DE4001954C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Distanzsensor zur Erfas­ sung einer Distanz, mit einer Lichtquelle, einem Licht­ leiter mit Kern und Mantel, dessen Endfläche die Sende- und Empfangsoptik bildet, und einem Photodetektor.

Bei einer solchen aus der US 46 31 401 bekannten Anordnung wird das Licht der Lichtquelle in einen Lichtleiter eingebracht, durch diesen transportiert, auf ein Objekt aufgestrahlt, von diesem reflektiert, von dem Lichtleiter wieder aufgefangen, transportiert, und am Ende von einem Photodetektor aufgefangen, der das reflektierte Licht sodann in ein elektrisches Signal umsetzt, wobei die Intensität des von dem Photodetektor aufgefangenen Lichts ein Maß für die Distanz zwischen der Endfläche des Lichtleiters zu dem Objekt ist.

Üblicherweise wird das Verhalten einer solchen Anord­ nung in einem Kennliniendiagramm verdeutlicht. Dabei wird auf der einen Achse die tatsächliche Entfernung d, und auf der anderen die empfangene Intensität P aufge­ tragen. Der Kurvenverlauf wird durch physikalische Pa­ rameter des Lichtleiters, wie Brechnungsindex, Bre­ chungsindexprofil, Kerndurchmesser und numerische Aper­ tur bestimmt.

Dabei besteht das Problem, das man eine genügende Ge­ nauigkeit der Distanzbestimmung nur dann erreicht, wenn man den Distanzsensor in dem steilen Teil der Kennlinie benutzt, da dort eine relativ geringe Entfernungsänderung eine relativ große Intensitätsänderung zur Folge hat.

Bei einem Lichtleiter, der eine genügende Menge Licht zur einfachen Detektion transportiert, der einfach herzustellen ist und in der Handhabung nicht zu proble­ matisch ist (z. B. weil er zu dünn ist), war man also gleichzeitig auf einen bestimmten Entfernungsbereich festgelegt.

Dies war bisher bei typischen Lichtleiterdurchmessern von 140 µm ein Bereich von ca. 200-300 µm.

Wenn man einen anderen Entfernungsbereich mit einer ho­ hen Auflösung, also mit sehr großer Genauigkeit erfas­ sen möchte, muß man die optischen Verhältnisse an der Endfläche des Lichtleiters so ändern, daß die Kennlinie im gewünschten Entfernungsbereich steiler wird. Bisher wurde dazu die Optik am Lichtleiterende mit Hilfe der Vorschaltung von Blenden und Linsen verbessert. Dies machte den Distanzsensor jedoch deutlich größer, er­ schütterungsempfindlich und wesentlich teuerer.

Aus der DE 35 24 927 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Lichtleitern mit sich kontinuierlich verjüngendem Ende bekannt. Ein Hinweis auf den Einfluß dieser Ausgestaltung auf die numerische Apertur und damit die besondere Eignung zur Distanzmessung gibt diese Druckschrift jedoch nicht.

Allgemeine Betrachtungen zur Kennlinie von faseroptischen Abstandssensoren sind der DE-OS 22 08 089 zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten Distanzsensor derart weiterzubilden, daß er ohne die Vorsehung von Blenden oder Linsen auch zur Messung sehr geringer Entfernungen mit großer Genauigkeit geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Lichtleiter im Bereich der Endfläche sich zu dieser hin kontinuierlich verjüngend ausgebildet ist, wobei das Verhältnis zwischen Kern- und Mantelquerschnitt im Bereich der Verjüngung derjenigen im übrigen Bereich entspricht.

Durch eine geeignete Ausbildung der Spitze des Licht­ leiters bezüglich Form, Länge und Endflächendurchmesser läßt sich eine deutliche Steigerung der Empfindlichkeit erzielen. Außerdem erlaubt die Ausbildung der Spitze eine weitere Anpassungen an das Meßproblem.

Die Funktionsweise der Spitze beruht darauf, daß sich beim Schmelz- und Ziehvorgang durch Veränderung des Lichtleiterdurchmessers und durch Veränderung des Brechungsindex-Gefüges eine Erhöhung der numerischen Apertur des Lichtleiters in diesem Bereich ergibt, wo­ durch der Öffnungskegel des aus dem Lichtleiter austre­ tenden Lichts größer wird. Dies erhöht die Steilheit der Kennlinie bei kleineren Meßdistanzen.

Eine solche Spitze wird typischerweise durch Anschmel­ zen mit nachfolgendem Ziehen hergestellt. Die Endfläche kann entweder durch Brechen oder durch Schleifen und Polieren erzeugt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Distanzsensor, wie er dem Stand der Technik entspricht,

Fig. 2 eine typische Kennlinie, wie sie bei allen Sensoren dieser Art erzielt wird, und

Fig. 3 eine Teilansicht des Lichtleiters mit einer kontinuierlichen Verjüngung im Bereich sei­ ner Endfläche.

In Fig. 1 wird ein dem Stand der Technik entsprechender Distanzsensor dargestellt. Eine Lichtquelle 1 bringt Licht in den Lichtleiter 3 ein, das dann von diesem durch den Lichtleiterkoppler 2 an die Endfläche 6 transportiert wird. Dort verläßt das Licht den Licht­ leiter 3 und wird bei diesen Distanzsensoren, die dem Stand der Technik entsprechen, mit einem relativ engen Öffnungskegel, also nur relativ wenig divergierend, ab­ gestrahlt. Bestimmungsgemäß trifft das Licht dann auf einen reflektierendes Objekt 4, wird von diesem reflek­ tiert und erreicht zu einem Teil wieder die Endfläche 6 des Lichtleiters. Dort tritt das Licht wieder in den Lichtleiter 3 ein, wird von diesem transportiert und trifft auf den Photodetektor 5 auf. Dort wird es in ein elektrisches Signal umgewandelt, was direkt proportio­ nal zur Intensität des aufgefangenen Lichts und damit indirekt proportional zur Meßdistanz ist.

Fig. 2 zeigt eine typisches Kennliniendiagramm. Auf der x-Achse ist die Distanz d aufgetragen und auf der y-Achse die Intensität des aufgefangenen Lichts P. Der Bereich zwischen den Distanzwerten a und b ist gestri­ chelt wiedergegeben. Er stellt den Bereich steiler Kennlinie dar, der günstigerweise für die Distanzmes­ sung verwendet wird.

Fig. 3 stellt den Lichtleiter 3 im Bereich der Endflä­ che 6 des Lichtleiters 3 dar. Der Lichtleiter 3 ist in diesem Bereich zu einer Verjüngung 7 ausgebildet, die mit einer wesentlich kleineren Endfläche 6 als herkömm­ liche Sensoren dieser Art abschließt. Der Durchmesser dieser Endfäche 6 beträgt typischerweise nur 20-30 µm, bei unverändertem Durchmesser des Lichtleiters 3 im restlichen Teil von typischerweise 140 µm. Dies erlaubt einen nutzbaren Meßbereich von 10-20 µm. Die Länge der Verjüngung 7 beträgt typischerweise einige Licht­ leiterdurchmesser.

Gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten Lichtleiter wird bei dem in Fig. 3 das Licht nicht im wesentliche parallel, sondern wegen der durch das veränderte Brechungsindex­ Gefüge geänderten numerischen Apertur des Lichtleiters 3 in diesem Bereich mit einem wesentlich größeren Öff­ nungskegel aus der Endfläche 6, also mit größerer Di­ vergenz, austreten, um dann von dem Objekt 4 reflektiert zu werden und wie in Fig. 1 zum Photodetektor 5 gelei­ tet zu werden.

Claims (1)

1. Distanzsensor mit einer Lichtquelle (1), einem Lichtleiter (3) mit Kern und Mantel, dessen Endfläche (6) die Sende- und Empfangsoptik bildet, und einem Photodetektor (5) dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (3) im Bereich der Endfläche (6) sich zu dieser hin kontinuierlich verjüngend ausgebildet ist, wobei das Verhältnis zwischen Kern- und Mantelquerschnitt im Bereich der Verjüngung (7) demjenigen im übrigen Bereich entspricht.