DE7620171U1 - Optische abtastvorrichtung - Google Patents
Optische abtastvorrichtungInfo
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Description
/. ι (·· ι· e toi ι ι in
' . ..too.
It , %m.
51/76
26.5.76 Fd/dh
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri A Cie., Baden (Schweiz)
Optische Abtastvorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Abtastvorrichtung mit hoher Auflösung, umfassend zwei wenigstens teilweise
aus Lichtleitern bestehende TJebertragungskanäle , deren einer als Sendekanal von einem optischen Sender zum
Abtastobjekt und deren anderer mit reflektierter Strahlung beaufschlagt vom Objekt zu einem Detektor führt. Solche AbtasVorrichtungen
werden insbesondere für die Lagedetektion von Markierungen oder sonstigen Objekten mit geringen Abmessungen
verwendet, können jedoch auch zur sonstigen Bestimmung von Strahlungssignalen innerhalb kleiner Flächenbereiche
als Abtastobjekte dienen. Im folgenden wird der Einfachheiijhalber nur auf das Verwendungsgebiet der LagejdeteJction
von Markierungen oder dgl. Bezug genonrnen, ohne
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51/76
dass de'r Anmeldungsgegenstand hierauf beschränkt wäre.
Es ist eine optische Abtastvorrichtung der eingangs genann-
ten Art für Zwecke der Lagedetektion bekannt (H. Raby, "Rotor blade vibration observed from the easing", Bericht
von der Konferenz "Methods of transmitting vibrations from
rotating plant", Central Electricity Research Laboratories, Leatherhead, 25/26. Juni 1970), bei der eine Mehrzahl von
Sendekanal- und Erapfangskanal-Lichtleiterfasern zu einem
Leiterbündel zusammengefasst sind. Die Lichtaustrittsfläche
am ob^ektseitigen Ausgang des Sende-Teilbündels
hat hier vergleichsweise grosse Abmessungen. Bei der Abtastung von bewegten Objekten bestimmt aber der Durchmesser
des Abtaststrahlbündels die Auflösung bzw. die Flankensteilheit der Abtastsignale und damit die Auswertungsgenauigkeit
.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Abtastvorrichtung,
die einen vergleichsweise kleinen Durchmesser des Abtaststrahlbündels aufweist und gegebenenfalls sogar
ohne ein besonderes optisches Fokussiersystem auskommen kann.
e^erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet
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I * · 51/76
< sich bei einer Abtastvorrichtung der eingangs genannten
3 Art durch die im Patentanspruch angegebenen Merkmale·
s* K ' .
I Mit einer solchen Vorrichtung ist es insbesondere unter
1 Verwendung einer leicht fokussierbaren Laserstrahlung mög-
lieh, über eine einzige Lichtleitfaser die für die Abtastung
eines Objektes nötige Lichtleistung an das Objekt heranzuführen. Durch optische Abbildung der Austrittsfläche des
I Sende-Lichtleiters auf die Objektoberfläche lassen sich
I dann die angestrebten, kleinen Abtastfleckdurchmesser er-
% reichen.
i Bei nicht zu hohen Genauigkeitsanforderungen ist es sogar
I möglich, auf ein besonderes Fokussierungssystem für den
I Ausgang des Sendekanals zu verzichten, sofern man den Aus-
; gang des Sendekanal-Lichtleiters genügend nahe an das Abtastobjekt
heranbringen kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn gemäss einer Weiterbildung der Erfindung defSendekanal-
; Lichtleiter als selbstfokussierende Faser (Gradienten-Lichtleiter)
ausgebildet ist.
I Für die Erzielung der erwähnten Vorteile ist die Verwendung
I
S
ϊ eines einzigen Lichtleiters geringen Austrittsquerschnitts
S
ϊ eines einzigen Lichtleiters geringen Austrittsquerschnitts
1 als wirksamer Sendekanal ausreichend. Es können, jedoch me.h-
sä »
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■ ·*β
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_ 4 - 51/76
rere solcher Sendekanal-Lichtleiter vorhanden sein, sofern
1 ,jeweils nur einer von ihnen wirksam ist. Insbesondere kann ' §
der Sendekanal-Lichtleiter innerhalb eines Lichtletterbün- |
dels angeordnet sein, dessen übrige Einzel-Lichtleiter als \
Ausfallreserve mit dem optischen Sender koppelbar angeordnet sind. Diese Umschaltung ist durch geänderte Lagejustierung
einer zweekniässig vorzusehenden Eingangsfokusslerung \_ ι
des Sendekanals ohne Schwierigkeit erreichbar und erhöht die |
I Betriebssicherheit im Hinblick auf Beschädigung oder Bruch \
einzelner Lichtleitfasern. i
Die Erfindung wird weiter anhand des in den Zeichnunger
schematisch angedeuteten Ausführungsbeispiels erfäutert.
Hierin zeigt:
schematisch angedeuteten Ausführungsbeispiels erfäutert.
Hierin zeigt:
Flg. 1 den objektseitigen Endabschnitt einer koaxialen
Sende-Empfangskanalanordnung im Teil-Axialschnitt
mit einem Abtastobjekt und ~~ ~
mit einem Abtastobjekt und ~~ ~
Fig. 2 den sender- bzw. detektors'eitigen Endabschnitt der
kombinierten Kanalanordnurig nach Fig. 1, ebenfalls
im Teil-Axialschnitt.
kombinierten Kanalanordnurig nach Fig. 1, ebenfalls
im Teil-Axialschnitt.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel bezieht sich auf dia
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- 5 - · 51/76
Lagedetektion von Markierungen auf einem in Fig. 1 angedeuteten,
rotierenden Maschinenteil 1, dessen punktuelle Umfangsgeschwindigkeit
auf diese We3.se bestimmbar ist. Eine hochgenaue Lagebestimmung von Markierungen auf einem rotierenden
Maschinenteil ist zum Beispiel für die Bestimmung von der Drehbewegung überlagerten Schwingungen einzelner
Bestandteile des Maschinenteils von Interesse, etwa für die Bestimmung von Schaufelschwingungen innerhalb eines
Turbinen-Schaufelkranzes.
Wie aus den Figuren ersichtlich, erstreckt sich die Kanalanordnung
von einer Markierung la als Abtastobjekt über einen Abschnitt 2 mit fokussierendem bzw. kondensierendem
Linsensystem sowie einen Lichtleiterabschnitt J>
zu einem Abschnitt 4, in dem die Teilung der optischen Wege zwischen
Sender und Detektor erfolgt. Als Sender ist ein nicht näher dargestellter Laser 5 mit ausgangsseitigem Mikroskopobjektiv
■6 vorgesehen. Letzteres fokussiert das Laserstrabjbündel auf
den Eingang 11 einer einen Sendekanal 10 bildenden, einzelnen Lichtleitfaser (in den Zeichnungen unmassstäblich vergrössert
dargestellt).
Der Anfangsabschnitt des' über das Mikroskopobjektiv - gegebehönfalls
selektiv aus einem Sendekanal-Faserbündel - beauf-
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- 6 - · 51/76
schlagten Sendekanal-Lichtleiters 10 ist innerhalb einer
Kapselung 7 in den Querschnitt eines Empfangskanals 15
eingeführt, der seinerseits aus einer sehr grossen Anzahl einzelner Lichtleiter bzw. Fasern besteht. Der sich anschllessende
Abschnitt 12 des Sendekanal-Lichtleiters ist koaxial innerhalb des entsprechenden Empfangskanalabschnitts
17 geführt und endet in einer Lochblende 12a, welche einen konzentrischen Innenbereich des Empfangskanalquerschnitts
mit vergleichsweise grossem Aussendurchmesser abschirmt.
Zur Objektseite hin schliesst sich eine koaxial angeordnete Zylinderhülsi! 12b an, in der eine erste Sammellinse
l4a eines abbildenden Linsensystems 14 angeordnet ist und welche die Abschirmung zwischen Sendekanal und Empfangskanal in axialer Richtung verlängert. Der objektseitige
Endabschnitt 13 des Sendekanals verläuft weiter durch den
zentrumsnahen Bereich einer weiteren Sammellinse 14b und sodann als-konvergierendes Strahlenbündel zum Objekt la«
Das von hier reflektierte Laserlicht gelangt über-den ringförmigen
äusseren Bereich der Sammellinse l4b, die hierfür als Kondensor wirkt, innerhalb des Anfangsabsehnitts 16 des
Empfangskanals am Aussenumfang der Zylinderhülse 12b vorbei
an die Stirnfläche 17a des Lichtlelterbündels des Empfangskanalabschnitts
17. Der Endabschnitt 15 des Sendekanals 1st demgemäss koaxial innerhalb des entsprechenden Anfangsab-
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ί ' - 7 - ' 51/76
Schnitts 16 des Empf angskanals geführt, und zwar infolge
der Lochblende 12a und der Zylinderhülse 12b gegeneinander in der Weise abgeschirmt, dass nur sehr wenig parasitäres
Streulicht aus dem Endabschnitt des Sendekanals unmittelbar in den Anfangsabschnitt des Empfangskanals gelangen
kann.
Die bauliche Vereinigung von Sendekanal und Empfangskanal
im Bereich der Kanalabschnitte 13 und 16 hat den Vorteil,
dass Lageschwankungen - z.B. infolge von Schwingungen oder Wärmedehnungen - zwischen den beiden Systemen und die entsprechende
Vortäuschung von Objektbewegungen wesentlich vermindert sind. Dabei erweist sich die koaxiale Anordnung
- neben den bereits erwähnten optischen Vorteilen - hinsichtlich der gegenseitigen Lage von Sendekanal und Empfangskanal
als besonders unempfindlich gegenüber Wärmedehnungen und anderen Verformungen.
Dem Ausgang 18 des Empfangskanalabschnitts 17 ist in der aus Fig. 2 ersichtlichen -Weise ein schematisch angedeutetes,
auf die Laserfrequenz abgestimmtes, schmalbandiges Interferenzfilter 19 nachgeordnet. Allenfalls störendes Fremdlicht
wir-rt dadurch vom nachfolgenden Detektor 20, etwa
einem photoelektrischen Wandler, ferngehalten.
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Claims (1)
- - 8 - 51/76nsprüche1. Optische Äbtastvorrichtung mit hoher Auflösung, umfassend zwei wenigstens teilweise' aus Lichtleitern bestehende Uebertragungskanäle„ deren einer als Sendekanal von einem optischen Sender zum Abtastobjekt und deren anderer mit reflektierter Strahlung beaufschlagt vom Objekt zu einem Detektor führt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendekanal (10). mindestens in einem Bereich des objektseitigen Kanalendes angeordneten Abschnitt aus einem einzigen Lichtleiter geringen Durchmessers besteht.2. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der den Sendekanal (10) bildende.Lichtleiter innerhalb des äusseren Querschnittsumfanges des aus einem Lichtleiterbündel bestehenden Empfangskanal'-(15) angeordnet ist.3. Abtastvorrichtung: nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendekanal (10) mindestens teilweise koaxial innerhalb des Empfangskanals (15) angeordnet ist.k. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendekanal-Lichtleiter wenigstens in seinem objekt-7620171 03.05.78a **■· ·K- 9 - 51/76* seit igen Endaijschnitt als selbst fokussierende Faser (Gra-.dienten-Lichtleitsr) ausgebildet ist.5· Abtastvorrichtung nach Anspruch 3S dadurch gekennzeichnet, dass der objektseitige Endabschnitt des Sendekanals (10) und der entsprechende Anfangsabschnitt des Empfangskanals f (15) jeweils durch, ein abbildendes bzw. kondensierendesLinsensystem gebildet ist und dass der Endabschnitt des Sendekanals koaxial innerhalb des Anfangsabschnitts des Empfangskanals- angeordnet ist..6. Abtastvorrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, dass im Uebergangsbereich zwischen dem objektseitigen Endabschnitt (13) des Sendekanals (10) und dem diesem voranpcehenr ; den Kanalabschnitt (12) eine die Lichtleiter des entspre-\ chenden Empfangskanalabschnitts (17) in der Nachbarschaffdes Sendekanalaustritts in das fokussierende Linsensystem , 14b) abschirmende Lochblende (12a) angeordnet ist.7. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als optischer Sender (5) ein Laser vorgesehen8. Abtastvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ausgang (18) des Empfangskanals (15) und- 10 - 51/76dem Detektor (20) ein auf die Laserfrequenz abgestimmtes Interferenzfilter (19) angeordnet ist.9. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendekanal-Lichtleiter innerhalb eines Lichtleiterbündels angeordnet ist, dessen übrige Einzel-Lichtleiter als Ausfallreserve mit dem optischen Sender koppelbar angeordnet sind.10. Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sender ein auf den Eingangsquerschnitt des Sendekanal-Lichtleiters fokussierendes Linsensystem (6) aufweist.BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.7620171 03.05.78
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