DE3932458C2 - Verfahren zum gegenseitigen Ausrichten einer optischen Energiequelle und eines Lichtleiters sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gegensei­ tigen Ausrichten einer optischen Energiequelle und eines Lichtleiters mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchfüh­ rung dieses Verfahrens mit den Merkmalen aus dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 5.

Lichtleiter werden in steigendem Maße zur Weiterleitung von verschiedenen Quellen ausgehender optischer Energie verwendet. In der Fernmeldetechnik übertragen Lichtlei­ ter gepulste modulierte Signale, die von Laser-Dioden ausgehen. Bei Lichtleiter-Sensoren übertragen sie Infor­ mationen über die Intensität und die Wellenlänge, welche die "abgetastete" Substanz kennzeichnen. In der Indu­ strie werden sie zur Übertragung von Laser-Strahlen hoher Leistung zum Schneiden und/oder Glühen von Mate­ rialien verwendet. In der Laser-Chirurgie übertragen Lichtleiter Laser-Strahlen hoher Leistung, die Gewebe schneiden und verdampfen.

In all diesen Fällen erfordert die ordnungsgemäße Ver­ wendung von Lichtleitern eine präzise optische Ausrich­ tung der optischen Energiequelle zum Lichtleiter. In Abhängigkeit von der Anwendung kann die Lichtquelle ein konventioneller Laser, eine Laser-Diode, eine LED-Licht­ quelle oder ein anderer, optische Energie übertragender Lichtleiter sein. Bei vielen Anwendungen hat die Indu­ strie die dimensionalen Toleranzen standardisiert, was eine leichte Ausrichtung der Quelle zum Lichtleiter ermöglicht. Dies ist der Fall in der Fernmeldeindustrie, wo die Dioden sowie die Lichtleiter-Verbindungen und -Komponenten sich nach Präzisionsnormen richten. Derartige Normen machen die Verbindung und Ausrichtung von Quelle und Lichtleiter leicht. Im allgemeinen jedoch ist auf anderen Anwendungs­ feldern eine Normung zwischen Quelle und Lichtleiter nicht vorhanden oder nicht möglich. Dies ist der Fall bei der Ankopplung üblicher Laser an Lichtleiter für industrielle, medizinische und viele sensierenden Anwendungen.

Die Ausrichtung von nicht genormten Komponenten oder Komponenten, bei denen die Quelle sich von Verbindung zu Verbindung bewegen kann (wie dies bei gelenkig verbundenen Armen der Fall ist), erfordert kostspielige, zeitaufwendige Verfahren und sehr gut ausgebildetes Personal. Diese Techniken erfordern eine stabile optische Bank oder Oberfläche zur Festlegung von Referenzpunkten für optische Instrumente, empfindliche und häufig kostspielige Detek­ toren zur Messung der Bestrahlungsstärke von optischen Quellen, Blenden zum Blockieren unerwünschter Strahlung und Präzisions-Manipulatoren zur gegenseitigen Bewegung von Komponenten, um die gewünschte Ausrichtung zu erhalten. Zusätzlich zu dem kostspieligen, zeitaufwendigen und empfindlichen Aufbau erlauben es bei der Anwendung solcher Techniken die Detektoren und mit ihnen verbundene In­ strumente häufig nicht, die optische Quelle an ihrem Brennpunkt auszumessen. Dies ist auf die körperliche Größe der verfügbaren Detektoren zurückzuführen. Insbesondere tritt dies auf, wenn der Brennpunkt der Quelle innerhalb einer ausrichtenden Einfassung angeordnet ist. Der Licht­ leiter ist in einem Paßstift gehaltert. Den Lichtleiter möchte man an der Basis der ausrichtenden Einfassung (wo der Strahl fokussiert ist) anordnen und auf diese Weise den Lichtleiter ausrichten. Es besteht daher ein Bedürfnis nach einer Vorrichtung, mit der es leicht und ohne Kostenaufwand möglich ist, die Quelle und einen Lichtleiter optisch aufeinander auszurichten.

Bei mit Lichtleitern aufgebauten Detektoren zur Leistungs­ messung werden fast ausschließlich Festkörper-Photodioden verwendet. Die kleine Abtastfläche ermöglicht eine genaue Positionierung des optischen Bündels. Sie werden auch verwendet, weil ihre optische Bandbreite im Bereich der am häufigsten verwendeten Lichtleiter liegt. In der Fern­ meldetechnik verwendete Lichtleiter und an sie ange­ schlossene Instrumente sind und bleiben die Hauptstütze der Lichtleiterindustrie. Die optischen Wellenlängen, die von Festkörper-Photodioden empfangen werden, reichen bei Silicium von 400 bis 1100 Mikron, bei Germanium von 800 bis 1800 Mikron, bei Indium-Galium-Arsenid von 900 bis 1800 Mikron, bei Quecksilber-Kadmium-Tellurid von 1000 bis 1300 Mikron. Diese Detektoren können typischerweise Gesamtleistungen im Bereich von einem Picowatt bis zu einigen zehn Milliwatt messen. Die aktive Fläche des Detektors kann von einer Größe im Bereich von 10^-3 mm² für einige Quecksilber-Kadmium-Tellurid-Detektoren über Bruchteile von einem Millimeter für Germanium- und Sili­ cium-Detektoren zu Flächen im Größenbereich von mehreren cm² für Detektorfelder reichen.

Detektoren zur Ausmessung von Quellen mit hoher Leistung und/oder großer Wellenlänge sind im allgemeinen selbst nicht direkt für die präzise Ausrichtung fokussierter optischer Bündel auf Lichtleiter geeignet. Derartige Wandler enthalten Thermosäulen und pyroelektrische Detek­ toren. Diese Vorrichtungen sind im allgemeinen größer mit aktiven Flächen, die viel größer sind als die Durchmesser des Bündels und des Lichtleiters. Präzisionsblenden, die alles außer einer kleinen Fläche des Detektors abdecken, müssen verwendet werden, um die aktive Fläche des Detek­ tors einzuschränken. Diese schwerfällige, jedoch effek­ tive Technik wird häufig bei Anwendungen mit höheren Leistungen und/oder größeren Wellenlängen eingesetzt.

Ein Verfahren mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist in der DE 36 31 497 A1 beschrie­ ben. Bei diesem bekannten Verfahren wird der Lichtleiter direkt justiert, was infolge der fehlenden Standardisie­ rung der Dimensionen und Toleranzen zwischen Lichtquelle und Lichtleiter zu den bereits obenerwähnten Problemen führt.

Es ist weiterhin in der DE 36 25 712 C1 eine Vorrichtung zum lateralen Ausrichten einer optischen Abbildung beschrieben, bei der ebenfalls bei der Justierung ein Lichtbündel durch den Lichtleiter selbst hindurchge­ schickt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum gegenseitigen Ausrichten einer optischen Energie­ quelle und eines Lichtleiters mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, das auch bei Ausrichtung von nicht genormten Komponenten leicht und ohne besonderen Kostenaufwand durchführbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentan­ spruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungs­ gemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 4 be­ schrieben. Der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens besteht darin, den optischen Detektor nicht an den auszurichtenden Lichtleiter anzuschließen, sondern einen eigenen Verfahrensschritt einzuführen, in welchem der optische Detektor direkt in die Halterung eingesetzt und dann direkt beleuchtet wird, wobei die Positionie­ rung aufgrund des am Detektor abgenommenen Signals stattfindet. Allerdings wird hierbei lediglich die Halterung positioniert. Nach Positionierung der Halte­ rung wird der Detektor aus der Halterung entfernt und nun erst der Lichtleiter in die positionierte Halterung eingesetzt. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens weist die Merkmale aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 5 auf. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Vorrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 5 und 7.

Zum Zweck der Darstellung der Erfindung ist in den Zeich­ nungen eine Ausführungsform dargestellt, die zur Zeit bevorzugt wird. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß die Erfindung durch die gezeigten genauen Anordnungen und Instrumentierungen nicht begrenzt ist.

Fig. 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Vorrichtung zur Ausrichtung eines Lichtleiters gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2. zeigt in vereinfachter Darstellung einen Licht­ leiter nach Ausrichtung auf eine als Laser ausgebildete Lichtquelle.

Die Fig. 3 und 4 zeigen in vereinfachter Darstellung einen als Thermoelement ausgebildeten Detektor für die Vor­ richtung zur Ausrichtung nach Fig. 1.

In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugsziffern gleiche Elemente bezeichnen, ist in Fig. 1 eine Vorrichtung 10 zur Ausrichtung eines Lichtleiters nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ist in Verbindung mit einer Lichtquelle 12 dargestellt, die als Laser ausgebildet ist; es wird aber darauf hingewiesen, daß jede Lichtquelle verwendet werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Ein kleiner, preis­ günstiger Detektor 14, beispielsweise ein Thermoelement, ist in einer Ausrichtungsfassung 16 gehaltert, die auf der Ausrichtungsachse 18 des Lichtleiters 20 angeordnet ist.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, sind die Ausrichtungs­ achsen 18 der Vorrichtung zur Ausrichtung des Lichtleiters und des Lichtleiters selbst austauschbar.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist in Fig. 2 ein zylindrischer Lichtleiter 20 dargestellt, der in einen zylindrischen Paßstift 22 eingesetzt ist. Eine derartige geometrische Anordnung ist allgemein bekannt. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß jede geometrische Anordnung eines Lichtleiters innerhalb eines Paßstiftes im Bereich der Erfindung liegt. Bei dieser zylindrischen Geometrie ist der Detektor 14 genau in einem Paßstift 24 angeordnet, der identisch mit dem Paßstift 22 ist. Der Detektor 14 und der Paßstift 24 können leicht und genau hergestellt und in der Ausrichtungsfassung 16 unter Verwendung einer Vergröße­ rungslinse, eines Mikroskops oder einer mechanischen Ausrichtungshülse angeordnet werden. Die Detektor/Paß­ stift-Einheit kann dann in einfacher Weise in die Aus­ richtungsfassung 16 in identischer Weise wie der Licht­ leiter 20 eingesetzt werden. Ein X,Y,Z-Manipulator, der die Ausrichtung ermöglicht, kann nun justiert werden. Wie dem Fachmann verständlich, ermöglicht der X,Y,Z-Manipulator, ein optisches Element entlang der Achsen X, Y und Z zu bewegen, wie dies in Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Der Manipulator kann wahlweise am Laser 12, einer zwischen den Laser 12 und den Detektor 14 eingeschalteten Sammellinse 26 oder an der Ausrichtungsfassung 16 je nach Wunsch ange­ ordnet werden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 wird die Linse 26 bewegt, obwohl der Laser 12 oder die Ausrichtungsfassung 16 bewegt werden könnten, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Der X,Y,Z-Manipulator wird so eingestellt, daß er das vom Laser 12 ausgehende Lichtbündel 28 verschiebt, bis am Detektor 14 ein Signal beobachtet wird. Das vom Detektor 14 ausgehende Signal kann einem Signalverarbeitungskreis 30 zugeführt werden, der vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, einen loga­ rithmischen Verstärker enthält.

Bei dem geoffenbarten System ist die Empfindlichkeit der Vorrichtung zur Ausrichtung des Lichtleiters genügend groß, um die Ausrichtung eines Laserbündels zu ermöglichen, das anfänglich weit vom Zentrum der Ausrichtungsachse entfernt war. Die Verwendung eines logarithmischen Verstärkers oder einer Kombination von linearen und logarithmischen Ver­ stärkern ermöglicht die Erfassung sowohl kleiner Signale als auch sehr großer Signale ohne Sättigung der Verstärker. Diese Methode ermöglicht eine ausgezeichnete Empfindlich­ keit über einen breiten Signalbereich, insbesondere bei einem nach einer Gauß-Verteilung oder nahezu einer Gauß- Verteilung aufgebauten Laserbündel.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Detektors 14 ist in etwas größerer Ausführlichkeit in den Fig. 3 und 4 dar­ gestellt. Der Detektor 14 besitzt einen Paßstift 32, der vorzugsweise aus keramischem Material besteht, aber auch aus irgendeinem anderen geeigneten Material bestehen kann. Der Stift 32 besitzt zwei parallele Längsbohrungen 34, 36, durch welche die Drähte 38 und 40 des Thermoelementes hindurchgeführt sind. Wie bei allen Thermoelementen bestehen die Drähte 38, 40 aus ungleichartigen Metallen. Die Drähte 38 und 40 sind an einem Ende über eine Ver­ bindung 42 zur Bildung einer thermoelektrischen Verbindung miteinander verbunden, während die entgegengesetzten Enden der Drähte 38 und 40 mit dem Eingang des Signalverar­ beitungskreises 30 verbunden sind.

Bei dem geoffenbarten System wird zur Verwendung der Vorrichtung zur Ausrichtung des Lichtleiters der Detektor 14 einfach in die Ausrichtungsfassung 16 in einer Weise eingesetzt, die identisch mit der Art ist, in der der auszurichtende Lichtleiter eingesetzt wird. Der X,Y,Z- Manipulator wird entweder in sequentieller oder nicht sequentieller Weise (obwohl eine sequentielle Weise bevorzugt wird) gehandhabt, bis das vom Verstärker ab­ gegebene Ausgangssignal ein Maximum erreicht. Um eine hinreichend sichtbare Anzeige für das Verstärkerausgangs­ signal zu erhalten, kann der Verstärkerausgang mit einer Reihe von Licht aussendenden Dioden oder Leuchtdioden verbunden sein. Das Ausgangssignal des Verstärkers erreicht ein Maximum, wenn die größte Anzahl der vom Verstärker angesteuerten Leuchtdioden erleuchtet ist. Wenn die maximale Anzahl von Leuchtdioden erleuchtet ist, fluchten die optischen Achsen des Lasers 12 und der Ausrichtungs­ fassung 16 zueinander. Die Linse 26 wird dann in dieser Stellung festgehalten, der Detektor 14 mit dem Stift 24 und dem Schaltkreis 30 werden abgenommen und der Lichtleiter 20 wird einfach in die Ausrichtungsfassung 16 eingesetzt. Damit ist der Ausrichtungsvorgang vervollständigt.

Das Grundkonzept der Erfindung kann bei nahezu jedem Leistungspegel im Bereich von Picowatt bis zu einigen Zehnern von Watt und für Wellenlängen im Bereich vom Ultraviolett bis zum Infrarot verwendet werden, sofern ein geeigneter Detektor ausgewählt wird.

Im sichtbaren und im nahen Infrarotbereich des Spektrums, in dem die Leistung niedrig ist (Picowatt bis Milliwatt), können Festkörper-Dioden als Detektoren eingesetzt werden. Für Anwendungen bei höherer Leistung und/oder größerer Wellenlänge (Milliwatt bis Watt) kann ein einziges Thermo­ element verwendet werden.

In allen Fällen muß die empfindliche Fläche des Detektors kleiner sein als die Größe des durch das einfallende Bündel erzeugten Lichtflecks und/oder des Auftreffbereiches. Die Empfindlichkeit und Genauigkeit des Systems ist festgelegt durch die Leistung, die vom Detektor in Abhängigkeit von dem Intensitätsprofil des einfallenden Lichtbündels erfaßt wird. Die unten angegebene Gleichung faßt diese Abhängig­ keit zusammen, wobei E₀ = Spitzenwert der Bündelintensität, W₀=Bündelverlust, W(z) = Lichtfleckgröße an der Stelle Z in axialer Richtung und x,y = Detektorgröße bedeuten.

Bei Anwendungen mit hoher Leistung, bei denen Thermoele­ mente als Detektoren verwendet werden, sollte die Paß­ stifthalterung des Thermoelementes eine solche geometrische Form besitzen, daß ein Fehlersignal, welches durch die aufgrund der vom Stift absorbierten Energie entstehende Wärmestrahlung erzeugt wird, begrenzt bleibt. Die vom Stift abgestrahlte Wärme reduziert die Empfindlichkeit des Detektors durch Anhebung der Umgebungstemperatur und bewirkt damit eine Herabsetzung des Signal/Rausch-Ver­ hältnisses.

Claims (7)

1. Verfahren zum gegenseitigen Ausrichten einer opti­ schen Energiequelle und eines Lichtleiters, bei dem ein von der optischen Energiequelle ausgehendes Lichtbündel auf eine auf der Ausrichtungsachse des Lichtleiters angeordnete Halterung gerichtet wird und die einen optischen Detektor erreichende Beleuchtungsintensität gemessen wird, wobei durch eine Relativbewegung zwischen der optischen Energiequelle und der Halterung die rela­ tive Position zwischen der optischen Energiequelle und der Halterung bestimmt und festgehalten wird, in welcher der optische Detektor ein Aussgangssignal liefert, das seiner maximalen Beleuchtungsintensität entspricht, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) Einsetzen des optischen Detektors (14) in die Halterung (16);
• b) direktes Beleuchten des optischen Detektors (14) mittels der optischen Energiequelle (12) zur Erzeugung des Ausgangssignals am Detektor (14), das ein Maß für die auf den Detektor auffallende Beleuchtungsintensität darstellt;
• c) nach dem Einstellen und Festhalten der relativen Position, in welcher der Detektor (14) das seiner maximalen Beleuchtungsintensität entsprechende Ausgangssignal liefert: Ersetzen des optischen Detektors (14) in der Halterung (16) durch den auszurichtenden Lichtleiter (20).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Relativbewegung zwischen der optischen Energie­ quelle (12) und der Halterung (16) die Bewegung entlang mindestens einer von drei jeweils orthogonal zueinander stehenden Achsen (X, Y, Z) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Relativbewegung zwischen der optischen Energie­ quelle (12) und der Halterung (16) die Bewegung zuerst entlang einer ersten Achse (X), dann entlang einer zweiten Achse (Y) und schließlich entlang einer dritten Achse (Z) der orthogonal zueinander stehenden Achsen erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung des optischen De­ tektors (14) durch eine Sammellinse (26) erfolgt und zur Erzielung der Relativbewegung zwischen der optischen Energiequelle (12) und der Halterung (16) die Sammellin­ se (26) bewegt werden.

5. Vorrichtung zum gegenseitigen Ausrichten einer optischen Energiequelle und eines Lichtleiters gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Lichtquelle, einer im Strahlengang der Lichtquelle angeordneten Halterung sowie einer Einrichtung zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Lichtquelle und der Halterung und einem optischen Detektor sowie einem an den Ausgang des optischen Detektors angeschlossenen Schaltkreis zur Feststellung, wann das Ausgangssignal des optischen Detektors der maximalen Beleuchtungsinten­ sität entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß in die Halterung (16) wahlweise der optische Detektor (14) oder der auszurichtende Lichtleiter (20) einsetzbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung eine Ausrichtungsfassung (16) ist, in die wahlweise ein erster Paßstift (24) einsetzbar ist, in dem der Detektor (14) angeordnet ist oder ein zweiter Paßstift (22), der identisch ausgebildet ist wie der erste Paßstift (24) und in dem der auszurichtende Licht­ leiter (20) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine zwischen der Halterung (16) und der Licht­ quelle (12) angeordnete Sammellinse (26) sowie eine Einrichtung zur Bewegung der Halterung (16) oder der Sammellinse (26) oder der Lichtquelle (12) in eine Position, in welcher das Ausgangssignal des Detektors (14) der maximalen Beleuchtungsintensität entspricht.