DE60100984T2

DE60100984T2 - Optische Vorrichtung

Info

Publication number: DE60100984T2
Application number: DE60100984T
Authority: DE
Inventors: Charles Rhême; Peter Heimlicher
Original assignee: Optosys SA
Current assignee: Optosys SA
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2021-01-20
Also published as: EP1225465B1; US20020097959A1; DE60100984D1; EP1225465A1; US6654519B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung, insbesondere für Reflexionsdetektoren, gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Reflexionsdetektoren benötigen eine Sende- und Empfangsoptik, welche nebeneinander auf der Stirnseite angeordnet sind. Bei kompakten Sensoren in Gehäusen oder Hülsen mit Querschnitten von einem Zentimeter oder weniger ist die Konstruktion besonders schwierig. Die bisher vorgeschlagenen Lösungen verwenden aus Kunststoff gegossene optische Elemente, welche gegenüber aggressiven Umgebungen wenig widerstandsfähig sind, und bei welchen die Oberfläche der optischen Elemente bei der Reinigung beschädigt wird. Durch die Verwendung von Fenstern oder optischen Elementen aus Glas wird der Zusammenbau erschwert und die optische Öffnung und somit die Lichtstärke weiter vermindert. Dies ist bei den Detektoren mit kleinen Abmessungen besonders bedauerlich, da die Leistungsfähigkeit und damit die Anwendungsmöglichkeiten dadurch beschränkt sind.
Bei der Verwendung von gebündelten Lichtleitfasern zur Herstellung kompakter Reflexionsdetektorsysteme ist die Leistungsfähigkeit durch den Öffnungswinkel beschränkt. Bei Step-Index-Fasern, welche häufig in industriellen Anwendungen eingesetzt werden, weist dieser Öffnungswinkel im Allgemeinen einen Wert von ca. 2 × 30° auf. Durch die rasche Streuung des Lichts können kleine Objekte im Abstand von einigen Zentimetern nicht erkannt werden. Somit muss am Ende der Fasern eine Fokussierungsoptik angefügt werden, wofür bei Reflexionsendstücken mit Querschnitten von wenigen Millimetern bisher keine befriedigende Lösung gefunden wurde. Ausserdem sind optische Systeme mit mehreren Elementen schwierig in Endstücke mit runder Öffnung einzubauen. Auch die Verwendung von relativ teuren Gradientenlinsen hat keine einfachere Lösung ermöglicht und zu keiner grossen industriellen Produktion geführt. US 574 291 beschreibt einen Reflexionsdetektor mit einer Sendeoptik zum Projizieren eines Lichtstrahls auf ein Objekt und einer Empfangsoptik zum Projizieren des reflektierten Lichts auf einen Detektor.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht ein erstes Ziel vorliegender Erfindung darin, die Schaffung einer optischen Vorrichtung mit kleinen Abmessungen unter Verwendung von einfachen und kostengünstigen optischen Elementen zu ermöglichen. Ein zweites Ziel ist die grösstmögliche Ausnützung einer runden Öffnung derart, dass die höchstmögliche Lichtstärke der Optik erzielt wird, um die bestmögliche Leistungsfähigkeit des Reflexionssystems zu gewährleisten. Ein drittes Ziel besteht darin, eine einfach zu konstruierende Optik zu schaffen, um deren industrielle Herstellung zu erleichtern, und dies bei geringsten Kosten. Diese Ziele werden erreicht mit der optischen Vorrichtung nach Anspruch 1.
In einer Ausführungsform gestattet die Erfindung die Herstellung einer Fokussierungsoptik, welche am Ende der Sende- und Empfangsfasern angebracht wird und ein Reflexionsdetektions-Endstück mit einem Durchmesser von wenigen Millimetern bildet.
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben, welche beispielhaft Ausführungsformen des Gegenstands der Erfindung zeigen.
1 zeigt eine Stirnansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 zeigt einen Schnitt gemäss der Linie II-II in 1,
3 zeigt eine Draufsicht der Vorrichtung von 2,
4 zeigt eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
5 zeigt eine Draufsicht der Vorrichtung von 4.
1 zeigt ein optisches Reflexionsendstück für Fasern mit der erfindungsgemässen optischen Vorrichtung bestehend aus der Sende- und der Empfangsoptik.
Die erfindungsgemäss vorgeschlagene optische Vorrichtung 10 wird unter Verwendung von Kalotten 1 und 2 hergestellt, welche im vorliegenden Beispiel kugelförmig sind und auf beiden Seiten eines Trägers 3 angeordnet sind, der die optische Isolation des Sende- und des Empfangskanals gewährleistet. Von den Sendelichtleitfasern 6 ausgehend bzw. auf dem Weg zu den Empfangslichtleitfasern 7 durchqueren der Sendelichtstrahl 4 und der Empfangsstrahl 5 die Kalotten in einer ungefähr parallel zur ebenen Fläche 1P und 2P der Kalotte stehenden Ebene.
Die Kalotten passen in die zylindrische Öffnung einer Hülse 8 und bilden eine optische Vorrichtung mit grösstmöglicher Lichtstärke für eine gegebene mechanische Öffnung.
Die kugelförmigen Kalotten können aus einem entsprechend den Anforderungen an den Reflexionssensor gewählten optischen Material bestehen. Falls eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Chemikalien erwünscht ist, werden sie aus Glas hergestellt. Für eine zusätzliche Erhöhung der Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Einflüssen kann Saphir gewählt werden.
Ein grosser Vorteil ist die Schaffung eines Detektionssystems, dessen Stirnseite gegenüber Chemikalien und mechanischen Einflüssen sehr widerstandsfähig ist und ohne Beeinträchtigung der optischen Elemente gereinigt werden kann.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass dieser optische Teil als Ganzes gegossen werden kann, was im Fall von industriellen Sensoren sehr wichtig ist.
Die optische Bearbeitung von Glaskugeln und die Spaltung in Kalotten kann von spezialisierten Unternehmen kostengünstig durchgeführt werden. Der Brechungskoeffizient von Saphir mit n = 1,76 ergibt eine Brennweite der Kalotte, die eine gute Kopplung mit der Lichtleitfaser ermöglicht, indem diese einfach an der Kalotte anliegt. Dies gestattet eine einfache optische Verbindung, die eine sehr verlustarme Übertragung des Lichts zwischen der Faser und der Kalotte gewährleistet.
Ein weiterer Vorteil dieser Optik besteht darin, dass das Endstück als Ganzes gegossen werden kann, wodurch sich eine hervorragende Stoss- und Vibrationsfestigkeit ergibt und ein Eindringen von Flüssigkeiten oder Fremdkörpern ausgeschlossen ist.
Mit der vorliegenden Erfindung können fokussierende Reflexionsendstücke hergestellt werden, welche an die Anforderungen des Detektionssystems angepasst sind. Durch die Wahl des Durchmessers und der Höhe der Kalotten wird das optische System an die bestehende Umgebung angepasst. Der Winkel zwischen dem Lichtbündel und der Achse des Endstücks bzw. des Sensors kann über die Ausrichtung der Faserachse gegenüber der optischen Achse der Kalotte beeinflusst werden. In den beschriebenen Ausführungen ist die Höhe der Kalotte ungefähr gleich der Hälfte des Kalottendurchmessers.
Die erfindungsgemässe optische Vorrichtung mit zwei Kalotten ist ideal angepasst an einen kompakten Reflexionssensor mit sehr kleinen Abmessungen gemäss 4 und 5, der als Ganzes gegossen werden kann.
Die Ausführungsform gemäss 4 und 5 besitzt einen Sensor, dessen Lichtquelle aus einer Leuchtdiode 11 besteht. Die zwei Kalotten 1 und 2 mit den ebenen Flächen 1P und 2P sind direkt auf eine gedruckte Schaltung 13 montiert.
Der Empfangsstrahl 5 gelangt nach der Reflexion auf einer metallisierten Fläche 14 auf eine Photodiode 12, welche direkt auf der Oberfläche der gedruckten Schaltung 13 des Sensors montiert und angeschlossen ist, die als mechanischer Träger und als Abschirmung für die Optik dient. Ausserdem weist die gedruckte Schaltung noch elektrische Anschlüsse für die Verstärker- und Steuerschaltungen C des Sensors auf.
Aus dem Vorangehenden geht hervor, dass die Verwendung einer Kalotte, welche derart angeordnet ist, dass der Lichtstrahl die Kalotte in einer parallel zur ebenen Fläche derselben stehenden Ebene durchquert, die Konstruktion einer sehr kompakten optischen Vorrichtung für Sende- und Empfangslichtstrahlen gestattet, da die zwei ebenen Flächen sehr nahe beieinander liegen können, so dass eine zylindrische Hülse verwendet werden kann und eine hohe Lichtausbeute ermöglicht wird.

Claims

Optische Vorrichtung, insbesondere für Reflexionsdetektoren, mit einer Sendeoptik, welche einen Lichtstrahl auf ein Objekt wirft, und einer Empfangsoptik, welche das reflektierte Licht auf einen Detektor wirft, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeoptik und die Empfangsoptik zur Fokussierung jeweils eine Kalotte (1, 2) aufweisen, welche derart angeordnet ist, dass der Lichtstrahl (4, 5) die Kalotte in einer mindestens annähernd parallel zur ebenen Fläche (1P, 2P) derselben stehenden Ebene durchquert.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalotten (1, 2) mit ihren ebenen Flächen (1P, 2P) auf einem Träger (3) montiert sind, der als optische Trennung zwischen der Sendeoptik und der Empfangsoptik dient, und dass Sende-Lichtleitfasern (6) mit der einen Kalotte (1) und Empfangs-Lichtleitfasern (7) mit der anderen Kalotte (2) verbunden sind, wobei das Ganze in einer Hülse (8) angeordnet ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalotten (1, 2) sphärisch und die Hülse (8) zylindrisch sind.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Kalotte ungefähr der Hälfte ihres Durchmessers entspricht.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalotten (1, 2) mit ihren ebenen Flächen (1P, 2P) auf einer gedruckten Schaltung (13) montiert sind, wobei die gedruckte Schaltung eine Sende-Leuchtdiode (11) und eine Empfangs-Photodiode (12) aufweist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Reflexionsfläche (14) für den Empfangsstrahl (5) aufweist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalotten aus Kunststoff, Glas oder Saphir bestehen.