DE2628543A1

DE2628543A1 - Optische abtastvorrichtung

Info

Publication number: DE2628543A1
Application number: DE19762628543
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr Roth
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1976-05-28
Filing date: 1976-06-25
Publication date: 1977-12-08
Also published as: CH600301A5; DE7620171U1

Description

Optische Abtastvorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Abtastvorrichtung mit hoher Auflösung, umfassend zwei wenigstens teilweise aus Lichtleitern bestehende Uebertragungskanäle deren einer als Sendekanal von einem optischen Sender zum ilbtastobJekt und deren anderer mit reflektierter Strahlung beaufschlagt vom Objekt zu einem Detektor führt. Solche Abtastvorrichtungen werden insbesondere für die Lagedetektion von Markierungen oder sonstigen Objekten mit geringen Abmessungen verwendet, können jedoch auch zur sonstigen Bestimmung von Strahlungssignalen innerhalb kleiner Flächenbereiche als Abtastobjekte dienen. Im folgenden wird der Einfachheilhalber nur auf das Verwendungsgebiet der Lagedetektion von Markierungen oder dgl. Bezug genommen, ohne dass der Anmeldungsgegenstand hierauf beschränkt wäre.
Es ist eine optische Abtastvorrichtung der eingangs genannten Art für Zwecke der Lagedetektion bekannt (H. Raby, "Rotor blade vibration observed from the caslng", Bericht von der Konferenz nMethods of transmitting vibrations from rotating plant11, Central Electricity Research Laboratories, Leatherhead, 25/26. Juni 1970), bei der eine Mehrzahl von Sendekanal- und Empfangskanal-Lichtleiterfasern zu einem Leiterbündel zusammengefasst sind. Die Lichtaustrittsfläche am obJektseitigen Ausgang des Sende-Teilbündels hat hier vergleichsweise grosse Abmessungen. Bei der Abtastung von bewegten Objekten bestimmt aber der Durchmesser des Abtaststrahlbündels die Auflösung bzw. die Flankensteilheit der Abtastsignale und damit die Auswertungsgenauigkeit.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Abtastvorrichtung, die einen vergleichsweise kleinen Durchmesser des Abtaststrahlbündels aufweist und gegebenenfalls sogar ohne ein besonderes optisches Fokussiersystem auskommen kann.
Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einer Abtastvorrichtung der eingangs genannten Art durch die im Patentanspruch angegebenen Merkmale.
Mit einer solchen Vorrichtung ist es insbesondere unter Verwendung einer leicht fokussierbaren Laserstrahlung möglich, über eine einzige Lichtleitfaser die für die Abtastung eines Objektes nötige Lichtleistung an das Objekt heranzuführen. Durch optische Abbildung der Austrittsfläche des Sende-Lichtleiters auf die Objektoberfläche lassen sich dann die angestrebten, kleinen Abtastfleckdurchmesser erreichen.
Bei nicht zu hohen Genauigkeitsanforderun'gen ist es sogar möglich, auf ein besonderes Fokussierungssystem für den Ausgang des Sendekanals zu verzichten, sofern man den Ausgang des Sendekanal-Lichtleiters genügend nahe an das Abtastobjekt heranbringen kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn gemäss einer Weiterbildung der Erfindung defrSendekanal-Lichtleiter als selbstfokussierende Faser (aradienten-Lichtleiter) ausgebildet ist.
Für die Erzielung der erwähnten Vorteile ist die Verwendung eines einzigen Lichtleiters geringen Austrittsquerschnitts als wirksamer Sendekanal ausreichend. Es können jedoch mehrere solcher Sendekanal-Lichtleiter vorhanden sein, sofern jeweils nur einer von ihnen wirksam ist. Insbesondere kann der Sendekanal-Lichtleiter innerhalb eines LichtleiterbUndes angeordnet sein, dessen Ubrige Einzel-Lichtleiter als Ausfallreserve mit dem optischen Sender koppelbar angeordnet sind. Diese Umschaltung ist durch geänderte Lagejustierung einer zweckmässig vorzusehenden Eingangsfokussierung des Sendekanals ohne Schwierigkeit erreichbar und erhöht die Betriebssicherheit im Hinblick auf Beschädigung oder Bruch einzelner Lichtleitfasern.
Die Erfindung wird weiter anhand des in den Zeichnungen schematisch angedeuteten AusfUhrungsbeispiels erläutert.
Hierin zeigt: Fig. 1 den objektseitigen Endabschnitt einer koaxialen Sende-Empfangskanalanordnuflg im Teil-Axialschnitt mit einem Abtastobjekt und -Fig. 2 den sender- bzw. detektorseitigen Endabschnitt der kombinierten Kanalanordnung nach Fig. 1, ebenfalls im Teil-Axialschnitt.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Lagedetektion von Markierungen auf einem in Fig. 1 angedeuteten, rotierenden Maschinenteil 1, dessen punktuelle Umfangsgeschwindigkeit auf diese Weise bestimmbar ist. Eine hochgenaue Lagebestimmung von Markierungen auf einem rotierenden Maschinenteil ist zum Beispiel für die Bestimmung von der Drehbewegung überlagerten Schwingungen einzelner Bestandteile des Maschinenteils von Interesse, etwa für die Bestimmung von Schaufelschwingungen innerhalb eines Turbinen-Schaufelkranzes.
Wie aus den Figuren ersichtlich, erstreckt sich die Kanalanordnung von einer Markierung la als Abtastobjekt über einen Abschnitt 2 mit fokussierendem bzw. kondensierendem Linsensystem sowie einen Lichtleiterabschnitt 3 zu einem Abschnitt 4, in dem die Teilung der optischen Wege zwischen Sender und Detektor erfolgt. Als Sender ist ein nicht näher dargestellter Laser 5 mit ausgangsseitigem Mikroskopobjektiv 6 vorgesehen. Letzteres fokussiert das Laserstrahl bündel auf den Eingang 11 einer einen Sendekanal 10 bildenden, einzelnen Lichtleitfaser (in den Zeichnungen unmassstäblich vergrössert dargestellt).
Der Anfangsabschnitt des über das Mikroskopobjektiv - gegebehènfalls selektiv aus einem Sendekanal-Faserbündel - beaufschlagten Sendekanal-Lichtleiters 10 ist innerhalb einer Kapselung 7 in den Querschnitt eines Empfangskanals 15 eingeführt, der seinerseits aus einer sehr grossen Anzahl einzelner Lichtleiter bzw. Fasern besteht. Der sich anschliessende Abschnitt 12 des Sendekanal-Lichtleiters ist koaxial innerhalb des entsprechenden Empfangskanalabschnitts 17 geführt und endet in einer Lochblende 12a, welche einen konzentrischen Innenbereich des Empfangskanalquerschnitts mit vergleichsweise grossem Aussendurchmesser abschirmt.
Zur Objektseite hin schliesst sich eine koaxial angeordnete Zylinderhülse 12b an, in der eine erste Sammellinse 14a eines abbildenden Linsensystems 14 angeordnet ist und welche die Abschirmung zwischen Sendekanal und Empfangskanal in axialer Richtung verlängert. Der objektseitige Endabschnitt 13 des Sendekanals verläuft weiter durch den zentrumsnahen Bereich einer weiteren Sammellinse 14b und sodann als konvergierendes Strahlenbündel zum Objekt la.
Das von hier reflektierte Laserlicht gelangt über-den ringförmigen äusseren Bereich der Sammellinse 14b, die hierfür als Kondensor wirkt, innerhalb des Anfangsabschnitts 16 des Empfangskanals am Aussenumfang der Zylinderhülse 12b vorbei an die Stirnfläche 17a des Lichtleiterbündels des Empfangskanalabschnitts 17. Der Endabschnitt 13 des Sendekanals ist demgemäss koaxial innerhalb des entsprechenden Anfangsabschnitts 16 des Empfangskanals geführt, und zwar infolge der Lochblende 12a und der Zylinderhülse 12b gegeneinander in der Weise abgeschirmt, dass nur sehr wenig parasitäres Streulicht aus dem Endabschnitt des Sendekanals unmittelbar in den Anfangsabschnitt des Empfangs kanals gelangen kann.
Die bauliche Vereinigung von Sendekanal und Empfangs kanal im Bereich der Kanalabschnitte 13 und 16 hat den Vorteil, dass Lageschwankungen - z.B. infolge von Schwingungen oder Wärmedehnungen - zwischen den beiden Systemen und die entsprechende Vortäuschung von Objektbewegungen wesentlich vermindert sind. Dabei erweist sich die koaxiale Anordnung - neben den bereits erwähnten optischen Vorteilen - hinsichtlich der gegenseitigen Lage von Sendekanal und Empfangskanal als besonders unempfindlich gegenüber Warme dehnungen und anderen Verformungen.
Dem Ausgang 18 des Empfangskanalabschnitts 17 ist in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise ein schematisch angedeutetes, auf die Laserfrequenz abgestimmtes, schmalbandiges Interferenzfilter 19 nachgeordnet. Allenfalls störendes Fremdlicht wird dadurch vom nachfolgenden Detektor 20, etwa einem photoelektrischen Wandler, ferngehalten.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche 1. Optische Abtastvorrichtung mit hoher Auflösung, umfassend zwei wenigstens teilweise aus Lichtleiter bestehende Uebertragungskanäle, deren einer als Sendekanal von einem optischen Sender zum Abtastobjekt und deren anderer mit reflektierter Strahlung beaufschlagt vom Objekt zu einem Detektor führt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendekanal (10) mindestens in einem Bereich des objektseitigen Kanalendes angeordneten Abschnitt-aus einem einzigen Lichtleiter geringen Durchmessers besteht.
2. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der den Sendekanal (10) bildende Lichtleiter innerhalb des äusseren Querschnittsumfanges des aus einem LichtleiterbUndel bestehenden Empfangskanal (15) angeordnet ist.
3. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendekanal (10) mindestens teilweise koaxial innerhalb des Empfangskanals (15) angeordnet ist.
4. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendekanal-Lichtleiter wenigstens in seinem objektseitigen Endabschnitt als selbstfokussierende Faser (Gradienten-Lichtleiter) ausgebildet ist.
5. Abtastvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der objektseitige Endabschnitt des Sendekanals (10) und der entsprechende Anfangsabschnitt des Empfangskanals (15) jeweils durch ein abbildendes bzw. kondensierendes Linsensystem gebildet ist und dass der Endabschnitt des Sendekanals koaxial innerhalb des Anfangsabschnitts des Empfangskanals angeordnet ist.
6. Abtastvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Uebergangsbereich zwischen dem objektseitigen Endabschnitt (13) des Sendekanals (10) und dem diesem vorangehene den Kanalabschnitt (12) eine die Lichtleiter des entsprechenden Empfangskanalabschnitts (17) in der Nachbarschaft des Sendekanalaustritts in das fokussierende Linsensystem (14a, 14b) abschirmende Lochblende (12a) angeordnet ist.
7. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als optischer Sender (5) ein Laser vorgesehen sit.
8. Abtastvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ausgang (18) des Empfangskanals (15) und dem Detektor (20) ein auf die Laserfrequenz abgestimmtes Interferenzfilter (19) angeordnet ist.
9. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendekanal-Lichtleiter innerhalb eines Lichtleiterbündels angeordnet ist, dessen übrige Einzel-Lichtleiter als Ausfallreserve mit dem optischen Sender koppelbar angeordnet sind.
10. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sender ein auf den Eingangsquerschnitt des Sendekanal-Lichtleiters fokussierendes Linsensystem (6) aufweist.