DE4423802A1

DE4423802A1 - Optischer Sensor zur Indikatrizenerfassung

Info

Publication number: DE4423802A1
Application number: DE19944423802
Authority: DE
Inventors: Ernst-Bernhard Dr Kley; Norbert Dr Ing Habil Schuster; Horst Prof Dr Truckenbrodt
Original assignee: KLEY ERNST BERNHARD DR
Current assignee: KLEY ERNST BERNHARD DR
Priority date: 1994-07-01
Filing date: 1994-07-01
Publication date: 1996-01-04

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur Indikatrizenvermessung, der mit einem ortsauflösenden elektrooptischen Wandler den von einem Punkte in einen großen Raumwinkel abgestrahlten Strahlungsfluß erfaßt und nach Azimut und Höhe bestimmen kann. Der Sensor kann den gesamten Halbraum erfassen. Die Speziallinse verfügt über mehrere Brennweiten und transformiert das vom Untersuchungspunkt ausgehende Strahlenbündel in ein Parallelbündel, welches auf den planar ausgeführten elektrooptischen Wandler fällt. Jedes Pixel des elek trooptischen Wandlers erfaßt somit einen definierten Punkt des Halbraumes, in den der Unter suchungsgegenstand Strahlung abgibt.

Der übliche Weg zur Vermessung zweidimensionaler Indikatrizen ist das mechanische Abfahren des Halbraumes durch einen elektrooptischen Wandler mit einer Goniometeranordnung (vgl. J.M. Bennett and L. Mattson: Introduction to surface roughness and scattering, Optical Society of America, Washington D.C., 1989). Diese sehr genaue Meßmethode erfordert einen hohen mechanischen Aufwand zur Realisierung der Meßbewegungen. Die zweidimensionale Indikatrix kann in einer sehr dichten Folge von Meßwerten aufgenommen werden. Der Zeitaufwand für eine vollständige Indikatrix beträgt mehrere Stunden.

Für insitu-Prüfaufgaben reichen oft erheblich weniger Meßpunkte aus. Für solche Aufgaben sind Fasermeßköpfe entwickelt worden. Hier nimmt eine Halbkugel die Faserenden auf. Die geforderte Winkelauflösung und der gegebene Faserdurchmesser legt den Halbkugeldurchmesser und damit die Grenzen der Miniaturisierbarkeit fest. Die Fasern müssen einzeln gefaßt, positioniert und an einen elektrooptischen Wandler angeschlossen werden. Diese Anordnung erlaubt eine schnelle Meßwerterfassung, erfordert aber erheblichen Aufwand bei der Fasermon tage. Außerdem müssen die einzelnen Fasern vor mechanischen Belastungen geschützt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Indikatrizen zweidimensional in situ unter ver schiedensten Umweltbedingungen zu messen. Die Nachteile der Faserankopplung sollten umgangen und der Vorteil der schnellen Meßwertverfügbarkeit in ortsauflösenden elektroopti schen Wandlern genutzt werden.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch eine Speziallinse erreicht, welche den Strahlungstrans port vom Prüfling zu einer planaren Empfängerarchitektur übernimmt.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen Halbschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor zur Indikatrizenerfassung. Der Sensor zur Indikatrizenerfassung besteht aus der Speziallinse (L) und dem ortsauflösenden elektrooptischen Wandler (W). Die strahlungsempfindliche Seite des Wandlers ist der Speziallinse zugewandt. Der Untersuchungs gegenstand (S) befindet sich auf der optischen Achse (O) der Speziallinse (L). Das dargestellte Ausführungsbeispiel erfaßt den vom Untersuchungsgegenstand in den gesamten Halbraum abgestrahlten Strahlungsfluß durch zwei unterschiedliche Zonen. Für den Winkelbereich 0 α < α_g (α Winkel des von S ausgehenden Strahles bzgl. der optischen Achse) werden die Strahlen zunächst an einer Planfläche (PL) und dann einer Rotationsasphäre (AS) gebrochen. Beide Flächen sind so aufeinander abgestimmt, daß die von (S) ausgehenden Strahlen in eine Parallelbündel transformiert werden. Für den Winkelbereich α_g < α 90° erfolgt der Eintritt in den Linsenkörper über die zu (S) konzentrische Fläche (KZ), so daß hier keine Strahl ablenkung zustande kommt. Die Ablenkung in die zur optischen Achse parallele Richtung erfolgt durch Totalreflexion an der Paraboloidfläche (PA). Die plane Austrittsfläche (A2) erzeugt ebenfalls keine Strahlablenkung.

Die Speziallinse (L) kann, um eine einfache und kostengünstige Herstellbarkeit zu gewähr leisten, aus Kunststoff gefertigt sein. Ihre Dimensionen sind hier nur beispielhaft gewählt. Insbesondere können der Winkel α_g, die Form der Asphäre (AS) und der Abstand der Plan fläche (PL) vom Scheitelpunkt der Asphäre (AS) die äußere Form der Speziallinse (L) stark verändern. Die lückenlose Erfassung von Winkeln 0 α 90° ohne Überdeckung ist durch geeignete Dimensionierung möglich. Die Zuordnung des Winkels α zur Strahlhöhe bzgl. der optischen Achse auf dem elektrooptischen Wandler ist nicht ganz linear. Bei α_g wird aus der monoton steigenden Funktion eine monoton fallende.

Wird die Speziallinse (L) mit einem elektrooptischen Wandler (W) kombiniert, dessen Pixel anordnung rotationssymmetrisch zur optischen Achse (O) ist, ergeben sich einfache Ausleseal gorithmen zur schnellen Darstellung der zweidimensionalen Indikatrix.

Die angegebene Anordnung zeichnet sich durch ihre Robustheit aus.

Bezugszeichenliste

A1 Außenseite Prüfling
A2 Außenseite elektrooptischer Wandler
AS Rotationsasphäre
KZ konzentrische Fläche
L Speziallinse
PA Rotationsparaboloid
PL Planfläche
S Probenlage
W ortsauflösender elektrooptischer Wandler

Claims

1. Speziallinse für die Ablenkung des von einem Punkt auf der Symmetrieachse in einen Raumwinkel von ca. 2π Steradiant strahlenden Bündels in ein Achsparallelbündel, dadurch gekennzeichnet, daß die Speziallinse aus glatten Flächen besteht, die sowohl Brechung als auch Reflexion zur Strahlablenkung nutzt und für unterschiedliche Ab strahlwinkelbereiche verschiedene Brennweiten hat.

2. Speziallinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Verbindung mit einer geeigneten Einkoppeloptik gleichzeitig zur Auflichtbeleuchtung einer Probe genutzt wird und eine Reflexionsindikatrix meßbar macht.

3. Speziallinse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsfehler für beide Erfassungsgebiete vermieden wird, indem einerseits die reflektierende Fläche PA als Paraboloid und die dazugehörige Eintrittsfläche KZ konzentrisch zum Aus sendpunkt ausgeführt wird und andererseits die innere Eintrittsfläche PL plan und die dem Wandler zugewandte Fläche als Rotationsasphäre AS ausgeführt wird.