DE2650023B2 - Vorrichtung zum Aufweiten von nahezu parallen Lichtbündeln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufweiten eines nahezu parallelen Lichtbündels mittels einer zylinderförmigen Linse.

Die zweidimensionale Aufweitung von nahezu parallelen Lichtbündeln ist Gegenstand vieler optischer Systeme, die zumindest dann einen großen technischen Aufwand erfordern, wenn das aufgeweitete Lichtbündel größere öffnungswinkel aufweisen soll. Die übliche Methode besteht in der Verwendung von sog. Zylinderlinsen, die in der Regel nur teilzylindrisch ausgebildet sind. Als Lichtquelle zur Erzeugung eines nahezu parallelen Lichtbündels kann beispielsweise ein Laser dienen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung obengenannter Art so auszubilden, daß ein Lichtvorhang erzeugt wird, der die Form eines Kegelmantels mit beliebigem konstanten öffnungswinkel besitzt bzw. eines Kegelmantels mit beliebigem konstanten öffnungswinkel, dessen Mantellinien eine Schraubenlinie als Ursprung haben, so daß die Spur des Kegelmantels in einem ebenen Schnitt senkrecht zur Kegelachse eine Spirale bildet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Linse vollzylindrisch ausgebildet ist und im Innern der Linse zumindest ein optisch dünneres Medium in Zylinderform aufweist, wobei die Linse h'> bezüglich des Lichtbündels so angeordnet ist, daß an der Grenzfläche zum optisch dünneren Medium Totalreflexion eintritt.

Die Vorrichtung weist also eine Art rohrförmige Linse auf. An der Grenzfläche zwischen optisch dichterem Medium, dem Rohrmantel, und dem optisch dünneren Medium, dem Rohrinnero, tritt dann neben der Brechung zusätzlich Reflexion bzw. Totalreflexion auf, wodurch geschlossene Lichtflächen entstehen. Ist die erfindungsgemäß mit ihrer geometrischen Achse ausgebildete Linse senkrecht zu dem parallelen Lichtbündel, z. B. eines LASER-Strahls, ausgerichtet, so entsteht in der senkrecht zu der Linse verlaufenden Ebene, in der auch der LASER-Strahl liegt, eine geschlossene Lichtfläche mit nahezu gleichmäßiger Intensitätsverteilung, die zumindest theoretisch die gesamte Ebene einnimmt d.h. ein Lichtvorhang in Form eines Kegelmantels mit 180° öffnungswinkel. Bei jeder anderen winkligen Anordnung der Linsenachse zur Strahlachse wird ein Kegelmantel mit einem öffnungswinkel kleiner als 180" erzeugt Unabhängig vom Durchmesser der Linse und vom Durchmesser des optisch dünneren Mediums wie auch des Strahlenbündels muß die Ausbildung und Anordnung nur stets so getroffen sein, daß ein Teil des Strahlenbündels an der Grenzfläche zwischen der Linse und dem optisch dünneren Medium totalreflektiert wird, d. h. wenigstens ein Teil der Strahlen muß in diesem Grenzflächenbereich in die Linse eintreten. Das erfindungsgemäße Prinzip läßt sich in der Technik vielfach einsetzen. Beim Durchtritt von Objekten durch diese LichtHäche kann dies entweder durch Registrierung der Steuerung von Licht an diesem Objekt durch Detektoren oder durch objektbedingte Abschattung von Detektoren festgestellt werden. Em zweiten Fall kann durch Verwendung von selektiven Detektoren sogar der Durchtrittspunkt bestimmt werden. Ferner können z. B. in zueinander parallelen Ebenen mit definiertem Abstand diese Lichtflächen erzeugt werden, um mit dieser Anordnung die Geschwindigkeit von bewegten Objekten zu messen. Gegenüber herkömmlichen Verfahren mit Lichtschranken ist der Durchtrittsbereich, in dem die Messung erfolgen kann, nicht mehr durch die Ausdehnung der Lichtschranken begrenzt sondern in Entfernung und Winkel beliebig ausdehnbar. Weiterhin kann damit eine Lichtfläche erzeugt werden, die einen gegen Brand zu schützenden Raum durchschneidet. An geeigneter Stelle außerhalb der Lichtfläche sind ein oder mehr Detektoren so angebracht, daß aus jedem Bereich der Lichtfläche gestreutes Licht auf mindestens einen der Detektoren gelangen kann. Treten Rauchteilchen durch die Lichtfläche, so erreicht das dadurch erzeugte Streulicht einen Detektor und löst diesen aus, woraufhin geeignete Folgemaßnahmen eingeleitet werden können.

Eine andere Anwendung liegt beispielsweise in der Verringerung der Unfallgefährdung bei der Arbeit an Maschinen, z. B. Stanzen Pressen od. dgl. Vor die bewegten Maschinenteile wird die erfindungsgemäße Linse zusammen mit einem LASER so angeordnet, daß zwischen der Bedienungsperson der Maschine und dem gefährlichen Bereich der Maschine eine Lichtfläche erzeugt wird. Befindet sich die Bedienungsperson noch in dem gefährlichen Bereich, so ist das Lichtfeld noch durchdrungen, d. h. es ist noch Streulicht vorhanden, so daß die Detektoren noch aktiviert sind und den Arbeitszyklus der Maschine unterbinden. Würde man diese Sicherheitsmaßnahme mit herkömmlichen lichtoptischen Einrichtungen mit normaler Lichtquelle und Fotozelle verwirklichen, so müßte zur Erzeugung einer entsprechenden »Lichtwand« ein erheblicher Aufwand

getrieben werden.

Auch das lichtoptische Abtasten von Gegenständen nach Größe und Umriß, wie es beispielsweise beim Sortieren von Stückgut notwendig ist, kann erfindungsgemäß durch eine einfache Linearbewegung der Vorrichtung erreicht werden, wobei das von ihr erzeugte Lichtfeld das Objekt überstreicht und an der gegenüberliegenden Seite mehrere Detektoren rasterförmig angeordnet sind. Bei der herkömmlichen Methode erfordert dies entweder eine Vielzahl von in entsprechenden Rastern angeordneten Lichtquellen oder aber eine Lichtquelle, die in zwei Koordinaten bewegt wird.

Stellt man die erfindungsgemäß ausgebildete Linse winklig zu einem LASER-Strahl an, so wird anstelle der ebenen Lichtfläche im Raum eine Kegelmantelfläche mit konstanter Intensitätsverteilung erzeugt Diese mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugbare Lichtfläche kann beispielsweise zur Diebstahlsicherung kleinerer Objekte verwendet werden, indem das zu schützende Objekt von einer Kegelmantelfläche eingehüllt wird. Die Registrierung von Streulicht durch Detektoren zeigt den unbefugten Zugriff an, woraufhin Folgemaßnahmen eingeleitet werden können. Die Kegelmantelfläche ist nur dann in sich geschlossen, wenn der Durchmesser des verwendeten Rohres sehr klein ist. Mit zunehmendem Rohrdurchmesser geht die Kegelmantelfläche in eine Spiralfläche, d. h. einer Kegelmantelfläche mit zunehmendem bzw. abnehmendem Öffnungswinkel, über.

Andere Anwendungsarten der erfindungsgemäß ausgebildeten Linse bestehen zum Beispiel in der kombinierten Erzeugung von ebenen und gekrümmten Lichtflächen. Hiermit können beispielsweise Flugplatzbefeuerungen, Flugraumbegrenzungen, Markierungsflächen und Anflugpunkte erzeugt werden.

Ferner ist eine Anwendung als zweidimensionale LASER-doppleranemometrie (LDA) möglich. Bei der punktuellen LDA werden zwei LASER-Strahlen zum Schnitt gebracht und im Schnittpunkt kann die Geschwindigkeit von Mikropartikeln aufgrund der Differenzdopplerverschiebung gemessen werden. In Analogie dazu können Lichtflächen verwendet werden, um das Meßvolumen in einer Richtung beliebig auszudehnen.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Linse kann auch in Verbindung mit sehr kurz- oder langwelligem LASER-Licht, beispielsweise im Infrarotbereich verwendet werden. Ferner ist der Anwendungsbereich nicht nur auf sichtbares Licht begrenzt, vielmehr kann jede gerichtete elektromagnetische Strahlungsquelle wie ein MASER verwendet werden. Hierbei müssen die zwei zueinander koaxialen Medien erfindungsgemäß verschiedene Brechungsindizes bezüglich der Wellenlänge der verwendeten elektromagnetischen Strahlung haben.

Schließlich kann die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung auch mit anderen, üblichen Linsen- und Spiegelsystemen kombiniert werden. Wird z. B. die erfindungsgemäße Linse im Brennpunkt einer konventionellen Bikonvexlinse angeordnet, so kann die Kegelmantelfläche in eine Zylindermantelfläche umgeformt werden. Durch ein Verspiegeln von Teilen der Oberfläche der erfindungsgemäß ausgebildeten Linse ist die Konzentration der Lichtintensität auf bestimmte öffnungswinkel zu erreichen.

Gernäß einer bevorzugten Ausführungsform ist im Innern der Linse nur ein zylinderförmiges, optisch dünneres Medium angeordnet, dzs darüber hinaus koaxial zu der Zylinderlinse verläuft. Wenn die Linse als Rohr mit einem kreisringförmigen Querschnitt ausgebildet ist, ergibt sich der Vorteil, daß im Handel befindliche ^r> Glas-Rohre mit ausreichender optischer Reinheit erfindungsgemäß eingesetzt werden können. Damit sind keine komplizierten optischen Systeme erforderlich.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei-

lu bung einer in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsform. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung mit einem LASER und einer rohrförmig ausgebildeten Linse;

i) Fig.2 die erfindungsgemäße Linse in größerem Maßstab;

Fig.3 die Vorrichtung gemäß Fig. 1, jedoch mit anderer Anordnung der Linse;

Fig.4 ein Schirmbild einer mit der Vorrichtung erzeugten Spiralfläche.

Die Vorrichtung gemäß F i g. 1 besteht aus einer mit 1 bezeichneten Linse und einer einen kohärenten Lichtstrahl 2 erzeugenden Lichtquelle 3, z. B. einem LASER. Die Linse 1 ist so angeordnet, daß sie von dem

2-> Strahl 2 des LASERS 3 getroffen wird, wobei der LASER-Strahl und die Linse 1 einen Winkel λ zwischen sich einschließen. Unterhalb der Anordnung ist schematisch eine insgesamt mit 4 bezeichnete imaginäre Abbildungsebene dargestellt, in der die an und für sich

ω zweidimensionale Lichtfläche, zu der der Strahl 2 aufgeweitet wird, eindimensional abgebildet wird. Beim wiedergegebenen Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 beträgt der Winkel λ 90°. Hierbei ergibt sich eine ebene Lichtfläche, die in der Ebene 4 eine schmale Leuchtspur

3> 5 erzeugt, der parallel zum LASER-Strahl 2 und senkrecht zur Achse der Linse 1 verläuft. Die Lichtebene selbst steht senkrecht zur Achse der Linse 1.

Der Strahl 2 liegt in dieser Ebene.

In Fig.2 ist die Linse 1 in größerem Maßstab

•tn dargestellt. Sie ist als Glasrohr mit kreisringförmigem Querschnitt ausgebildet und weist in ihrem Innern 10 ein optisch dünneres Medium, z. B. Luft oder eine Flüssigkeit, auf.

Wird die Linse 1 zum LASER-Strahl 2 mit einem von

■Γ) 90° verschiedenen Winkel angestellt, wie in Fig.3 gezeigt ist, so entartet die ebene Lichtfläche zu einer Kegelmantelfläche 6, die auf einem Schirm 7, der senkrecht zur Richtung des LASER-Strahls 2 angeordnet ist, einen dünnen Kreisring 8 abbildet.

ίο Wird anstelle des in F i g. 2 dargestellten dünnwandigen Rohres ein solches mit dickerer Wandung verwendet und zum LASER-Strahl mit einem von 90° verschiedenen Winkel angestellt, so entsteht eine Spiralfläche, die sich auf dem Schirm 7 als dünne Spirale 9 abbildet. Auf der Linse selbst kann in diesem Fall eine schraubenförmige Leuchtspur 11 als Abbildung der Totalreflexion wahrgenommen werden. Diese Schraubenlinie erstreckt sich — je nach Richtung der Anstellung der Linse — von dem Auftreffpunkt des

w) Strahls 2 auf die Linse 1 nach deren einem Ende hin.

Die Linse 1 kann im Bedarfsfall an einer Justiereinrichtung angebracht sein, mit deren Hilfe ihr Anstellwinkel gegenüber dem Strahl 2 definiert eingestellt werden kann. Dabei kann es zum Zweck der Reproduzierbar-

<> > keit vorteilhaft sein, die Justiereinrichtung fest mit der Lichtquelle 3, z. B. dem LASER zu verbinden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Aufweiten eines nahezu parallelen Lichtbündels mittels einer zylinderförmigen Linse, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (1) vollzylindrisch ausgebildet und im Innern der Linse (1) zumindest ein optisch dünneres Medium in Zylinderform aufweist, wobei die Linse bezüglich des Lichtbündels (2) so angeordnet ist, daß an der Grenzfläche zum optisch dünneren Medium Totalreflexion eintritt

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der Außenfläche der Linse (1) verspiegelt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zylinderförmige optisch dünnere Medium koaxial zu der Linse (1) angeordnet ist

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse als Rohr (1) ausgebildet ist

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) einen kreisringförmigen Querschnitt aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) aus Glas besteht

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (1) an einer Justiereinrichtung zur Änderung der Winkellage der Linse (1) gegenüber dem Lichtstrahl (2) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß die Justiereinrichtung mit der Lichtquelle (3) fest verbunden ist.