DE9004633U1 - Optische Weiche - Google Patents

Optische Weiche

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DE9004633U1 DE9004633U DE9004633U DE9004633U1 DE 9004633 U1 DE9004633 U1 DE 9004633U1 DE 9004633 U DE9004633 U DE 9004633U DE 9004633 U DE9004633 U DE 9004633U DE 9004633 U1 DE9004633 U1 DE 9004633U1
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Description

Die vorliegende Neuerung betrifft eine optische Weiche, vorzugsweise für einen faseroptischen Sender, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei faseroptischen Sensoren ist es oft vorteilhaft; die zust S&ssorkopf geilende Strahlung &khgr;&khgr;&eegr;&aacgr; äis vojb Scherkopf zurückkommende Strahlung durch eir- und dieselbe Faser zu leiten. Dies entspricht dem aus der Nachrichtentechnik seltartStisii Duplsxveif sbren (bidirektionale übertragung), bei dasi durch eise Faser Informationen in beiden Richtungen übertragen weraen.
Ein bei faseroptischen Sensoren geeigneter Aufbau für die Einkopplung der Strahlung einer Strahlungsquelle in eine Faser und für die Führung der zurückkommenden Strahlung auf einen Empfänger ist z.B. in der DE-OS 3 431 997 angegeben. Für die Kontrolle der von einer LED abgegebenen Strahlung und für ihre Regelung ist eine geeignete Anordnung mit einem Referenzempfänger in der DE-OS 3 431 996 beschrieben. Derartige Anordnungen verwenden einen konventionellen optischen Aufbau mit normalen Linsen und dichroitischen Schichten auf Planparallelplatten zur wellenlängenabhängigen Strahlumlenkung. Sie haben den Nachteil, daß sie durch die notwendige Halterung ihren einzelnen Elementen einen aufwendigen Aufbau erfordern. Zudem ist ihre Justierung kompliziert und sie eignen sich schlecht für eine Miniaturisierung. Dies gilt besonders für aufwendigere Anordnungen, z.B. wenn zurückkommender Strahl und zeitweise ein Referenzstrahl auf denselben'Empfänger treffen sollen.
Aus der OE-PS 3 232 445 ist eine optische Weiche
für beidseitig gerichtete Nachrichtenübertragung durch eine
Faser im sogenannten Wellenlängen-Multiplex-Verfahren
■ •■•ff·
bekannt. Sie besteht.atfs meTjrferfen anjäi'nafcdergesetzten Gradienten-Index-Stablinsen (GRIN-Linsen) und Filtern, an deren einem Ende der Empfänger angeordnet ist. An der gegenüberliegenden Stirnseite des anderen Endes sind eine Faser zur Nachrichtenübertragung und eine Faser, die zu einem P:lbleitersender geht, angeschlossen. Für die Strahlung des KalbXeitersenders wirken die FiIt sr als Reflexionsfilter, so daß sie in die Faser zur Nachrichtenübertragung gelangt. Die ankommende Strahlung der Nachrichtenübertrag hat jedoch eine Hellenlänge, für welche die Filter durchlässig sind, so daß sie auf den Empfänger gelangt.
Diese für die Nachrichtenübermittlung angegebene Lösung hat folgende Nachteile: Die Fasern sitzen nicht koaxial auf der Stirnseite der ersten GRIN-Linse. Dies bedingt nicht nur einen größeren Herstellungsaufwand, sondern auch einen Kompromiß zwischen einem größeren Obersprechen zwischen den Fasern (mit abnehmendem Abstand der Fasern) und verschlechterten Abbildungseigenschaften der GRIN-Linsen (mit wachsendem Abstand der Fasern) und dadurch bedingt größeren Verlusten. Für faseroptische Sensoren, bei denen die zurückkommende Strahlung erheblich geringer ist als die zum Sensorkopf gehende Strahlung, ist diese bekannte Lösung daher nicht geeignet.
Aus einer Veröffentlichung von W.J.Tomlinson (Applied Optics 19, 1127 (1980)) ist ein Multiplexer bekannt, bei dem die durch eine Reihe von Fasern zugeführten Strahlungen mit verschiedenen Wellenlängen in eine gemeinsame Faser geleitet werden. Die Fasern sind über GRIN-Linsen und Keile an eine Planplatte angekoppelt auf deren beiden Oberflächen geeignete Filter angeordnet sind. Die optischen Achsen, der Strahlen bilden gleichgroße spitze Winkel' zu dem Normalen auf den Plattenoberflächen, und bei jeder Reflexion an einem Filter wird die Strahlung mit der durch dieses Filter In die Planplatte hineingelassenen Strahlung vereinigt.
Reduziert man diese. !Anetrdnifosf afcf zwjöi, Wellenlängen, dann ergibt sich eine spitzwinklige Weiche mit einem Filter, das die eine Wellenlänge durchläßt und die andere Wellenlänge reflektiert. Eine derartige optische Weiche wäre für einen faseroptischen Sensor geeignet, hat jedoch den Nachteil, daß sie nicht geeignet ist für Sensoren, bei denen ein Referenzstrahlengang notwendig ist, mit dem zeitweise die Strahlung der Strahlungsquelle direkt auf den Empfänger geleitet werden kann.
Der vorliegenden Neuerung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine optische Weiche zu schaffen, die einen Referenzstrahlengang hat, möglichst kompakt ist und bei der die für Fasersensoren notwendige geringe Beeinflussung (Nebenoder Obersprechen) der von der Strahlungsquelle zum Sensorkopf gehenden Strahlung (Sendekanal) auf das Signal der vom Sensorkopf zum Empfänger gehenden Strahlung (Empfangskanal) erreicht wird.
Die gestellte Aufgabe wird ausgehend von einer optischen Weiche nach dem Oberbegriff durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Strahlungsquelle in den kompakten Aufbau einbezogen und mit dem ersten optischen Bauteil über ein relativ kurzes Faserstück verbunden, das mindestens so lang ist, daß die Apertur der aus seinem Ende austretenden Strahlung begrenzt ist. Durch eine ausreichende Länge dieses Faserstückes wird auf einfache Weise erreicht, daß es als Gesichtsfeldblende (durch seinen Querschnitt) und zugleich als Aperturblende (durch die Brechzahlen von Kern undL Mantel) wirkt. Es begrenzt also sowohl die Apertur als auch die seitliche Ausdehnung der strahlenden Fläche an seinem Ende und bewirkt dadurch, daß in den folgenden optischen Bauteilen nur ein geringer Anteil der Strahlen einen ungewollten und störenden Verlauf hat und als Falschlicht ein Nebensprechen bewirkt und
• · IfI*
damit die Messung b/jftirif lu
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Neuerung sitzt das Faserstück in einem Hohlkörper mit planparallelen Endflächen, welcher die Strahlungsquelle mit dem ersten Bauteil der optischen Weiche verbindet.
Andere vorteilhafte Ausgestaltungen der Neuerung gehen aus den Unteransprüchen und den Erläuterungen zu den Figuren hervor.
Die Neuerung wird im folgenden anhand von in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 eine optische Weiche, bei der die Strahlungsquelle von der kompakten Einheit getrennt ist, und
Fig. 2 eine optische Weiche, bei der die Strahlungsquelle Bestandteil der kompakten Einheit ist.
Die in beiden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele dienen dazu, von der Strahlungsquelle (10) emittierte Strahlung in den Anfang der zum Sensorkopf führenden Faser (15f) einzukoppeln und die aus der Faser mit anderer Wellenlänge zurückkommende Meßstrahlung auf den Empfänger (19) zu leiten. Außerdem soll zeitweise auf den Empfänger (19) lediglich ein Teil der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung direkt geleitet werden.
In Fig. 1 ist die Strahlungsquelle (10), z.B. eine Leuchtdiode, über die Faser (11)'mit der als kompakte Einheit (15) ausgebildeten optischen Weiche verbunden. Die Enden der Faser (11) sind in Rohrstücken dir) eingekittet, deren Endflächen die) zusammen mit den Endflächen der Fasern optisch plan geschliffen und poliert sind. Die Faser (11) ist mit dem Rohrstück (llr) an ein optisches Bauteil (12) zur
Kollimierung, z.B. .sine; GRPlJ;-*Li;{i"se, Angesetzt, welches die aus dem Faserende austretende Strahlung kollimiert.
Von dem kollimierten Strahl wird durch den Strahlteiler (13) ein durch seine Teilerschicht (13t) vorgegebener Anteil in einen Referenzstrahl (13r) abgelenkt, der durch die Umlenkprismen (16u, 16p) und Distanzstücke (16s, 16d) zu einem zweiten Teilerwürfel (13) geleitet wird.
Der vom ersten Strahlteiler (13) durchgelassene Strahl geht durch die Glasteile (14z) und (14). Auf einem dieser Glasteile ist auf der an das andere Glasteil angrenzenden Fläche ein geeignetes Filter (14f), z.B. aus dichroitischen Schichten, aufgebracht, welches für die Strahlung der Strahlungsquelle (10) gut durchlässig ist. Die durchgelassene Strahlung wird durch die GRIN-Linse (12) auf den Anfang der zum Sensorkopf gehenden Faser (15f) fokussiert. Der Anfang der Faser (15f) ist ebenfalls in ein Rohrstück (15r) angekittet und kann mit diesem zusammen an das optische Bauteil (12) zur Fokussierung angekittet oder angesetzt werden.
Die aus der Faser (15f) zurückkommende Strahlung wird von der GRIN-Linse (12) kollimiert und trifft auf das Filter (14f), welches für die Hellenlänge der zurückkommenden Strahlung ein möglichst großes Reflexionsvermögen hat. Der reflektierte Teil geht als Meßstrahl (15m) durch das Farbglasfilter (17), welches dazu dient, Streulicht mit der Wellenlänge der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung nicht auf den Empfänger (19) gelangen zu lassen. In dem zweiten Strahlteiler (13) werden Meßstrahl (15m) und Referenzstrahl (13r) geometrisch vereinigt. Die' abschließende GRIN-Linse (12) fokussiert beide Strahlen auf den Empfänger (19).
Vor dem zweiten Strahlteiler (13) gehen die sonst immer in Glasteilen verlaufenden Strahlen durch einen Luftspalt (18), in dem eine bewegliche Blende (18b) wahlweise den Meßstrahl
• · · • · i
(15m) oder den Ref e^P/i^straW?'ijj.*3r)^unterbricht. Diese Blende kann z.B. als motorgetriebene Schwenkblende ausgebildet sein und ihre momentane Stellung kann durch Lichtschranken kontrolliert werden.
Trotz des Luftspaltes (18) lassen sich alle innerhalb der mit (15) gekennzeichneten Begrenzungslinie liegenden Teile zu einer kompakten Einheit zusammenfassen, indem sie unter- oder oberhalb der Zeichenebene entweder auf einer gemeinsamen Montageplatte befestigt oder durch ein Glasteil verbunden sind.
In der Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform für den Anschluß von Strahlungsquelle (10) und Empfänger (19) an die optische Weiche dargestellt. Die Strahlungsquelle (10) ist Bestandteil der hier mit (25) bezeichneten kompakten Einheit. Sie ist mit dem optischen Bauteil zur Kollimierung (22) über ein Faserstück (21) verbunden. Dieses Faserstück muß mindestens so lang sein, daß es die Apertur der aus seinem Ende (2Ie) austretenden Strahlung begrenzt. Bei einer Wellenlänge im sichtbaren Spektralbereich muß es dafür eine Länge von mindestens einem oder mehreren Millimetern haben.
Das Faserstück (21) sitzt in einem Hohlkörper (21h), der die Leuchtdiode (10) mit dem optischen Bauteil (22) zur Kollimierung verbindet. Bei einem Faserdurchmesser von z.B. 220 um ist es zu aufwendig, in ein HalteteiJ für die Faser ein entsprechend langes Loch zu bohren. Deshalb ist das Halteteil als aus zwei Teilen zusammengesetzter Hohlkörper ausgebildet, in dem nur die Enden der Faser eingekittet und mit seinen Endflächen zusammen bearbeitet und optisch poliert sind.
Als optische Bauteile zur Kollimierung und Fokussierung sind nicht nur GRIN-Linsen geeignet. Eine andere vorteilhafte Möglichkeit sind Linsen oder Kugeln, die in Rohren sitzen.
deren Endflächen plppjpajrafle^ b'4arb4j.'t«e.ti sind. Diese &mgr;
Möglichkeit ist in der Fig. 2 dargestellt und mit (22) fj
gekennzeichnet. Ji
In der Fig. 2 ist außerdem dargestellt, daß der Empfänger
(19) nicht mit der optischen Weiche fest verbunden sein muß, jf? sondern auch über eine Faser (29) angeschlossen werden kann. i| Die Faser ist zweckmäßigerweise an ihren Enden ebenfalls in
Rohrstücke (29r) eingekittet.
Selbstverständlich können auch strahlungsquelle (10) und
Empfänger (19) mit der optischen Weiche eine kompakte Einheit
bilden und ebenso können beide über Fasern mit der optischen
Weiche verbunden sein.

Claims (10)

1. Optische Weiche, vorzugsweise für einen faseroptischen Sensor, welche die von einer Strahlungsquelle (10) emittierte Strahlung in eine zum Sensorkopf gehende Faser (15f) leitet und die aus dieser Faser (15f) zurückkommende Strahlung auf einen lichtelektrischen Empfänger (19) leitet, bestehend aus einem Filter '".-Jf) mit wellenlängenabliäagiger Transmission und Reflexion, sowie optischen Bauteilen (12, 22) zur Kollimierung jder Fokussierung, welche zusammen mit dem Filter (14f) eine
; vjpükte Einheit in Form einer spitzwinkligen Weiche bilden, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Bauteil (12; f 22) zur Kollimierung 4er von der Strahlungsquelle (10)
emittierten Strahlung ein erster Teilerwürfel (13) angeordnet ist, der einen Teil der von der Strahlungsquelle (10) emittierten Strahlung als Referenzstrahl (13r) abzweigt, daß der Referenzstrahl ■&lgr; (13r) über Umlenkprismen (16u, 16p) und Distanzstücke
(16s, 16d) zu einem zweiten Teilerwürfel (13) geführt ist, durch den der Referenzstrahl (13r) dem aus der Faser zurückkommenden Meßstrahl (15m) geometrisch überlagert wird, und daß vor dem zweiten Teilerwürfel (13) ein Luftspalt (18) für eine bewegliche Blende (18b), die alternativ den Meßstrahl (15m) oder den Referenzstrahl
(13r) unterbricht, vorhanden ist.
2. Optische Weiche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Strahlungsquelle (10) und dem ersten Bauteil (12, 22) zur Kollimierung ein Faseretück (21) angeordnet ist, welches mindestens so lang ist, daß die Apertur der aus seinem Ende '(2Ie) austretenden Strahlung begrenzt ist.
3. Optische Weiche nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Faeeretück (21) in einem Hohlkörper (21h) mit planparallelen Endflächen sitzt, welcher die
··■·· III ·■ I ·
I · III III·
).^«)) "m^jJ 'dein' opUSsphen Bauteil (12, 22) zur Kollimierung verbindet.
4. Optische Weiche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (10) mit dem optischen Bauteil (12, 22) zur Kollimierung über eine Faser (11) verbunden ist, die an ihren Enden in Rohrstücken (Hr) eingekittet ist.
5. Optische Weiche nach einem der Ansprüche 1 x?is 4, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Winkel {!·.«) der optischen Weiche kleiner als 50■ ist.
£, Optische Weiche r.-ch &iacgr;'aem de* Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß do., wellen!engenabhängige Filter il't) aus cüchroitischen Schichten besteht.
7. Optische Weiche nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum wellenlängenabhängigen Filter (14£) ein Farbglas*ilter (17) im Meßstrahlengang (15m) vorgesehen ist.
8. Optische Weiche nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der lichtelektrische Empfänger (19) direkt oder über eine Faser (29) an das optische Bauteil (12, 22) zur Fokussierung angeschlossen ist.
9. Optische Weiche nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Bauteile (12, 22) zur Kollimierung oder Fokussierung GRIN-Linsen sind.
10. Optische Weiche nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Bauteile (12, 22) zur Kollimierung oder Fokussierung Linsen oder Kugeln sind, die in Haltekörpern mit planparallelen Endflächen sitzen.
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