EP1613933A1 - Anordnung zur optischen abstandsbestimmung einer reflektierenden oberfläche - Google Patents

Anordnung zur optischen abstandsbestimmung einer reflektierenden oberfläche

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Publication number
EP1613933A1
EP1613933A1 EP04725284A EP04725284A EP1613933A1 EP 1613933 A1 EP1613933 A1 EP 1613933A1 EP 04725284 A EP04725284 A EP 04725284A EP 04725284 A EP04725284 A EP 04725284A EP 1613933 A1 EP1613933 A1 EP 1613933A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optical
arrangement according
reflecting surface
light
optical fiber
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04725284A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Schreiber
Sergey Kudaev
Manfred Hibbing
Andre Michaelis
Wolfgang Niehoff
Vladimir Gorelik
Ruth Weichenhain-Schriever
Jürgen IHLEMANN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10323336A external-priority patent/DE10323336B8/de
Application filed by Sennheiser Electronic GmbH and Co KG, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Publication of EP1613933A1 publication Critical patent/EP1613933A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for optically determining the distance of a reflecting surface, which can be used advantageously in particular for the determination of small changes in distance, as often occur in vibrating systems. It can be used as an optical microphone or hydrophone.
  • the light directed in each case onto the reflecting surface is focused in this direction by means of optical elements, so that depending on the respective distance of the reflecting surface, a more or less large light spot can be recorded and this in best case can be completely mapped on the optical detector.
  • the size of the image changes accordingly, which, in conjunction with the vignetting on the aperture of the optical fiber for the back-reflected light, results in a corresponding change in the light intensity that can be detected by the optical detector, which is proportional to the respective measurement signal value Distance or a change in distance that has occurred can be evaluated.
  • the teaching described there is intended to create a possibility by variation of distances between the end face of the optical fiber, from which light is coupled out and reflected light is coupled, and focusing optical elements are to be adapted to different distance measuring ranges, each with increased measuring sensitivity.
  • the divergence of the light radiation which is directed onto the reflecting surface, is an essential measure by which the achievable steepness and the changing light intensity are limited.
  • the imaging scale of corresponding optics cannot be reduced arbitrarily, since the light beam divergence in the image space would take on too high values.
  • the arrangement according to the invention for optically determining the distance from reflecting surfaces likewise uses at least one optical fiber, via which light from a light source is directed onto a reflecting one
  • the optical detector uses the measurable light intensity, which changes as a function of changing distances, as a measure of the respective distance.
  • the divergent light which emerges from the first optical fiber is directed by means of a collimating optical element as parallel light beams in the direction of the respective reflecting surface, with at least two between the collimating optical element and the reflecting surface in the direction of the reflecting surface
  • Surface focusing optical elements the optical axes of which are aligned parallel to the optical axis of the collimating optical element, are arranged.
  • These at least two focusing optical elements are at a constant distance from one another, so that the distances between their optical axes are also kept constant even with a higher number of focusing optical elements.
  • focusing optical elements which form a row arrangement at least along one axis or a plurality of rows of such focusing elements form an array arrangement to increase the measurement sensitivity.
  • the optical axes and, accordingly, all the focusing optical elements should be arranged equidistant from one another.
  • the focusing optical elements should be arranged at an optimized distance from the respective reflecting surface, so that even small changes in distance can be reflected in significantly changing measured light intensities on the optical detector.
  • an average distance between focusing optical elements and reflecting surface can be selected so that it matches the respective focal length. point level of the focusing optical elements coincides.
  • the distance between the plane in which the focusing optical elements are arranged and the collimating optical element should also be kept constant.
  • the respective convex surfaces of the focusing optical elements which can preferably be configured as cylindrical lenses, are aspherically curved.
  • Such an aspherical curvature of the convex surface of the collimating optical element is also advantageous.
  • the collimating optical element can be designed as a plano-convex lens, the convexly curved surface pointing in the direction of the reflecting surface, the distance of which is to be determined.
  • a suitable coupler for the light source and the detector must be used for this.
  • the reflecting surface is arranged at a desired or reference distance, at which it is arranged in the focal plane of the reflecting optical elements, the light directed from the optical fiber onto the reflecting surface and reflected from there is completely imaged in this optical fiber and it can a maximum intensity can be detected. Increases or decreases the distance between the reflecting surface is not completely imaged and the intensity reaching the optical detector via the optical fiber is reduced accordingly, so that the detectable reduction in light intensity is a measure of the changed distance.
  • At least one further optical fiber is arranged in the vicinity of the designated one optical fiber and can direct light from the reflecting surface onto a further optical detector, the light intensity which can be detected with this optical detector increases with a changing distance as soon as the reflecting surface is outside the Focal plane of the reflective optical elements arranged, that is, has been moved. At the same time, the light intensity that is directed with the other optical fiber via the optical coupler / fiber splitter onto the corresponding optical detector is reduced.
  • At least two optical fibers can also be used, which are arranged outside (next to) the optical axis of at least the collimating optical element.
  • An optical coupler / fiber splitter on optical fibers can be dispensed with here.
  • an optical fiber only directs light onto the reflecting surface and reflected light from there is coupled into one or more additional optical fibers via the optical elements mentioned, and the respective distance-dependent changing light intensity is detected by means of optical detectors.
  • cylindrical lenses should can be used as reflective optical elements.
  • the end faces of optical fibers can be oriented orthogonally to the optical axis of the respective collimating optical element, which can apply both to the at least one optical fiber for the irradiation of the reflecting surface and to light reflected from this surface.
  • optical fibers are aligned parallel to the optical axis of the collimating optical element at least in an area in which light is coupled out and coupled in
  • these optical fibers in an obliquely inclined manner with respect to the optical axis of the collimating optical element Align angle, whereby the angle of inclination can be in the range between 2 ° and 8 °.
  • at least one optical fiber for reflected light can be adapted to the beam shaping which can be achieved by means of the focusing optical elements, so that an orthogonal alignment of the end face for coupling reflected light to the plane of curvature of the focusing elements can be achieved.
  • an optical fiber for the irradiation development of the reflecting surface on the end face on which this light is coupled out, a transmission grating is formed.
  • LEDs known per se other incoherent light sources or laser diodes can be used as the light sources, it being generally possible to dispense with polarization or optical filtering.
  • the arrangement according to the invention can be used favorably on vibrating systems. It is thus possible to form the reflective surface as part of a membrane or to arrange it in a fixed manner on such a membrane, so that changes in distance which occur due to vibration can be detected when such a membrane vibrates.
  • the imaging optics are formed from a collimating optical element and a plurality of focusing optical elements, the latter being to be used in the form of an array arrangement.
  • FIG 1 in schematic form an example of an arrangement according to the invention with two optical fibers
  • Figure 2 shows an arrangement of two optical fibers using an example of an arrangement according to the invention
  • FIG. 3 shows a diagram of coupling efficiency which changes as a function of a changing distance of a reflecting surface
  • Figure 4 shows an example of an arrangement according to the invention with two symmetrical about an optical
  • Figure 5 shows another example with an additional beam-shaping optical element
  • FIG. 6 shows a spatial representation of the beam-shaping optical element additionally used in the example according to FIG. 5.
  • FIG. 1 An example of an arrangement according to the invention is shown in schematic form in FIG. 1
  • light from a light source (not shown) is coupled out via an optical fiber 1 and directed in a divergent form onto a collimating optical element 2.
  • the parallel light radiation then strikes an array arrangement 3, which is formed from focusing optical elements 3 ′ arranged equidistant from one another.
  • the focusing optical elements 3 ' are designed and arranged at a distance from the reflecting surface 4 which is at least in the vicinity of their focal length f.
  • the individual images are coupled into the end face of the optical fiber 5 and directed onto an optical detector (not shown) connected to this optical fiber 5 if the reflecting surface 4 is arranged outside the focal plane of the optical elements 3 '. Is the reflective surface Before 4 is arranged in the focal plane of the optical elements 3 ′, all of the light is reflected from the reflecting surface 4 back into the optical fiber 1.
  • the light intensity of the reflected light and coupled into the optical fiber 5 is detected and can be used to determine the respective distance of the reflecting surface 4 or any changes in distance that may occur.
  • the influencing variables are the focal length F of the collimating optical element 2, the distance D between the collimating optical element 2 and the array arrangement 3 of focusing optical elements 3 ', the focal length f of which is smaller than the focal length F of the collimating optical element 2 is.
  • the core can the optical fiber 1 can be mapped upright on itself on a scale of 1: 1.
  • the scatter circle radius R of such an arrangement for a point-shaped object is described in a paraxial approximation as follows:
  • NA is the numerical aperture of the focusing optical elements 3 ′ of the array arrangement 3 and ⁇ is the deflection of the reflecting surface from the nominal distance from the array arrangement 3.
  • the measurement sensitivity can be achieved by increasing the numerical apertures and / or reducing the focal length of the focusing optical elements 3 'and also by increasing the focal length F of the collimating optical element.
  • optical fiber 1 from which light from a light source is coupled out and via which collimating ones.
  • optical element 2 and array arrangement 3 formed imaging optics onto the reflecting surface 4 and to couple back-reflected light from there into this optical fiber.
  • Such an optical fiber is connected to a fiber splitter / light coupler, so that back-reflected light can strike the optical detector.
  • FIG. 2 also shows an example in schematic form, in which an optical fiber 1, as a step index multimode fiber with a core diameter of 0.1 mm and a numerical aperture of 0.25 has been used.
  • the light radiation decoupled from this optical fiber 1 reaches divergent that of the plano-convex lens forming a collimating optical element 2, the convex surface of which is aspherically curved.
  • the plano-convex lens is a commercially available aspherical lens called GELTECH 350240.
  • the array arrangement 3 is formed from cylindrical lenses, as focusing optical elements 3 'with a distance of 0.15 mm between their optical axes in each case and with a focal length of 0.2 mm.
  • the individual cylindrical lenses have a numerical aperture of 0.35.
  • the convexly curved surfaces of the cylindrical lenses, as focusing optical elements 3 ′, are oriented in the direction of the reflecting surface 4. Their curvature is also aspherical with a conical constant of - 2.3.
  • Light reflected by the reflecting surface 4 passes this imaging optics in the opposite direction. In this way, reflected light can be coupled into the decentric optical fiber 5, which is arranged at a distance of 0.2 mm from the optical fiber 1 and has a core diameter of 0.2 mm with a numerical aperture of 0.37.
  • the intensity of the respective deflection / the respective distance of the reflecting surface 4 from a target distance of 0.2 mm is shown in the form of a diagram in FIG.
  • FIG. 4 shows a possible embodiment in which two optical fibers 1 and 5 are decentered about the optical axis of the collimating optical element 2. It can thereby be achieved that if the reflecting surface 4 is at a predefinable desired distance, either a tilting of the reflecting surface 4 or by a decentering of the optical fiber 5, from which light for the irradiation of the reflecting surface 4 is coupled out in relation an increased proportion of light reflected by the reflecting surface 4 can be coupled into the optical fiber 5 on the optical axis of the collimating optical element. A change in the distance of the reflecting surface also brings about a reduction in the intensity coupled into the optical fiber 5 and detectable with the optical detector.
  • openings 7 and 7 ' are formed between focusing optical elements 3', which are part of an array arrangement 3 here.
  • the focusing optical elements 3 ' can also be arranged at intervals from one another, so that free spaces remain between them.
  • a beam-shaping optical element 6 is additionally present between the collimating optical element 2 and the focusing optical elements 3 ', that is to say here the array arrangement 3.
  • one or more diffractive or refractive optical elements can also be used.
  • a telescopic array arrangement is used.
  • FIG. 6 The spatial perspective representation of FIG. 6 clearly shows that the beam-shaping optical element 6 is designed to be square convex on two diametrically opposite surfaces and complementary concave surface regions 6a and 6b on the opposite side, each of which is separated from one another by meniscuses.
  • the side of the beam-shaping optical element 6 is arranged with the convexly curved surfaces 6a pointing in the direction of the collimating optical element 2 and with the concave curved surface regions 6b in the direction of the focusing optical elements 3 '.
  • the arched surface areas can be arranged and dimensioned such that only focusing optical elements 3 'are irradiated and areas in which openings 7, 7' are arranged are not irradiated.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Abstandsmessung einer reflektierenden Oberfläche, die insbesondere für die Bestimmung geringer Abstandsveränderungen, wie sie häufig bei schwingenden Systemen vorkommen, eingesetzt werden kann. Eine solche Anordnung kann auch als optisches Mikrofon oder Hydrophon eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Anordnung ist dabei so aufgebaut, dass Licht einer Lichtquelle über eine erste Lichtleitfaser auf eine reflektierende Oberfläche (4) gerichtet und von dort reflektiertes Licht über die erste Lichtleitfaser oder mindestens eine weitere Lichtleitfaser auf mindestens einen statisch angeordneten optischen Detektor gerichtet ist. Zwischen der reflektierenden Oberfläche und der einen oder mehreren Lichtleitfasern ist ein in Richtung auf die reflektierende Oberfläche kollimierendes optisches Element (2) angeordnet. Des Weiteren sind mindestens zwei in Richtung auf die reflektierende Oberfläche fokussierende optische Elemente (32), deren optische Achsen parallel zur optischen Achse des kollimierenden optischen Elementes ausgerichtet sind und in konstanten Abständen zueinander angeordnet sind, oberhalb der reflektierenden Oberfläche angeordnet.

Description

Anordnung zur optischen AbStandsbestimmung einer reflektierenden Oberfläche
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Abstandsbestimmung einer reflektierenden Oberfläche, die insbesondere für die Bestimmung geringer Abstandsveränderungen, wie sie häufig bei schwingenden Systemen vorkommen, vorteilhaft einsetzbar ist. Sie kann als optisches Mikrofon oder Hydrophon eingesetzt werden.
Hierzu sind verschiedene Messprinzipien bekannt, bei denen sich der Einkoppelgrad zwischen zwei Lichtleitfasern, die Phasenmodulation oder die Polarisation von Licht in veränderter Form auswerten lässt, bekannt .
Aus US 3,940,608 sowie US 5,073,027 sind Lösungen bekannt, bei denen Licht einer Lichtquelle über mindes- tens eine Lichtleitfaser auf eine reflektierende Oberfläche gerichtet wird und von dieser reflektierenden Oberfläche rückreflektiertes Licht über ebenfalls die eine oder eine weitere Lichtleitfaser auf einen optischen Detektor gerichtet und die jeweilige Intensität des detektierten Lichtes, als Maß für den jeweiligen Abstand der reflektierenden Oberfläche genutzt wird.
Bei diesen bekannten Lösungen wird aber das jeweils auf die reflektierende Oberfläche gerichtete Licht mittels optischer Elemente in diese Richtung fokus- siert, so dass in Abhängigkeit des jeweiligen Abstan- des der reflektierenden Oberfläche ein mehr oder we- niger großer Lichtfleck zu verzeichnen ist und dieser im günstigsten Fall vollständig auf dem optischen Detektor abgebildet werden kann.
Bei sich verändernden Abständen der jeweiligen re- flektierenden Oberfläche verändert sich entsprechend die Größe der Abbildung, wodurch im Zusammenspiel der Vignettierung an der Apertur der Lichtleitfaser für das rückreflektierte Licht eine entsprechende Änderung der mit dem optischen Detektor erfassbaren Lichtintensität ergibt, die als Messsignalwert proportional zum jeweiligen Abstand oder einer aufgetretenen Abstandsänderung ausgewertet werden kann.
So ist insbesondere in US 5,073,027 eine Lösung be- schrieben, bei der lediglich eine Lichtleitfaser für die Bestrahlung der jeweiligen reflektierenden Oberfläche und die Führung von von dort reflektiertem Licht zu einem optischen Detektor eingesetzt wird.
Dabei soll mit der dort beschriebenen Lehre eine Möglichkeit geschaffen werden, in dem durch Variation von Abständen zwischen der Stirnfläche der Lichtleitfaser, aus der Licht aus- und reflektiertes Licht eingekoppelt wird und fokussierenden optischen Elementen eine Anpassung auf unterschiedliche Abstands- messbereiche mit jeweils erhöhter Messempfindlichkeit erreicht werden soll .
Bei der in US 3,940,608 beschriebenen Lösung werden mehrere Lichtleitfasern für die Bestrahlung der re- flektierenden Fläche und auch für auf einen oder mehrere Detektor (en) zu richtende reflektierte Strahlung eingesetzt, wobei sowohl für die Bestrahlung, wie auch für das reflektierte Licht gleiche optische Elemente zwischengeschaltet sind.
Durch Auswahl des jeweiligen Abbildungsmaßstabes besteht so die Möglichkeit Einfluss auf die Steilheit der durch auftretende Abstandsänderungen erfassbaren Lichtintensitäten mit optischen Detektoren in be- stimmten Grenzen vornehmen zu können.
Dabei gilt, dass die Steilheit bei sich entsprechend verändernden Lichtintensitäten umso größer wird, je kleiner der jeweilige Abbildungsmaßstab gewählt wor- den ist.
Dabei ist aber die Divergenz der Lichtstrahlung, die auf die reflektierende Oberfläche gerichtet ist, ein wesentliches Maß, mit dem die erreichbare Steilheit, der sich verändernden LichtIntensität begrenzt wird.
Da sich die Strahldivergenz im Objekt- bzw. Bildraum und die Objekt- bzw. Bildgröße bei abbildenden Optiken gegenläufig ändern, kann aber der Abbildungsmaß- stab von entsprechenden Optiken nicht beliebig reduziert werden, da die Lichtstrahldivergenz im Bildraum dann zu hohe Werte annehmen würde.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine optische Anordnung zur Verfügung zu stellen, mit der Abstände zu reflektierenden Oberflächen mit erhöhter Messempfindlichkeit bestimmt und/oder bereits kleine Abstandsveränderungen mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur optischen Abstandsbestimmung von reflektierenden Oberflächen verwendet ebenfalls zumindest eine Lichtleitfaser, über die Licht einer Lichtquelle auf eine reflektierende
Oberfläche gerichtet und dementsprechend von dieser Oberfläche reflektiertes Licht über diese oder mindestens eine weitere Lichtleitfaser auf mindestens einen optischen Detektor abgebildet werden kann. Mit dem optischen Detektor wird analog zu den Lösungen aus dem Stand der Technik, die sich in Abhängigkeit von ändernden Abständen verändernde messbare Lichtintensität, als Maß für den jeweiligen Abstand benutzt.
Erfindungsgemäß wird das divergente Licht, das aus der ersten Lichtleitfaser austritt mittels eines kollimierenden optischen Elementes als parallele Lichtstrahlen in Richtung auf die jeweilige reflektierende Oberfläche gerichtet, wobei zwischen kollimierende optischen Element und der reflektierenden Oberfläche mindestens zwei in Richtung auf die reflektierende Oberfläche fokussierende optische Elemente, deren optische Achsen parallel zur optischen Achse des kollimierenden optischen Elementes ausgerichtet sind, angeordnet sind. Diese mindestens zwei fokussierenden optischen Elemente weisen dabei einen konstanten Abstand zueinander auf, so dass die Abstände ihrer optischen Achsen auch bei einer höheren Anzahl von fokussierenden optischen Elementen ebenfalls konstant gehalten sind.
So ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn mehrere solcher fokussierenden optischen Elemente vorhanden sind, die zumindest entlang einer Achse eine Reihenanordnung bilden bzw. zur Erhöhung der Messempfind- lichkeit mehrere Reihen solcher fokussierenden Elemente eine Arrayanordnung bilden. Dabei sollten die optischen Achsen und dementsprechend auch alle fokussierenden optischen Elemente äquidistant zueinander angeordnet sein.
Bevorzugt ist es außerdem, diese fokussierenden optischen Elemente bezüglich ihrer optischen Eigenschaften, was insbesondere auf ihre Brennweite zutrifft, gleich zu gestalten.
Die fokussierenden optischen Elemente sollten unter Berücksichtigung ihrer jeweiligen Brennweite in einem optimierten Abstand zur jeweiligen reflektierenden Oberfläche angeordnet sein, so dass sich bereits ge- ringe Abstandsänderungen in sich signifikant verändernden gemessenen Lichtintensitäten am optischen Detektor widerspiegeln können.
So kann ein mittlerer Abstand zwischen fokussierenden optischen Elementen und reflektierender Oberfläche so gewählt sein, dass dieser mit der jeweiligen Brenn- punktebene der fokussierenden optischen Elemente ü- bereinstimmt .
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung sollte aber auch der Abstand zwischen der Ebene, in der die fokussierenden optischen Elemente angeordnet sind und dem kollimierenden optischen Element konstant gehalten sein.
Vorteilhaft wirkt es sich aus, wenn die jeweiligen konvexen Oberflächen der fokussierenden optischen Elemente, die bevorzugt als Zylinderlinsen ausgebildet sein können, asphärisch gekrümmt sind. Eine solche asphärische Krümmung der konvexen Oberfläche des kollimierenden optischen Elementes ist ebenfalls vorteilhaft. Das kollimierende optische Element kann als plankonvexe Linse ausgebildet sein, wobei die konvex gekrümmte Oberfläche in Richtung auf die reflektierende Oberfläche, deren Abstand zu bestimmen ist, weist.
Es besteht die Möglichkeit Licht mittels einer einzigen Lichtleitfaser auf die reflektierende Oberfläche zu richten und von dort reflektiertes Licht über die- se eine Lichtleitfaser auf mindestens einen optischen Detektor zu richten. Hierfür ist ein geeigneter Koppler zur Lichtquelle und zum Detektor einzusetzen.
Ist die reflektierende Oberfläche in einem Soll- bzw. Bezugsabstand angeordnet, bei der sie in der Brennpunktebene der reflektierenden optischen Elemente angeordnet ist, erfolgt eine vollständige Abbildung des aus der Lichtleitfaser auf die reflektierende Fläche gerichteten und von dort reflektierten Lichtes in diese Lichtleitfaser und es kann eine maximale Intensität detektiert werden. Vergrößert oder verringert sich der Abstand der reflektierenden Oberfläche erfolgt keine vollständige Abbildung und die über die Lichtleitfaser den optischen Detektor erreichende Intensität ist entsprechend reduziert, so dass die er- fassbare Lichtintensitätsreduzierung ein Maß für den veränderten Abstand ist.
Wird in der Nähe der bezeichneten einen Lichtleitfaser mindestens eine weitere Lichtleitfaser angeord- net, die von der reflektierenden Oberfläche Licht auf einen weiteren optischen Detektor richten kann, erhöht sich die mit diesem optischen Detektor erfassbare Lichtintensität bei sich veränderndem Abstand, sobald die reflektierende Oberfläche außerhalb der Brennpunktebene der reflektierenden optischen Elemente angeordnet, also bewegt worden ist. Gleichzeitig reduziert sich die Lichtintensität, die mit der anderen Lichtleitfaser über den optischen Koppler/Faserverzweiger auf den entsprechenden -optischen Detektor gerichtet wird.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können auch mindestens zwei Lichtleitfasern eingesetzt werden, die außerhalb (neben) der optischen Achse zumindest des kollimierenden optischen Elementes angeordnet sind. Hierbei kann auf einen optischen Koppler/Faserverzweiger an Lichtleitfasern verzichtet werden. Dabei wird durch eine Lichtleitfaser lediglich Licht auf die reflektierende Oberfläche gerich- tet und von dort reflektiertes Licht über die erwähnten optischen Elemente in die eine oder weitere zusätzliche Lichtleitfaser (n) eingekoppelt und mittels optischer Detektoren die jeweilige sich abstandsab- hängig verändernde Lichtintensität erfasst.
Insbesondere in diesem Fall sollten Zylinderlinsen als reflektierende optische Elemente eingesetzt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können die Stirn- flächen von Lichtleitfasern orthogonal zur optischen Achse des jeweiligen kollimierenden optischen Elementes ausgerichtet sein, was sowohl für die mindestens eine Lichtleitfaser für die Bestrahlung der reflektierenden Oberfläche, wie auch für von dieser Ober- fläche reflektiertes Licht zutreffen kann.
Neben der Möglichkeit, dass Lichtleitfasern zumindest in einem Bereich, indem Licht aus diesen aus- und eingekoppelt wird, parallel zur optischen Achse des kollimierenden optischen Elementes ausgerichtet sind, besteht die Möglichkeit diese Lichtleitfasern in Bezug zur optischen Achse des kollimierenden optischen Elementes in einem schräg geneigten Winkel auszurichten, wobei die Neigungswinkel im Bereich zwischen 2° und 8° liegen können. So kann beispielsweise eine Anpassung insbesondere mindestens einer Lichtleitfaser für reflektiertes Licht an die Strahlformung, die mittels der fokussierenden optischen Elemente erreichbar ist, vorgenommen werden, so dass eine ortho- gonale Ausrichtung der Stirnfläche zur Einkopplung von reflektiertem Licht zur Krümmungsebene der fokussierenden Elemente erreichbar ist.
Es besteht aber auch eine versetzte Anordnungsmög- lichkeit der eingesetzten Lichtleitfasern für die Bestrahlung der reflektierenden Oberfläche und/oder für von dort reflektiertes Licht in Bezug zur optischen Achse des kollimierenden optischen Elementes.
In einer Weiterbildungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist auf einer Lichtleitfaser für die Bestrah- lung der reflektierenden Oberfläche an der Stirnfläche, an der dieses Licht ausgekoppelt wird, ein Transmissionsgitter ausgebildet.
In dieser Form besteht die Möglichkeit eine Bestrahlung der reflektierenden Oberfläche in Bezug zur jeweiligen Anordnung von fokussierenden Elementen lokal gezielt zu beeinflussen.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können als Lichtquellen an sich bekannte LED's, andere inkohärente Lichtquellen oder Laserdioden eingesetzt werden, wobei in der Regel auf eine Polarisation oder eine optische Filterung verzichtet werden kann.
Wie bereits eingangs angedeutet, kann die erfindungs- gemäße Anordnung an schwingenden Systemen günstig eingesetzt werden. So besteht die Möglichkeit die reflektierende Oberfläche als Teil einer Membran auszu- bilden oder auf einer solchen Membran fixiert anzuordnen, so dass schwingungsbedingt auftretende Abstandsänderungen beim Schwingen einer solchen Membran detektiert werden können.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird also, im Gegensatz zu den bekannten Lösungen des Standes der Technik, die Abbildungsoptik aus einem kollimierenden optischen Element und einer Mehrzahl fokussierender optischer Elemente, wobei letztere in Form einer Ar- rayanordnung eingesetzt werden sollten, gebildet.
Dadurch ergeben sich weitere Möglichkeiten zur Erhöhung der Messempfindlichkeit. So kann dies durch eine Vergrößerung der numerischen Aperturen der einzelnen eingesetzten fokussierenden Elemente und auch durch entsprechende Reduzierung der Brennweite dieser fo- kussierenden Elemente beeinflusst werden. Beide bezeichneten Parameter können aber unabhängig voneinander einen entsprechenden positiven Einfluss erwirken. Insbesondere durch die Aufteilung der Lichtstrahlung, mit der die reflektierende Oberfläche beaufschlagt wird, durch die Mehrzahl fokussierender optischer E- lemente, kann bei kleinen Abständen der optischen Achsen dieser fokussierenden optischen Elemente (kleine Arraypitches) die Brennweite der fokussieren- den optischen Elemente sehr deutlich reduziert werden, ohne dass sich die Divergenz im Bildraum vergrößert, was insbesondere auf den rückreflektierten Lichtanteil zutrifft.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1 in schematischer Form ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung mit zwei Lichtleitfasern;
Figur 2 eine Anordnung von zwei Lichtleitfasern an einem Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung;
Figur 3 ein Diagramm von in Abhängigkeit eines sich verändernden Abstandes einer reflektierenden Oberfläche verändernder Koppeleffizienz;
Figur 4 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anord- nung mit zwei symmetrisch um eine optische
Achse dezentrierten Lichtleitfasern; Figur 5 ein weiteres Beispiel mit einem zusätzlichen strahlformenden optischen Element und
Figur 6 eine räumliche Darstellung des bei Beispiel nach Figur 5 zusätzlich eingesetzten strahlformenden optischen Elementes.
In Figur 1 ist in schematischer Form ein Beispiel ei- ner erfindungsgemäßen Anordnung gezeigt.
Dabei wird Licht einer nicht dargestellten Lichtquelle über eine Lichtleitfaser 1 ausgekoppelt und in divergenter Form auf ein kollimierendes optisches Ele- ment 2 gerichtet. Die parallele Lichtstrahlung trifft dann auf eine Arrayanordnung 3, die aus äquidistant zueinander angeordneten fokussierenden optischen Elementen 3' gebildet ist. Dabei wird die Lichtstrahlung von jedem der fokussierenden optischen Elemente 3' in Richtung auf eine reflektierende Oberfläche 4, die
Bestandteil einer weiter nicht dargestellten Membran oder auf einer solchen Membran fixiert angeordnet ist, gerichtet.
Dabei sind die fokussierenden optischen Elemente 3' so ausgebildet und in einem Abstand zur reflektierenden Oberfläche 4 angeordnet, die zumindest in der Nähe ihrer Brennweite f liegt.
Infolge von jeweiligen Reflexionen werden die einzelnen Abbildungen in die Stirnfläche der Lichtleitfaser 5 eingekoppelt und auf einem mit dieser Lichtleitfaser 5 verbundenen optischen Detektor (nicht dargestellt) gerichtet, wenn die reflektierende Oberfläche 4 außerhalb der Brennpunktebene der optischen Elemente 3' angeordnet ist. Ist die reflektierende Oberflä- ehe 4 in der Brennpunktebene der optischen Elemente 3' angeordnet, erfolgt eine Reflexion des gesamten Lichtes von der reflektierenden Oberfläche 4 zurück in die Lichtleitfaser 1.
Mit diesem optischen Detektor wird die Lichtintensität des reflektierten und in die Lichtleitfaser 5 eingekoppelten Lichtes erfasst und kann für eine Bestimmung des jeweiligen Abstandes der reflektierenden Fläche 4 oder gegebenenfalls auftretenden Abstandsänderungen genutzt werden.
Einflussgrößen sind dabei die Brennweite F des kollimierenden optischen Elementes 2, der Abstand D zwi- sehen kollimierendem optischen Element 2 und der Ar- rayanordnung 3 von fokussierenden optischen Elementen 3', deren Brennweite f, die kleiner als die Brennweite F des kollimierenden optischen Elementes 2 ist.
Für den Fall, dass der Abstand zwischen der Arrayan- ordnung 3 und der reflektierenden Oberfläche 4 der Brennweite f der fokussierenden optischen Elemente 3' und Abstand der Lichtleitfaser 1 zum kollimierenden optischen Element 2, der Brennweite F des optischen Elements 2 entspricht, kann der Kern der Lichtleitfaser 1 im Maßstab 1:1 aufrecht auf sich selbst abgebildet werden.
Ändert sich jedoch der Abstand der reflektierenden Oberfläche 4, so erfolgt die Abbildung je nach der - sich jeweils ergebenden Änderung des Abstands mehr oder weniger defokussiert , so dass nur ein Teil des Lichtes wieder in die Lichtleitfaser 1 zurück und ein anderer Teil des Lichtes in die Lichtleitfaser 5 ein- gekoppelt und mit dem optischen Detektor detektiert werden kann. Für einen besonderen Fall, nämlich, wenn der Abstand D = F + f gilt, wird der Streukreisradius R einer solchen Anordnung für ein punktförmiges Objekt in pa- raxialer Näherung folgendermaßen beschrieben:
R = 2 * — • NA » δ f
Dabei sind NA die numerische Apertur der fokussierenden optischen Elemente 3' der Arrayanordnung 3 und δ die Auslenkung der reflektierenden Fläche aus der Nominalentfernung von der Arrayanordnung 3.
Die Messempfindlichkeit kann dabei durch eine Vergrößerung der numerischen Aperturen und/oder Reduzierung der Brennweite der fokussierenden optischen Elemente 3' sowie auch durch die Vergrößerung der Brennweite F des kollimierenden optischen Elementes erreicht werden.
Im Gegensatz zur Darstellung von Figur 1 besteht aber auch die Möglichkeit lediglich eine Lichtleitfaser 1 einzusetzen, aus der Licht einer Lichtquelle ausgekoppelt und über die aus kollimierenden. optischen E- lement 2 und Arrayanordnung 3 gebildete Abbildungsop- tik auf die reflektierende Oberfläche 4 zu richten und von dort rückreflektiertes Licht in diese Lichtleitfaser einzukoppeln. Dabei ist eine solche Lichtleitfaser an einen Faserverzweiger/Lichtkoppler angeschlossen, so dass rückreflektiertes Licht auf den optischen Detektor auftreffen kann.
In Figur 2 ist ein Beispiel ebenfalls in schemati- scher Form gezeigt, bei dem eine Lichtleitfaser 1, als Stufenindex-Multimodefaser mit einem Kerndurch- messer von 0,1 mm und einer numerischen Apertur von 0,25 eingesetzt worden ist.
Die aus dieser Lichtleitfaser 1 ausgekoppelte Lichtstrahlung erreicht divergent, die das eine kollimie- rende optische Element 2 bildende plankonvexe Linse, deren konvexe Oberfläche asphärisch gekrümmt ist. Die plankonvexe Linse ist eine kommerziell erhältliche asphärische Linse mit der Bezeichnung GELTECH 350240.
Die Arrayanordnung 3 wird aus Zylinderlinsen, als fo- kussierende optische Elemente 3' mit einem Abstand von 0,15 mm ihrer optischen Achsen jeweils zueinander und mit einer Brennweite von 0,2 mm ausgebildet. Die einzelnen Zylinderlinsen weisen eine numerische Aper- tur von 0,35 auf. Dabei sind die konvex gekrümmten Flächen der Zylinderlinsen, als fokussierende optische Elemente 3' bei diesem Beispiel in Richtung auf die reflektierende Oberfläche 4 ausgerichtet. Ihre Krümmung ist ebenfalls asphärisch mit einer konischen Konstante von - 2,3 ausgebildet.
Von der reflektierenden Oberfläche 4 reflektiertes Licht passiert diese Abbildungsoptik in umgekehrter Richtung. So kann reflektiertes Licht in die de- zentrische Lichtleitfaser 5, die in einem Abstand von 0,2 mm zur Lichtleitfaser 1 angeordnet ist, und einen Kerndurchmesser von 0,2 mm mit einer numerischen A- pertur von 0,37 aufweist, eingekoppelt werden.
Ändert sich der Abstand der reflektierenden Oberfläche 4, so wird in Abhängigkeit der jeweilig auftretenden Abstandsanderung mehr oder weniger Licht in die Lichtleitfaser 5 eingekoppelt.
Eine durch StrahlVerfolgung bestimmte Abhängigkeit der in die Lichtleitfaser 5 eingekoppelten Lichtin- tensität von der jeweiligen Auslenkung/dem jeweiligen Abstand der reflektierenden Oberfläche 4 aus einem Sollabstand von 0,2 mm ist in Form eines Diagramms in Figur 3 dargestellt.
In diesem Diagramm ist erkennbar, dass in einem linearen Arbeitsbereich, ausgehend von ca. 5 bis 10 μm eine erheblich erhöhte Steilheit der sich verändernden Lichtintensität infolge der erreichbaren Koppel- effizienz durch die erfindungsgemäß eingesetzte Abbildungsoptik zu verzeichnen ist, was sich in einer erhöhten Messempfindlichkeit widerspiegelt.
Mit Figur 4 soll eine mögliche Ausführungsform, bei der zwei Lichtleitfasern 1 und 5 um die optische Achse des kollimierenden optischen Elementes 2 dezentriert sind, gezeigt werden. Dadurch kann erreicht werden, dass falls sich die reflektierende Oberfläche 4 in einem vorgebbaren Sollabstand befindet, entweder eine Verkippung der reflektierenden Oberfläche 4 oder durch eine Dezentrierung der Lichtleitfaser 5, aus der Licht für die Bestrahlung der reflektierenden O- berfläche 4 ausgekoppelt wird, in Bezug zur optischen Achse des kollimierenden optischen Elementes ein er- höhter Anteil an von der reflektierenden Oberfläche 4 reflektiertem Licht in die Lichtleitfaser 5 eingekoppelt werden kann. So bewirkt auch eine Abstandsänderung der reflektierenden Oberfläche eine Reduzierung der in die Lichtleitfaser 5 eingekoppelten und mit dem optischen Detektor detektierbaren Intensität.
Bei dem in Figur 5 gezeigten Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung sind zwischen fokussierenden optischen Elementen 3', die hier Bestandteil einer Array-Anordnung 3 sind, Durchbrechungen 7 bzw. 7' ausgebildet. In nicht dargestellter Form können die fokussierenden optischen Elemente 3' auch mit Abständen zueinander angeordnet sein, so dass zwischen ihnen Freiräume verbleiben.
Mit einer solchen Ausbildung einer erfindungsgemäßen Anordnung kann eine deutliche Verbesserung des Frequenzganges erreicht werden, da so ein Druckausgleich bei Abstandsänderungen der reflektierenden Oberfläche 4 erreichbar ist. Insbesondere da die Abstände zwi- sehen reflektierender Oberfläche 4 und den fokussierenden optischen Elementen 3' , insbesondere bei einer Array-Anordnung 3 gering sind, kann sich das dazwischen vorhandene Luftpolster dämpfend auswirken. Mittels der Durchbrechungen 7, 7' oder entsprechenden Freiräumen kann dieser Nachteil behoben werden.
Bei dem in Figur 5 gezeigten Beispiel ist zusätzlich ein strahlformendes optisches Element 6 zwischen dem kollimierenden optischen Element 2 und den fokussie- renden optischen Elementen 3', also hier der Array- Anordnung 3 vorhanden.
Mit diesem strahlformenden optischen Element 6 können Lichtverluste kompensiert werden, da so lediglich Be- reiche der Array-Anordnung 3, auf denen fokussierende optische Elemente 3' angeordnet sind, beleuchtet werden und eine gezielte Lichtstrahlführung auf diese Bereiche erfolgt und dementsprechend Bereiche mit Durchbrechungen 7, 7' nicht beleuchtet werden.
Neben dem im Beispiel nach den Figuren 5 und 6 gezeigten strahlformenden Element 6 können auch ein o- der auch mehrere diffraktive oder refraktive optische Elemente eingesetzt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit (nicht dargestellt) strahlformende Elemente in das kollimierende optische Element 2 zu in- tegrieren, so dass auf das zusätzliche Element 6 verzichtet werden könnte .
Beim gezeigten Beispiel wird eine Teleskop-Array- Anordnung eingesetzt.
Mit der räumlichen perspektivischen Darstellung von Figur 6 wird deutlich, dass das strahlformende optische Element 6 an zwei sich diametral gegenüberlie- genden Oberflächen quadratische konvex und auf der gegenüberliegenden Seite konkav gewölbte Oberflächenbereiche 6a und 6b komplementär ausgebildet sind, die jeweils durch Menisken voneinander getrennt sind.
So ist die Seite des strahlformenden optischen Elementes 6 mit den konvex gewölbten Oberflächen 6a in Richtung auf das kollimierende optische Element 2 weisend und mit den konkav gewölbten Oberflächenbereichen 6b in Richtung auf die fokussierenden opti- sehen Elemente 3' weisend angeordnet.
Dabei können die gewölbten Oberflächenbereiche so angeordnet und dimensioniert werden, dass lediglich fo- kussierende optische Elemente 3' bestrahlt und Berei- ehe, in denen Durchbrechungen 7, 7' angeordnet sind, nicht bestrahlt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur optischen Abstandsbestimmung einer reflektierenden Oberfläche, auf die Licht einer Lichtquelle über eine erste Lichtleitfaser gerichtet ist und von der reflektiertes Licht über die erste Lichtleitfaser oder mindestens eine weitere Lichtleitfaser auf mindestens einen statisch angeordneten optischen Detektor gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht auf die reflektierende Oberfläche (4) und von der reflektierenden Oberfläche (4) über mindestens ein in Richtung auf die reflektierende Oberfläche
(4) kollimierendes optisches Element (2) und mindestens zwei in Richtung auf die reflektierende Oberfläche (4) fokussierende optische Elemente (3')/ deren optische Achsen parallel zur optischen Achse des kollimierenden optischen E- lementes (2) ausgerichtet und in vorgegebenen Abständen zueinander angeordnet sind, verläuft.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere fokussie- rende optische Elemente (3') entlang einer Achse eine Reihen- oder in mehreren Reihen eine Arrayanordnung bilden.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierenden optischen Elemente (3') äquidistant zueinander angeordnet sind.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierenden optischen Elemente (3') in konstantem Ab- stand zum kollimierenden optischen Element (2) angeordnet sind.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussie- renden optischen Elemente (3'), als Zylinderlinsen ausgebildet sind.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexen Oberflächen der fokussierenden optischen Elemen- te (3') asphärisch gekrümmt sind.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das kollimierende optische Element (2) eine plankonvexe optische Linse ist.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe Oberfläche des kollimierenden optischen Elementes (2) asphärisch gekrümmt ist.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche der mindestens einen weiteren Lichtleitfaser (5) in die reflektiertes Licht einkoppelbar ist, unmittelbar neben der Stirnfläche der ersten Lichtleitfaser (1) , aus der Licht der Lichtquel- le austritt, angeordnet ist.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anordnung, bei der Licht aus einer Stirnfläche einer ersten Lichtleitfaser (1) auf die reflektie- rende Oberfläche (4) gerichtet und von dort reflektiertes Licht in die Stirnfläche dieser Lichtleitfaser (1) einkoppelbar ist, ein Faser- verzweiger/Rückkoppler für Licht der Lichtquelle und für reflektiertes Licht zum optischen Detektor vorhanden ist.
11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche (n) der ersten Lichtleitfaser und/oder der mindestens einen weiteren Lichtleitfaser (5) orthogonal zur optischen Achse des kollimierenden optischen Elementes (2) ausgerichtet ist/sind.
12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lichtleitfaser (1) und/oder die mindestens eine weitere Lichtleitfaser (5) jeweils in einem schräg geneigten Winkel in Bezug zur optischen Achse des kollimierenden optischen Elementes (2) ausgerichtet ist/sind.
13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Lichtleitfaser (1) und/oder die mindestens eine weitere Lichtleitfaser (5) versetzt zur optischen Achse des kollimierenden optischen Elementes (2) angeordnet ist/sind.
14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Stirn- fläche der ersten Lichtleitfaser (1) ein Transmissionsgitter ausgebildet ist.
15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine LED oder eine Laserdiode ist.
16. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektie- rende Oberfläche (4) ein Teil einer Membran oder auf einer Membran angeordnet ist.
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen fokussieren- den optischen Elementen (3') Freiräume vorhanden oder Durchbrechungen (7, 7') ausgebildet sind.
18. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen kollimieren- dem optischen Element (2) und fokussierenden op- tischen Elementen (3') mindestens ein weiteres strahlformendes optisches Element (6) angeordnet ist oder strahlformende Elemente in das kollie- mierende optische Element (2) integriert sind.
19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlformende optische Element (6) eine Teleskop-Array- Anordnung ist.
20. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das/die strahlfor- mende optische Element (e) (6) diffraktive oder refraktive optische Elemente ist/sind.
21. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung ein optisches Mikrofon bildet.
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