DE29921664U1

DE29921664U1 - Optische Vorrichtung

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Publication number: DE29921664U1
Application number: DE29921664U
Authority: DE
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 1999-12-10
Filing date: 1999-12-10
Publication date: 2000-02-10
Anticipated expiration: 2009-12-11

Description

Sick AG . S 7367-Jr/ho

Optische Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung mit einer Lichtquelle und einem optischen Element zum Fokussieren von sich von der Lichtquelle zum optischen Element ausbreitenden Lichtstrahlen.

In Verbindung mit derartigen optischen Vorrichtungen ist es bekannt, den Abstand zwischen der Lichtquelle und dem optischen Element beispielsweise durch Verschieben der Lichtquelle zu verändern, um auf diese Weise die Fokussierung der Vorrichtung einzustellen. Nachteilig hieran ist, daß für die Relativbewegung zwischen Lichtquelle und optischem Element Platz benötigt wird und für die Bewegung der Lichtquelle deren elektrische Anschlüsse flexibel ausgeführt werden müssen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine optische Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Fokussierung auf mögliehst einfache Weise und insbesondere bei minimalem Platzbedarf eingestellt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch, daß eine Einstelleinrichtung vorgesehen ist, mit welcher die optische Weglänge im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und dem optischen Element zum Einstellen der Fokussierung variierbar ist.

Durch die erfindungsgemäße Variation der optischen Weglänge können zwischen der Lichtquelle und dem optischen Element optische Verhältnisse hergestellt werden, wie sie bisher durch Verändern des Abstands zwischen der Lichtquelle und dem optischen Element, d.h. durch Verschieben der Lichtquelle und/oder des optischen Elements, erreicht wurden. In der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung können somit die Lichtquelle und das optische Element dauerhaft in einem festen Abstand voneinander verbleiben. Da keine Bewegung der Lichtquelle erforderlich ist, kann deren elektrischer Anschluß vereinfacht ausgeführt werden. Des weiteren ist der Platzbedarf für die optische Vorrichtung gemäß der Erfindung minimal, da keine Relativbewegungen zwischen der Lichtquelle und dem optischen Element notwendig sind.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt die Einstelleinrichtung wenigstens ein lichtdurchlässiges Verstellorgan, das in

den Strahlengang einbringbar und im Strahlengang bewegbar ist und dessen Brechzahl von der Brechzahl eines Mediums vor und/oder hinter dem Verstellorgan verschieden ist. Das Medium vor und/oder hinter dem Verstellorgan ist bevorzugt Luft.
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Durch Einbringen und Bewegen des Verstellorgans im Strahlengang kann der Weg, den die Lichtstrahlen innerhalb des - bezogen auf das Medium Luft - optisch dichteren Verstellorgans zurücklegen müssen, verändert werden. In optischer Hinsicht hat die Verstellbewegung des Verstellorgans somit die gleichen Konsequenzen wie sie eine entsprechende Veränderung des Abstandes zwischen der Lichtquelle und dem optischen Element hätte. Erfindungsgemäß kann bei konstanter Entfernung zwischen Lichtquelle und optischem Element durch Bewegen des Verstellorgans der

Brechzahlverlauf im Strahlengang und somit die optische Weglänge für die Lichtstrahlen variiert werden.

Dabei ist es bevorzugt, wenn das Verstellorgan derart geformt ist, daß sich beim Verstellen des Verstellorgans der innerhalb des Verstellorgans zurückzulegende Lichtweg stufenlos ändert. Auf diese Weise wird eine stufenlose Einstellung der Fokussierung ermöglicht.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Verstellorgan wenigstens zwei relativ zueinander bewegbare Verstellelemente, die jeweils keilförmig ausgebildet sind.

Mit derartigen Verstellelementen ist es möglich, eine lichtdurchlässige Platte zu bilden, die im Betrieb der Vorrichtung in jeder Relativstellung der Verstellelemente einen konstanten - wenn ein kleiner Spalt zwischen den Verstellelementen vorhanden ist: einen näherungsweise konstanten Brechzahlverlauf in Lichtausbreitungsrichtung aufweist und mit senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung verlaufenden, parallelen Außenflächen angeordnet ist.

Das senkrecht über die eine Außenfläche der Platte, die von dem einen keilförmigen Verstellelement gebildet wird, einfallende Licht tritt über die von dem anderen keilförmigen Verstellelement gebildete Außenfläche wieder aus der Platte aus, wobei allenfalls - falls ein kleiner Spalt zwischen den Verstellelementen vorhanden ist - ein kleiner, den Betrieb der Vorrichtung nicht beeinträchtigender Versatz und somit praktisch keine Umlenkung der Lichtstrahlen erfolgt. Die Geometrie der Lichtausbreitung wird somit durch die Verstellelemente nicht verändert.

Wenn die mit dem gleichen Keilwinkel versehenen und mit ihren Keilflächen aneinanderliegenden oder geringfügig beabstandeten Verstellelemente gegeneinander verschoben werden, dann ändert sich die Dicke der von den Verstellelementen gebildeten Platte und damit der Weg, den die Lichtstrahlen in der Platte und somit in dem - bezogen auf das Medium Luft - optisch dichteren Medium zurücklegen müssen.

Besonders bevorzugt ist es, wenn zum einen die Brechzahl der Verstellelemente nur geringfügig von der Brechzahl des umgebenden Mediums, bevorzugt Luft, verschieden ist und die Keilwinkel jeweils klein sind. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise durch eine große Verstellbewegung eine kleine Änderung des Brechzahlverlaufes und somit der optischen Weglänge erzielt werden, wodurch eine empfindliche, überaus genaue Feineinstellung der Fokussierung realisiert werden kann.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzip der Erfindung anhand einer Ausführungsform, und
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Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines praktischen

Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Die Prinzipdarstellung von Fig. 1 zeigt eine Lichtquelle 12 und ein optisches
Element 14, das in einem festen Abstand zur Lichtquelle 12 angeordnet
ist.

Die Lichtquelle 12 kann eine Laserdiode und das optische Element 14
kann eine Kollimatorlinse sein.

Im Strahlengang zwischen der Lichtquelle 12 und dem optischen Element 14 ist ein Verstellorgan angeordnet, das zwei keilförmige Verstellelemente umfaßt, nämlich einen beweglichen Keil 16 und einen unbeweglichen Gegenkeil 18.

Die keilförmigen Verstellelemente 16, 18 weisen jeweils den gleichen Keilwinkel auf und sind mit ihren geraden Außenflächen 26, 28 senkrecht

zum Lichtausbreitungsweg angeordnet, so daß sie bei entsprechend einer möglichen Ausführungsform aneinanderliegenden Keilflächen 36, 38 eine planparallele Platte bilden. Durch Verschieben des Keils 16 senkrecht zum Lichtausbreitungsweg, wie in Fig. 1 durch den Doppelpfeil angeordnet, ist die Dicke der Platte und somit der Weg, den die Lichtstrahlen innerhalb

der Platte zurücklegen müssen, veränderbar. Hierdurch wird die optische Weglänge für die Lichtstrahlen und somit die Fokussierung der Anordnung
verändert.

Bevorzugt ist es, wenn das Medium zwischen der Lichtquelle 12 und dem optischen Element 14 Luft ist und die Keile 16, 18 aus einem lichtdurchlässigen Kunststoffmaterial hergestellt sind, dessen Brechzahl ebenfalls
näherungsweise 1 ist, jedoch sich von der Brechzahl der Luft unterscheidet. Des weiteren ist es bevorzugt, wenn der Keilwinkel der Keile 16, 18,

der in Fig. 1 zu Erläuterungszwecken vergrößert dargestellt ist, klein ist, d.h. der Winkel zwischen den Keilflächen 36, 38 und den senkrecht zum Lichtausbreitungsweg verlaufenden Außenflächen 26, 28 jeweils nur wenige Grad beträgt. Hierdurch ist eine vorteilhafte Feineinstellung der Fokussierung möglich, da eine große Verstellbewegung des Keils 16 nur eine vergleichsweise kleine Änderung der optischen Weglänge zwischen der
Lichtquelle 12 und dem optischen Element 14 zur Folge hat. Der Winkel zwischen den Keilflächen 36, 38 und den Außenflächen 26, 28 kann beispielsweise jeweils im Bereich von 1° bis 10° liegen. Eine besonders feine Einstellung wird erreicht, wenn der Winkel weniger als 1° beträgt.

Fig. 2 zeigt schematisch ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Laserdiode 12 von einem als Metallguß teil ausgebildeten Halteelement 22 umgeben ist. Das Halteelement 22 ist an einer Platine 24 befestigt, die mit Anschlüssen für die Laserdiode 12 versehen ist. Das Halteelement 22 dient u.a. zur Kühlung der Laserdiode 12 und kann mit Kühlrippen versehen sein.

Gleichzeitig dient das Halteelement 22 als Träger für ein Element 18 des Verstellorgans, das in diesem Ausführungsbeispiel eine keilförmige Platte 19 aufweist, deren Keilfläche 38 in Fig. 2 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. Das aus lichtdurchlässigem Kunststoff hergestellte Element 18 ist derart an dem Halteelement 22 angebracht, daß die keilförmige
Platte 19 in einem konstanten Abstand zum Halteelement 22 angeordnet ist. Das Element 18 kann beispielsweise auf das Halteelement 22 aufklippsbar
sein.

In den zwischen der keilförmigen Platte 19 und dem Halteelement 22 vorhandenen Zwischenraum ist der als separates Bauteil ausgeführte Keil 16 einführbar, um im Betrieb der optischen Vorrichtung nach dem vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 erläuterten Prinzip der Erfindung zusammen mit der keilförmigen Platte 19 eine unabhängig von der Einstecktiefe des Keils 16 stets planparallele Platte zu bilden. Das Element 18 ist aus dem gleichen lichtdurchlässigen Material hergestellt wie der Keil 16.

Durch nicht dargestellte Mittel, z.B. eine Federanordnung, sind im Betrieb bei eingestecktem Keil 16 die keilförmige Platte 19 und der Keil 16 mit ihren Keilflächen 36, 38 derart gegeneinander vorgespannt, daß zwischen Keil 16 und keilförmiger Platte 19 kein Spalt vorhanden ist.

Alternativ ist es auch möglich, für einen kleinen konstanten Spalt zwisehen den Keilflächen 36, 38 zu sorgen, indem z.B. Distanzelemente zwischen den Keilflächen 36, 38 angeordnet werden. Diese Distanzelemente können beispielsweise in Form von integralen, insbesondere rippenförmigen Erhebungen in Randbereichen einer oder beider Keilflächen 36, 38 vorgesehen sein, welche die Lichtausbreitung nicht stören. Hierdurch wird die Gefahr eines Zerkratzens der Keilflächen 36, 38 vermieden.

Bevorzugt ist eine weitere Variante, in welcher der Keil 16 nicht gegen das Element 18 vorgespannt ist, sondern auf einer Führungsfläche - z.B. der dem Element 18 zugewandten Stirnseite des Halteelementes 22 - entlanggleiten kann. Die Größe des zwischen den Keilflächen 36, 38 vorhandenen Spaltes in Lichtausbreitungsrichtung ist dabei von der Einschubtiefe des Keils 16 abhängig und somit variabel.

• · I

Der - konstante oder variable - Spalt zwischen den Keilflächen 36, 38 wird in den vorstehend beschriebenen Varianten nur so groß gewählt, daß der Versatz der Lichtstrahlen klein ist und die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung dadurch nicht beeinträchtigt wird.
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Auf dem Element 18 ist eine Halterung 15 für die Kollimatorlinse 14 angeordnet. Die Halterung 15 kann entweder am Element 18 oder am Halteelement 22 befestigt werden. Hierzu kann die Halterung 15 mit sich in Richtung der Platine 24 erstreckenden Befestigungsstiften versehen sein, die sich außen an dem Element 18 vorbei erstrecken und am Halteelement 22 fixiert, z.B. verklebt, sind.

Die Verstellbewegung des Keils 16 erfolgt durch eine in Fig. 2 nicht dargestellte Stellvorrichtung, die manuell oder elektrisch betrieben werden kann. Bevorzugt ist die Stellvorrichtung derart ausgebildet, daß eine Drehbewegung an der Stellvorrichtung in eine Translationsbewegung des Keils 16 umgesetzt wird. Die Übersetzung kann derart gewählt werden, daß mit wenigen Umdrehungen eines manuell oder elektrisch betätigten Stellgliedes der gesamte Einstellbereich durchfahren, d.h. der Keil 16 über seinen gesamten Stellweg bewegt werden kann.

Da die Verstellbewegung in einer zur Platine 24 parallelen Ebene erfolgt, benötigt die erfindungsgemäße Fokuseinstellung keine zusätzliche Bauhöhe. Die erfindungsgemäße Anordnung aus Halteelement 22, Laserdiode 12, Verstellorgan 16, 18, Halterung 15 und Kollimatorlinse 14 kann in einem Volumen von etwa 1 cm³ untergebracht werden. Die Erfindung eignet sich daher insbesondere für miniaturisierte optische Vorrichtungen.

Sick AG S 7367 - Jr/ho

Bezugszeichenliste

12	Lichtquelle
14	optisches Element
15	Halterung
16	Keil
18	Gegenkeil, Element
19	keilförmige Platte
22	Halteelement
24	Platine
26	Außenfläche
28	Außenfläche
36	Keilfläche
38	Keilfläche

Claims

1. Optische Vorrichtung mit einer Lichtquelle (12) und einem optischen Element (14) zum Fokussieren von sich von der Lichtquelle (12) zum optischen Element (14) ausbreitenden Lichtstrahlen, gekennzeichnet durch eine Einstelleinrichtung (16, 18), mit welcher die optische Weglänge im Strahlengang zwischen der Lichtquelle (12) und dem optischen Element (14) zum Einstellen der Fokussierung variierbar ist.

2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Weglänge zumindest näherungsweise ohne Umlenkung der Lichtstrahlen variierbar ist.

3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (12) und das optische Element (14) in einem unverstellbaren Abstand voneinander angeordnet sind.

4. Optische Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung wenigstens ein lichtdurchlässiges Verstellorgan (16, 18) umfaßt, das in den Strahlengang einbringbar und im Strahlengang bewegbar ist und dessen Brechzahl von der Brechzahl eines Mediums vor und/oder hinter dem Verstellorgan (16, 18) verschieden ist.

5. Optische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellorgan (16, 18) derart geformt ist, daß durch eine Verstellbewegung des Verstellorgans (16, 18) der von den Lichtstrahlen innerhalb des Verstellorgans (16, 18) zurückzulegende Weg veränderbar ist.

6. Optische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg stufenlos veränderbar ist.

7. Optische Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellorgan wenigstens zwei relativ zueinander bewegbare Verstellelemente (16, 18) umfaßt, die vorzugsweise jeweils keilförmig ausgebildet sind.

8. Optische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Verstellelemente (16, 18) in jeder Relativstellung eine Platte gebildet ist, die einen konstanten oder durch einen gegenüber den Abmessungen der Verstellelemente (16, 18) in Lichtausbreitungsrichtung kleinen Spalt unterbrochenen Brechzahlverlauf in Lichtausbreitungsrichtung aufweist und mit senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung verlaufenden, parallelen Außenflächen (26, 28) angeordnet ist.

9. Optische Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellelemente (16, 18) mit dem gleichen Keilwinkel versehen und mit aufeinanderliegenden oder in einem gegenüber den Abmessungen der Verstellelemente (16, 18) in Lichtausbreitungsrichtung kleinen Abstand voneinander angeordneten Keilflächen (36, 38) gegeneinander verschiebbar sind.

10. Optische Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilflächen (36, 38) jeweils um weniger als 1° gegenüber den Außenflächen (26, 28) geneigt sind.

11. Optische Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilflächen (36, 38) jeweils um einen Winkel im Bereich von 1° bis 10°, bevorzugt von 1° bis 5° und insbesondere bevorzugt von 1° bis 2° gegenüber den Außenflächen (26, 28) geneigt sind.

12. Optische Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Verstellelement (18) gegenüber der Lichtquelle (12) und dem optischen Element (14) unbeweglich angeordnet ist.

13. Optische Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellelemente (16, 18) mit ihren Keilflächen (36, 38) gegeneinander vorgespannt sind.

14. Optische Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellelemente (16, 18) die gleiche Brechzahl aufweisen.

15. Optische Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechzahl des Verstellorgans (16, 18) geringfügig von der eines Mediums vor und/oder hinter dem Verstellorgan (16, 18) verschieden ist.

16. Optische Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Medium vor und/oder hinter dem Verstellorgan (16, 18) Luft ist.

17. Optische Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellorgan (16, 18) aus Kunststoff hergestellt ist.

18. Optische Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (12) eine Laserdiode und das optische Element (14) eine Kollimatorlinse ist.

19. Optische Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (12) von einem insbesondere als Metallgußteil ausgebildeten Halteelement (22) umgeben ist, das zur Kühlung der Lichtquelle (12) sowie als Träger für das Verstellorgan (16, 18) und das optische Element (14) vorgesehen ist.

20. Optische Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Verstellelement (18) des Verstellorgans eine keilförmige Platte (19) aufweist, die mit Abstand zum Halteelement (22) an diesem befestigt ist, und das andere Verstellelement (16) als in den Zwischenraum zwischen dem Halteelement (22) und der keilförmigen Platte (19) einbringbares keilförmiges Element ausgebildet ist.

21. Optische Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Halteelement (22) an einer Platine (24) befestigbar ist.

22. Optische Platte nach zumindest einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus Halteelement (22), Lichtquelle (12), Verstellorgan (16, 18) und optischem Element (14) in einem Volumen von wenigen Kubikzentimetern, bevorzugt von etwa 1 cm³, unterbringbar ist.