsfaserbünde1 trifft. Es ist dann ein dritter Empfänger zur Kompensation erforderlich, damit aus dem von den beiden ersten Empfängern erhaltenen Differenzsignai eine Aussage über eine Dickenänderung erhalten werden kann.

Fig.9 zeigt die Verhältnisse bei der Messung der Dicke eines lichtdurcnlässigen Körpers bei Verwendung einer Laser-Lichtquelle. Die vollen Linien zeigen den für die Messung verwendeten Lichtstrom. Die zentralen Strahlen mit kleinem Einfallswinkel und die entsprechend Störstrahlung sind beseitigt. Diese Maßnahme ermöglicht die Verwendung einer Faseroptik-Vergieichsvorrichtung mit nur zwei Empfängern, unabhängig von der Größe der Dicke des lichtdurchlässigen Körpers und unabhängig von dem Wert des Reflexionsfaktors der hinteren Fläche des lichtdurchlässigen Körpers. Nur das von der vorderen Fläche des Körpers reflektierte Licht gelangt nämlich zum inneren Empfangsfaserbündei R^ und ruft eine Änderung von dessen Ausgangssignal hervor (Fig.9)» während der Störeinfluß der Reflexion an der hinteren Eädie wegen der Ringform des aus dem Sendefaserbündel austretenden Lichtbündels unterdrückt wird.

Das von der hinteren Fläche reflektierte Licht wird nur von dem zweiten Empfangsfaserbündei Rg empfangen, dessen Abstand von dem ersten Empfangsfaserbündei entsprechend der mittleren Dicke und dem Brechungsindex des zu prüfenden lichtdurchlässigen Körpers gewählt ist.

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Fijs. 10 £2iSt dia Einstellung des Winkels ß als Funktion ve:: :: (Abstand zwischen Sendebündel und Empfangbündel) und von d (Abstand des Abtasters von der hinteren Fläche F₉ das zu messenden lichtdurchlässigen Körpers), e ist die Die Ire der äquivalenten Luftschicht zwischen den riäcaen F. und Fp.

Dar Einfallswinkel des Laserlichtbündels an der Eintrittsfläche des Faseroptik-Sendebündels ergibt somit einen zusätzlichen Parameter, der unter Berücksichtigung des Abstands der Faserbündel eine Feineinstellung des Abstands d zwischen dem Abtaster und der hinteren Fläche des zu messenden lichtdurchlässigen Körpers ermöglicht (Fig.10).

Dia beschriebene Ausbildung der Faseroptik-Vergleichsvorrichtung ermöglicht auch zahlreiche andere Anwendungen.

Baispielsweise kann gemäß Fig.11 die Messung des Reflexionsvsrmögsns einer Fläche durch Verwendung von zwei Kennlinien S = f(d) mit gleich großer, aber entgegengesetzter iTeigung erfolgen. Man hat dadurch die Möglichkeit, Änderungen des Reflexionsvermögens im Fall der Messung dar Verstellung, der Fläche mit veränderlichem Reflexionsfaktor zu korrigieren.

Die große Selektivität der Laseremission ermöglicht die Verwendung von optischen Filtern mit sehr schmalem Durchlaßbana oder von Photodetektoren, wie Cadmiumsulfid-Phctowiderständen, wodurch es möglich ist, einen Störlichtstrom zu unterdrücken, der beispielsweise von einem Ofen ausgesendet wird, wenn die Dicke einer Glasscheibe gemessen werden soll, die auf einem Zinnschmelzbad schwimmt«

Patentansprüche COPY

2G33; 7/1033

Claims (5)

1. 22G3Ü83

   Patentansprüche

   /—^N\

   M.JFaseroptik-Yergleichsvorrichtung mit einer Lichtquelle, einem Sendefaserbündel, das den von der Lichtquelle erzeugten Lichtstrom auf eine Fläche richtet, und mit .wenigstens einem Empfangsfaserbündel, das den von der Fläche reflektierten Lichtstrom empfängt, und zu einem photoelektrischen Detektor überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laser 13t.
2. 2. Faseroptik-Yergleichsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein auf die Wellenlänge des Laserlichtes abgestimmtes schmalbandiges optisches Filter zur Unterdrückung des Einflusses von Störlicht.
3. 3. Faseroptik-Yergleichsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen photoelektrischen Detektor mit einem der Wellenlänge des Laserliohts entsprechenden scnmalen Ansprechbereich zur Unterdrückung des Einflusses von Störlicht.
4. .4· Anwendung einer Faseroptik-Yergleichsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Messung der Dicke eines lichtdurchlässigen iCörpers, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Empfangsfaserbündel vorges'ehen sind, und daß die Ausgänge der beiden diesen Empfangsfaserbünde in zugeordneten photoelektrischen Detektoren mit den Eingängen eines Differenzverstärkers verbunden sind.
5. 5. Anwendung einer Faseroptik-Yergleichsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, zur Messung oäsr Herr;Ir';ur des Reflexionsvermögens einer Fläche, dadurch ^o '.rar.:::; ο lehnet, daß zwei Ansprechkennlinion mit gleich ^rσ;"0:2 ZToigungen von entgegengesetztem Vorseichon ε 123

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