DE2700027A1

DE2700027A1 - Lichtleitstab

Info

Publication number: DE2700027A1
Application number: DE19772700027
Authority: DE
Inventors: Erwin Sick
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1977-01-03
Filing date: 1977-01-03
Publication date: 1978-07-06
Also published as: GB1596177A; JPS5385442A; DE2700027B2; DE2700027C3; JPS605922B2; US4196962A

Description

PATENTANWÄLTE

MANITZ, FINSTERWALD & CRÄMKOW

München, den O3.OI.77 S/Wr-S 3296

Erwin Sick Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Optik-Elektronik An der Allee 7-9, 7808 Valdkirch

Lichtleitetab

Sie Erfindung betrifft einen Lichtleitstab mit einer parallel zur Stabachse Yerlaufenden, im Bereich der Oberfläche angeordneten Stufenspiegelanordnung, deren Einselspiegel in einem Mittellängsechnitt gesehen geradlinig und derart geneigt but Stabachse angeordnet sind, daß ein -von der gegenüberliegenden Oberfläche her einfallender Lichtstrahl unter einem solchen Winkel reflektiert wird, daß er unter einem Winkel der Totalreflexion auf die gegenüberliegende Wand auftrifft.

Es ist bereits ein Lichtleitstab dieser Art bekannt (BC-OS 25 08 366), bei dem praktisch die gesamte rom Hantel her in den Stab eintretende lichtmenge unter Winkeln der Totalreflexion durch die Stufenspiegelanordnuag abgelenkt wird, so daß ein sehr hoher Prozenteati des auf die Hantelü&che auftreffenden Lichtes durch ein- oder mehrfache Totalreflexion an der Oberfläche des Licntleitstabes xu dessen Stirnseiten gelangt, wo ein photoelektrischer Wandler angeordnet ist, der

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DR. O. MANITZ · DIM_n-ING. M. FINSTERWALD DIPL.-INC. W. GRAMKOW Z(NTRALKAiSE BAYER. VOLKStANMN MÖNCHEN 93. ROBERT-KOCH-STRASSE I 7 STUTTGART 60 (BAD CANNSTATTI MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7970 TEL. (0S9> ai49ll. TELEX 05-99679 PATMF SEELBERGSTR.93/3S. TEL.I07IIIS6 79 6I POSTSCHECK < MÖNCHEN 77069-βΟβ

ein der empfangenen Lichtmenge entsprechendes elektrisches Signal abgibt. Derartige Lichtleitstäbe werden z. B. bei sogenannten Zeilentastern verwendet, bei denen ein sdaarfgebündelter Lichtstrahl, z. B. ein Laserstrahl periodisch die Oberfläche einer laufenden Bahn abtastet, um Fehlstellen in derselben zu ermitteln. Das durchgehende, spiegelnd oder diffus reflektierte Licht wird unter Umständen nach Konzentration durch eine Zylinderlinse von der Mantelfläche des Lichtleitstabes empfangen und auf der Stufenspiegelanordnung konzentriert, Der Lichtleitstab hat vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt, kann grundsätzlich aber auch quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen. Auch sonstige Querschnitte z. B. elliptische sind denkbar.

Die Stufenspiegelanordnung kann aus dachförmig angeordneten Einzelepiegeln bestehen, wodurch eine Reflexion symmetrisch su beiden Enden des Lichtleitstabes hin erfolgt. Diese Ausführung ist bevorzugt, wenn an beiden Enden des Lichtleitstabes ein photoelektrischer Wandler vorgesehen ist. Es sind aber auch ander« Anordnungen, z. B. eine Sägezahnanordnung denkbar, welche das Licht bevorzugt nur in einer der beiden Stabrichtungen reflektiert. Diese Anordnung ist zweckmäßig, wenn nur an einem Ende des Licht leit Stabes ein phot ο elektrischer Wandler vorgesehen ist.

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Ein Problem bei derartigen Licht leit stäben besteht darin, daß das an den Einzelepiegeln der Stufenspiegelanordnung reflektierte Licht nach einer einmaligen Totalreflexion an der gegenüberliegenden Mantelfläche im allgemeinen wieder auf die Stufenspiegelanordnung zurückreflektiert wird. Dort trifft •s jetzt nicht mehr unter den für eine Lichtweit er leitung optimalen Winkeln auf. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß «in relativ scharf gebündelt er Lichtstrahl bei den verschiedenen Reflexionen innerhalb des Lichtleitstabes kaum aufgefächert wird, so daß er noch in relativ scharf gebündelter Form an die Stirnseite des Licht leit Stabes gelangt, wo der

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photoelektrische Wandler angebracht ist. Derartige Wandler haben jedoch häufig über ihre Fläche unterschiedliche Befindlichkeiten, so daß das in den M cht leitet ab eintretende Licht in möglichst stark aufgefächerter Form an der Stab Stirnseite vorliegen sollte.

Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, einen Lichtleitstab der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei dem der störende Einfluß der Stufenspiegelanordnung selbst weitgehend ausgeschaltet ist und in scharfgebündelter Form einfallendes iAcht möglichst stark aufgefächert wird, bevor es die Stirnseiten des Lichtleitstabes erreicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die Einzelspiegel in einem Schnitt senkrecht zur Stabachse gesehen eine konvexe Krümmung aufweisen. Auf diese Weise liegen - von der Innenseite des LichtleitStabes her gesehen schrägstehende konvexe Zylinderspiegel vor, welche das auf die auftreffende praktisch parallele Lichtbündel entsprechend ihren Krümmungsgrad stark auffächern, so daß nur ein Bruchteil des aufgefächerten reflektrierten Lichtes nach einer Totalreflexioi an der Innenwand des Lichtleitstabes erneut .auf die Stufenspiegelanordnung gelangt und deren störenden Einflüssen ausgesetzt ist. ELn weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die starke Lichtauffächerung an die Stirnseite des Lichtleitstäbes ein sehr stark vergleichmäßigtes Lichtbündel gelangt, so daß die durch zu starke Sichtung des austretenden Lichtes hexvorgerufenen nachteiligen Effekte weitgehend beseitigt sind.

Die Einzelspiegel sind vorzugsweise kreisförmig gekrümmt, was insbesondere herstellungstechnJLsehe Vorteile hat. Das Öffnungeverhältnis der kleinen Zylinderspiegel an der tiefsten Stelle liegt zweckmäßigerweise zwischen 1:10 und 1 : 1 und beträgt bevorzugt zwischen 1 : 2 und 1:6.

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Um für eine optimale Lichtauffächerung erforderliche Krümmungen verwirklichen und gleichzeitig eine relativ breite Spiegelfläch· erhalten und so gewisse De Justierungen des Strahles hinnehmen zu können, ist nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, daß 2 bis 5 Stufenspiegelanordnungen und vorzugsweise 3 Stufenspiegelanordnungen nebeneinander angeordnet sind. Zweckmäßigerweise liegen die verschiedenen Spuren ohne Abstand nebeneinander.

Ba jeweils vom übergang des ELnfallslichtStrahles von einem ELnzelspiegel zum unter einem Winkel dazu angeordneten nächsten ein Sprung in der Reflexion auftritt, sieht eine weitere besondere bevorzugte Ausführungeform, daß die einzelnen nebeneinanderliegenden Stufenspiegelanordnungen in Richtung der Stabachse um weniger als eine Wiederholungsperiode gegeneinander versetzt sind. Vorzugsweise nimmt die Versetzung derart stetig zu, daß die Versetzung der letzten Stufenspiegelanordnung relativ zur ersten gleich der ersten zur zweiten Stufenspiegelanordnung ist. Der betreffende Reflexionssprung tritt somit jeweils nur bei einer der mehreren Spuren auf, was den erfindungsgemäß beabsichtigten Vergleichmäßigungseffekt weiter fordert.

Der erfindungsgemäße Lichtleitstab ist vorzugsweise aus transparentem Kunststoff hergestellt, wobei die Stufenspiegelanordnung durch ELnfrasen mittels eines Winkeldiamanten erzielt wird.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Pig. 1 einen Querschnitt senkrecht zur Achse eines erfindungsgemäßen LichtleitStabes,

Pig. 2 einen MLttellängsschnitt des in Figur 1 dargestellten Lichtleitstabes und

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Hg. 3 eine Draufsicht des in ten Figuren 1 und 2 dargestellten Lichtleitstabes.

Nach Figur 2 tritt ein scharfgebündelter Lichtstrahl 14 z. B. ein Laserstrahl im wesentlichen senkrecht zur Stabachse 11 in einen Lichtleitetab 15 ein. Vorzugsweise führt der Lichtstrahl 14 in Richtung des Doppelpfeiles f eine kontinuierliche und periodische Abtastbewegung über die Oberfläche des Iiichtleitstabes aus. 14 kann jedoch auch ein beispielsweise durch eine Zylinderlinse auf eine Stufenspiegel anordnung 12 konzentriertes Empfangslichtbündel sein, was in gestrichelten Linien in Fig. 1 angedeutet ist.

Der Lichtstrahl bzw. das Lichtbündel 14 fallen gemäß den Fig. 1 und 2 von Innen her auf eine Stufenspiegelanordnung 12, die aus dachförmig zueinander angeordneten Einzelspiegeln 13 besteht und sich auf der dem Lichteintritt gegenüberliegenden Mantelfläche parallel zur Stabachse 11 erstreckt ·

In dem Schnitt nach Figur 2 sind die Einzelspiegel 13 geradlinig und erstrecken sich unter einem solchen Winkel zur Stabachse 11, daß von der gegenüberliegenden Mantelfläche her eintretendes Licht unter einem solchen Winkel OC in das Stabinnere reflektiert wird, daß es unter einem solchen Winkel 6 auf die Mantelfläche des Stabes 15 auftrifft, daß es total reflektiert wird. Auf diese Weise wird praktisch 41« fesaal;· in den Stab eintretende Lichtmenge innerhalb des Stabes zu den Stirnseiten weitergeleitet, wo ein nicht dargestellter photoelektrischer Wandler angeordnet ist. Eine der Stirnseiten kann auch verspiegelt sein, so daß das dort auftreffende Licht zur gegenüberliegenden Stirnseite zurückreflektiert wird.

Erfindungsgemäß weisen die Einzelspiegel 13 nach Figur 1 ein· zum Inneren des Stabes 11 Un konvex gekrümmte Form. Der Krümmungsradius r ist dabei relativ klein, so daß sich eine starke Krümmung ergibt. Der Krümmungsradius kann z. B. 6 mm betragen, was einer Brennweite von 3 nmr entsprechen würde.

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Aufgrund dieser stark konvexen Krümmung wird in dem Schnitt nach Figur 1 senkrecht auf einen Einzelspiegel I3 auftreffendes Licht nach allen Seiten aufgefächert, wie das durch die Pfeile angedeutet ist. Gleichwohl wird das Licht - wie in Figur 2 angedeutet - noch unter dem Totalreflexionswinkel β auf die Stabwand auftreffen. Aufgrund der starken Auffächerung wird jedoch nur ein Bruchteil des totalreflektierten Lichtes erneut auf die Stufenspiegelanordnung 12 auftreffen.

Nach den Figuren 1 und 3 sind mehrere Stufenspiegelanordnungen 12a, 12b bzw. 12c nebeneinander auf der Mantelfläche des IiichtleitStabes 15 angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß trotz starker Krümmungen der Einzelspiegel eine relativ breite Spiegelfläche erzielt werden kann, die eine gewisse Dejustierung des einfallenden ziemlich schmalen Lichtbündels zuläßt, d. h. bei seitlich zur optischen Achse des Lichtleitstabes vorliegender Dejustierung übernimmt der benachbarte Stufenspiegel die Auffächerung des Bündels, ohne daß sich die Auffächerungsrichtung unzulässig ändert. Je mehr Spuren vorliegen, desto gleichmäßiger ist die Auffächerung.

Aue Figur 3 ist weiter ersichtlich, daß bei drei nebeneinanderliegenden Spiegelspuren zweckmäßigerweise jede Spur gegenüber der nächsten um 1/3 einer Spiegelwiederholungsperiode versetzt ist. Diese Maßnahme dient einer weiteren Vergleichmäßigung des zu den Stirnseiten des Lichtleitstabes gelangenden Lichtes.

Für die Herstellung des erdindungsgemäßen LichtleitStabes wird vorzugsweise ein transparenter Kunststoff wie z. B. Plexiglas verwendet. In diesem Stab wird mittels eines Vinkeldiamanten das gewünschte Spiegelprofil eingefräst. In Figur 2 ist bei 16 rein schematisch ein derartiges Werkzeug veranschaulicht, welches sich um eine Achse 17 dreht und dabei die für die Spiegel erforderlichen Vertiefungen •infräst.

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- Patentansprüche -

Claims

Patentansprüche

1. Iichtleitstab mit einer parallel zur Stabachse verlaufenden im Bereich der Oberfläche angeordneten Stufenspiegel anordnung, deren Einzelspiegel in einem Mittellängsschnitt gesehen geradlinig und derart geneigt zur Stabachse angeordnet sind, daß ein von der gegenüberliegenden Oberfläche her einfallender Lichtstrahl unter einem solchen Winkel reflektiert wird, daß er unter einem Winkel der Totalreflexion auf die gegenüberliegende Wand auftrifft, dadurch gekennzeichnet , daß die Einzelspiegel (13) in einem Schnitt senkrecht zur Stabachse (11) gesehen eine konvexe Krümmung aufweisen.

2. Lichtleitstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einzelspiegel (13) kreisförmig gekrümmt sind.

3· Lichtleitstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Öffnung der zylinderartigen Spiegel (13) zwischen 1 : 10 und 1 : 1 liegt.

4. Lichtleitstab nach Anspruch 3t dadurch gekennzeichnet , daß die Öffnung zwischen 1 : 2 und 1 : 6 liegt.

5. Lichtleitstab nach einem der vorhergehenden Anspruch·, dadurch gekennzeichnet , daß 2 bis 5 Stufenspiegelanordnungen (12) nebeneinander angeordnet sind. ;

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6. Lichtleitstab nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß 3 Stufenspiegelanordnungen (12a, 12b, 12c) nebeneinander angeordnet sind.

7· Lichtleitstab nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß Stufenspiege!anordnungen (12) ohne Abstand nebeneinander liegen.

8. Lichtleitstab nach einem der Ansprüche 5-7» dadurch gekennzeichnet , daß die einzelnen nebeneinanderliegenden Stufenspiegelanordnungen (12) in Sichtung der Stabachse (11) um veniger als eine Viederholungsperiode gegeneinander versetzt sind.

9- Lichtleitstab nach einem der vorhergehenden Ansprüche aus transparentem Kunststoff, dadurch gekennz ei c h -net, daß der durch ELnfräsen mittels eines Winkeldiamanten hergestellt ist.

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