DE60318084T2

DE60318084T2 - Optische vorrichtung die zwei strahlen erzeugt die einen gemeinsamen detektor erreichen können

Info

Publication number: DE60318084T2
Application number: DE60318084T
Authority: DE
Inventors: Christophe Kopp; Vincent Liot
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2002-10-11
Filing date: 2003-10-01
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2023-10-02
Also published as: WO2004034039A1; EP1549930B1; FR2845777A1; US20050200964A1; US7315017B2; EP1549930A1; JP2006502397A; DE60318084D1; FR2845777B1

Description

Technischer Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung mit reflektierenden Mitteln, die auf der optischen Bahn eines von einer ersten optischen Quelle ausgesandten einlaufenden Strahls angeordnet sind, um einen reflektierten Lichtstrahl zu bilden, und mit einer zweiten optischen Quelle, die einen zweiten Lichtstrahl mit anderer Wellenlänge erzeugt, sodass der reflektierte Strahl und der zweite Lichtstrahl einen Bereich des Raums durchqueren, in dem ein zu analysierendes Objekt angeordnet sein soll, und einen gemeinsamen Sensor erreichen.
Stand der Technik
Eine erste bekannte Vorrichtung (1), mit deren Hilfe zwei von zwei optischen Quellen ausgesandte Strahlen ein und denselben Sensor erreichen können, umfasst zwei optische Quellen 1 und 2, die im Wesentlichen nebeneinander angeordnet sind, wobei die Ausrichtung einer der beiden Quellen so eingestellt werden kann, dass sie den von ihr ausgesandten Strahl auf den Sensor fokussieren kann. Die Divergenz der beiden optischen Quellen 1 und 2 wird vorab durch zwei Kollimationslinsen 3 und 4 verringert, wodurch jede einen Divergenzwinkel unter 10° erreicht. Die Vorrichtung, die eine optische Quelle mit regulierbarer Ausrichtung verwendet, hat jedoch sehr umfangreiche Abmessungen und der Abstand zwischen den beiden Strahlen ist häufig zu groß. Außerdem kann die von beiden Quellen ausgestrahlte Leistung nicht immer ins Gleichgewicht gebracht werden.
Eine zweite bekannte Vorrichtung (2 und Patent US 4305659 ) umfasst zwei optische Quellen 1 und 2, die so angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen senkrechte Strahlen aussenden, sowie eine Trennplatte 6, die am Schnittpunkt der beiden optischen Strahlen angeordnet ist. Ein absorbierendes Element 7 kann auf der optischen Bahn eines der beiden Strahlen angeordnet sein, um dessen Leistung abzuschwächen. Die Trennplatte 6 bewirkt jedoch einen Leistungsverlust von mindestens 50% der Gesamtleistung der beiden Strahlen. Außerdem können mit einer solchen Art Aufbau nur zwei optische Quellen gleichzeitig montiert werden.
Im Dokument DE 10 798 57 umfasst ein Spiegel, der ebenfalls am Schnittpunkt der beiden Strahlen angeordnet ist, eine zentrale Öffnung, die dazu bestimmt ist, einen der beiden Strahlen passieren zu lassen, ohne ihn umzulenken. Bei diesem Aufbau bewirkt das Vorhandensein der zentralen Öffnung den Verlust eines Teils des von dem Spiegel reflektierten Strahls, was die Leistung des von dem Spiegel reflektierten Strahls verringert.
Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung hat für Ziel eine optische Vorrichtung, die die Erzeugung zweier Strahlen ermöglicht, die auf ein und denselben Sensor fokussiert sind, dabei jedoch die von dem Sensor empfangene optische Leistung steuert.
Nach der Erfindung wird dieses Ziel durch die anhängenden Ansprüche erreicht. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die optische Vorrichtung Mittel zum Verformen der reflektierenden Mittel.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die optische Vorrichtung Mittel zum Ausrichten der reflektierenden Mittel.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung umfasst die optische Vorrichtung eine Kollimationslinse, die der ersten und zweiten Quelle gemein und am Schnittpunkt des ersten, einlaufenden Strahls und des zweiten Strahls angeordnet ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und Merkmale gehen klarer aus der nachfolgenden Beschreibung besonderer Ausführungsformen der Erfindung hervor, die beispielhaft und nicht erschöpfend gegeben und in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, in denen:
1 und 2 schematisch zwei optische Vorrichtungen des Stands der Technik darstellen;
3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer optischen Vorrichtung ist;
4 und 5 jeweils eine erste und eine zweite Ausführungsform der reflektierenden Mittel einer optischen Vorrichtung zeigen;
6 und 7 jeweils eine zweite und eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung zeigen;
8 und 9 schematisch eine optische Vorrichtung nach der Erfindung zeigen, die eine gemeinsame Kollimationslinse umfasst;
10 eine schematische Darstellung einer besonderen Ausführungsform einer Vorrichtung der Erfindung ist, die eine Linse umfasst, die vor einem Sensor angeordnet ist.
Beschreibung besonderer Ausführungsformen
Nach einer ersten Ausführungsform die in 3 dargestellt ist, umfasst eine optische Vorrichtung 6 eine erste optische Quelle 7 und eine zweite optische Quelle 8, die im rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Die optischen Quellen 7 und 8 können von beliebiger Art sein. Sie können unterschiedlich oder gleich sein, ein kohärentes oder nicht kohärentes Licht aussenden. Sie werden beispielsweise von einer Laserdiode, einem Faden einer Glühlampe, einer LED-Diode oder einem Laser gebildet.
In 3 sind die erste und die zweite optische Quelle 7 und 8 divergente optische Quellen, die jeweils eine Kollimationslinse 9 umfassen, die dazu bestimmt ist, die Divergenz des von jeder optischen Quelle erzeugten Strahls zu verringern. Erste und zweite optische Quelle 7 und 8 senden jeweils einen ersten, einlaufenden Lichtstrahl 10 und einen zweiten Lichtstrahl 11 aus, der eine andere Wellenlänge als der erste, einlaufende Lichtstrahl 10 hat.
Reflektierende Mittel, die in 3 von einem Spiegel 15 gebildet werden und auf der optischen Bahn des einlaufenden Strahls 10 angeordnet sind, ermöglichen die Bildung eines reflektierten Lichtstrahls 12 aus dem einlaufenden Strahl 10. Die Reflektierungsmittel sind nahe und außerhalb der optischen Bahn des zweiten Lichtstrahls 11 angeordnet, sodass dieser den Bereich 14 und vorzugsweise einen Sensor 13 direkt erreicht, ohne umgelenkt zu werden. Der reflektierte Strahl 12 und der zweite Lichtstrahl 11 durchqueren einen Bereich 14, in dem ein zu analysierendes Objekt angeordnet sein soll, und erreichen anschließend ein gleichen Sensor 13. So können sich die optischen Bahnen des reflektierten Strahls 12 und des zweiten Strahls 11 eventuell in dem Bereich 14 schneiden. Bei der in dieser Figur dargestellten Ausführungsform ist der Spiegel 15 außerhalb und nahe der optischen Bahn angeordnet, d. h. in unmittelbarer Nähe der optischen Bahn des zweiten Strahls, jedoch außerdem von diesem. So durchquert der zweite Strahl (11) im Gegensatz zur Trennplatte 6 der 2 und zum Spiegel des Dokuments DE 10 798 57 den Spiegel 15 nicht.
Die optische Vorrichtung 6 umfasst vorzugsweise Mittel zum Ausrichten der reflektierenden Mittel, um die optische Bahn des reflektierten Lichtstrahls 12 auszurichten, damit dieser in den Bereich 14 eindringt und den Sensor 13 erreicht. Die Mittel zum Ausrichten ermöglichen darüber hinaus, nur einen Teil der optischen Leistung des ersten einlaufenden Strahls 10 zurückzusenden, je nach dem Reflexionskoeffizienten der reflektierenden Mittel. Die Mittel zum Ausrichten können von beliebiger Art sein. Beispielsweise können sie ein hydraulisches System oder Schrauben umfassen, die von einem Motor oder einer Pumpe betätigt werden.
Die reflektierenden Mittel sind vorzugsweise ein Spiegel oder eine halbreflektierende Platte. Sie können von einer Aufhäufung von Schichten aus dielektrischem Material gebildet werden, sodass ein Bragg-Spiegel entsteht, oder von einer Metallbeschichtung aus beispielsweise Silber oder Gold, die 97% der Leistung eines Lichtstrahls im Infrarotbereich reflektiert. Die reflektierenden Mittel können auch von Platten aus kristallinen Metallen wie Silizium oder Germanium oder von Platten aus glasartigem Material wie Glas gebildet werden.
Die reflektierenden Mittel umfassen vorzugsweise Haltevorrichtungen, die fest mit dem Stützaufbau der optischen Vorrichtung verbunden sein können; sie können aber auch von diesem Aufbau getrennt sein, sodass sie sich in Bezug auf diesen bewegen können.
In 4 werden die reflektierenden Mittel von einer halbreflektierenden Platte 16 gebildet, hinter der ein absorbierendes Element 17 angeordnet ist, das zumindest einen Teil des ersten, einlaufenden Strahls 10 absorbiert. Der von der halbtransparenten Platte 16 reflektierte Lichtstrahl 12 wird dann bezüglich dem ersten, einlaufenden Strahl 10 abgeschwächt. Diese Abschwächung hängt auch vom Reflexionskoeffizienten der halbreflektierenden Platte 16 ab. Die halbreflektierende Platte 16 ist vorzugsweise am absorbierenden Element 17 angeordnet, das eine Beschichtung wie Farbe oder ein auf der nichtreflektierenden Seite der halbreflektierenden Platte aufgebrachter Belag sein kann. Das absorbierende Element 17 kann auch von einem absorbierenden Material gebildet werden, auf das die halbreflektierende Platte geklebt wird.
Wenn die reflektierenden Mittel einen Spiegel 15 umfassen (5), kann auch ein absorbierendes Element 17 vor dem Spiegel 15 angeordnet sein, das die optische Leistung des ersten, einlaufenden Strahls 10 abschwächen soll. Das absorbierende Element 17 ist vorzugsweise auf der reflektierenden Fläche des Spiegels angeordnet. So kann es geklebt, aufgetragen oder in Form eines Farbaerosols zerstäubt sein, wodurch die Absorption des Spiegels 15 sehr genau gesteuert werden kann.
Die optische Vorrichtung kann ferner Mittel zum Verformen der reflektierenden Mittel umfassen. In den 6 und 7 werden die reflektierenden Mittel von einem verformbaren Spiegel 18 gebildet. Der verformbare Spiegel 18 kann beispielsweise von einer dünnen Metallplatte aus Gold oder Silber gebildet werden, die auf einer Seite poliert ist. Ebenso kann er aus einer reflektierenden Beschichtung bestehen, die auf ein verformbares Material wie beispielsweise eine Goldfolie aufgebracht ist, die auf Gummi oder eine Metallplatte geklebt ist. Die Verformungsmittel steuern die Krümmung des Spiegels und bestimmen so die von dem Sensor empfangene optische Leistung genau.
So ermöglicht ein konvexer Spiegel 18 (6) eine Erweiterung des reflektierten Lichtstrahls 12 und insbesondere des Lichtflecks, den er in Höhe des Sensors 13 erzeugt, während ein konkaver Spiegel (7) den reflektierten Lichtstrahl 12 und insbesondere den von dem reflektierten Strahl erzeugten und vom Sensor 13 erfassten Lichtfleck verfeinert. Die optische Vorrichtung hat somit den Vorteil, dass sie die vom Sensor empfangene Leistung kontrollieren kann.
Die Verformung des Spiegels passt sich besonders der Leistung der ersten und zweiten Quelle 7 und 8 an. Wenn nämlich die erste Quelle 7 die leistungsschwächere der beiden Quellen 7 und 8 ist, ermöglicht der Einsatz eines konkaven Spiegels 18 (7) dann eine Verengung des reflektierten Strahls 12 und dessen stärkere Fokussierung auf den Sensor 13. Ist dagegen die erste Quelle 7 die leistungsstärkere der beiden, bewirkt der Einsatz eines konvexen Spiegels 18 (6) eine Abschwächung der Leistung des reflektierten Strahls 12, indem er diesen erweitert.
Die optische Vorrichtung 6 umfasst eine einzige Kollimationslinse 19, die beiden optischen Quellen 7 und 8 gemein ist (8 und 9). Die Kollimationslinse 19 ist am Schnittpunkt der optischen Bahnen des ersten, einlaufenden Strahls 10 und des zweiten Strahls 11 angeordnet. Sie ermöglicht nicht nur eine gleichzeitige Verringerung der Divergenz der beiden Strahlen, sondern auch die Fokussierung der optischen Leistung auf den Sensor 13 nach dem Durchqueren des Bereichs 14.
In 9 ist die Kollimationslinse 19 vollkommen kugelrund, wodurch gleichzeitig die Divergenz der beiden Strahlen verringert werden kann und man die Probleme bei der Positionierung der Kollimationslinse 19 bezüglich der beiden optischen Quellen 7 und 8 umgeht. Die optische Vorrichtung kann auch eine Linse 20 umfassen, die zwischen dem Bereich 14, in dem sich das zu analysierende Objekt befinden soll, und dem Sensor 13 angeordnet ist (10). Die Linse 20 ermöglicht eine Fokussierung des reflektierten Strahls 12 und des zweiten Strahls 11 auf den Sensor 13.
Als Beispiel kann die optische Vorrichtung zum Nachweis von Schadgasen mit Infrarotsendern wie DEL-Dioden oder Fäden von Glühlampen eingesetzt werden. So ist einer der Strahlen dazu vorgesehen, von dem Schadgas absorbiert zu werden und dient der andere als Referenzstrahl, d. h., dass er kein Schadgas absorbiert, aber die gleichen optischen Störungen erfährt wie der erste Strahl. Die beiden von der optischen Vorrichtung ausgehenden Strahlen durchqueren entweder einen Bereich, der das Schadgas oder direkt die Umgebungsluft enthält, bevor sie einen gleichen Sensor erreichen.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. So kann der Sensor auch durch eine Lichtleitfaser ersetzt werden. Außerdem können der zweite Strahl 11 und der reflektierte Strahl 12 eventuell nach dem Bereich 14 mittels beliebiger bekannter Mittel umgelenkt werden, um auf den Sensor fokussiert zu werden.

Claims

Optische Vorrichtung mit reflektierenden Mitteln, die auf der optischen Bahn eines von einer ersten optischen Quelle (7) ausgesandten einlaufenden Strahls (10) angeordnet sind, um einen reflektierten Lichtstrahl (12) zu bilden, und mit einer zweiten optischen Quelle, die einen zweiten Lichtstrahl (11) einer anderen Wellenlänge erzeugt, sodass der reflektierte Strahl (12) und der zweite Lichtstrahl (11) einen Bereich (14) des Raums durchqueren, in dem ein zu analysierendes Objekt angeordnet sein soll, und einen gemeinsamen Sensor (13) erreichen, optische Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die reflektierenden Mittel nahe und außerhalb der optischen Bahn des zweiten Strahls (11) angeordnet sind, sowie dadurch, dass die optische Vorrichtung (6) eine Kollimationslinse (19) umfasst, die der ersten Quelle (8) und der zweiten Quelle (7) gemein und am Schnittpunkt des ersten, einlaufenden Strahls (10) und des zweiten Strahls (11) angeordnet ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung (6) Mittel zur Verformung der reflektierenden Mittel umfasst.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Vorrichtung (6) Mittel zum Ausrichten der reflektierenden Mittel umfasst.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierenden Mittel von einem Spiegel (15) gebildet werden.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Element (17), das einen Teil einer Lichtstrahlung absorbiert, auf der reflektierenden Oberfläche des Spiegels (15) angeordnet ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierenden Mittel von einer halbreflektierenden Platte (16) gebildet werden.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die halbreflektierende Platte (16) auf einem Element (17) angeordnet ist, das einen Teil einer Lichtstrahlung absorbiert.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollimationslinse (19) kugelrund ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Linse (20) zwischen dem Bereich (14) des Raums, in dem sich das zu analysierende Objekt befinden soll, und dem Sensor (13) angeordnet ist.