DE1772064C2 - Optisches Meßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Meßgerät mit einer Lichtquelle, welche über eine Frontlinsc und eine Meßstrecke einen Umkehrreflektor beleuchtet, der das auftreffende Licht in sich selbst zu einem photoelektrischen Empfänger reflektiert.

Es ist bekannt, bei der Ausleuchtung i-.nd Projektion

z. B. eines Spaltes die Lichtquelle, z. B. den Krater einer Bogenlampe, mittels einer Kondensorlinse durch den zu projizierenden Spalt hindurch auf ein Projektionsobjektiv abzubilden, während die Projektionsoptik gleichzeitig den Spalt in eine Projektionsebene abbildet.

Eintritts- und Austrittspupille ist bei diesem System das Kraterbild auf dem Projektionsobjektiv (Po hl »Optik und Atomphysik« 1954, S. 37, Bild 91). Bei einer anderen bekannten Anordnung (US-PS 23 93 631) wird ein gleichmäßig ausgeleuchteter Lichtfleck dadurch erzeugt, daß eine Kondensorlinse ebenfalls dicht hinter der Lichtquelle angeordnet ist und ein Bild der Lichtquelle auf einer Projektionslinse erzeugt. Die Projektionslinse erzeugt ein Bild der Kondensorlinsenapertur auf einem Reflektor in Gestalt eines Schwingspiegeis, dessen Abmessungen größer als der liündelquerschnitt sind. Es ist schließlich eine Anordnung bekannt (»]ournal of Paint Technology« 38. b32-b39), bei welcher eine Lichtquelle mittels einer Kondcnsorlinse. die eine Aperturblende aufweist, in der Ebene einer

⁽¹5 Feldlinse mit einer Feldblende abgebildet wird. Durch die Feldlinse wird die Aperturblende der Kondensorlinsc im Unendlichen abgebildet. Ein achromatisches Objektiv als Frontlinsc welches im Strahlengang hinter

der Feldünse sitzt, erzeugt ein Bild der besagten Aperturblende in seiner Brennebene.

Es ist weiterhin ein Zweistrahl-Meßgerät (DT-AS 12 27 688) bekannt, bei welchem von einer Lichtquelle ausgehend ein Meß- und ein Vergleichsstrahlenbündel gebildet und durch eine Lochscheibe mit zwei Lochkränzen unterschiedlich moduliert werden, sowohl Meß- als auch Vergleichsstrahlenbündel über je einen Umkehrreflektor geführt sind und Meß- und Vergleichsstrahlenbündel auf einen gemeinsamen Empfänger fallen, und bei welchem durch ein erstes Linsensystem mit e\n-;r bündelbegrenzenden Blende ein Bild der Lichtquelle im Bereich der Lochscheibe erzeugt wird und eine Frontlinse als Projektionsoptik vorgesehen ist. Bei diesem bekannten Gerät erfolgt in der Ebene des Reflektors, praktisch im Unendlichen, eine Abbildung der Lampenwendel mit deren gesamter Struktur. Dabei ist der Bündelquerschnitt geringer als die Abmessungen des Reflektors, damit von dem Umkehrreflektor einfach das gesamte vorlaufende Bündel in sich zurückgeworfen wird und eine geringfügige relative Verlagerung von Bündel und Reflektor daran nichts ändert. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß eine relative Verlagerung von Bündel und Reflektor im reflektierten Bündel selbst dann zu Intensitätsschwankungen führt, wenn der Bündelquerschnitt völlig innerhalb der Reflektorabmessungen verbleibt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein optisches Meßgerät der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß eine geringfügige relative Verlagerung von Bündel und Reflektor keine Änderung des. vom Reflektor zurückgeworfenen Lichtstromes mit sich bringt.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß ein geringere Abmessungen als der Lichtbündelquerschnitt aufweisender Umkehrreflektor in Kombination mit einem an sich bekannten, die Lichtquelle in die Frontlinse und die Apertur auf den Reflektor abbildenden optischen Strahlengang verwendet wird. Eine derartige Ausbildung hat nicht nur zur Folge, daß auf dem Reflektor ein gleichmäßig ausgeleuchteter Lichtfleck erscheint, sondern daß auch die durch Verwendung des Umkehrreflektors, z. B. eines Tripelspiegel, bedingten, trotz der gleichförmigen Beleuchtung noch vorhandenen Intensitätsschwankungen am photoelektrischen Empfänger beseitigt werden. Der Erfinder hat nämlich erknnnt, daß einerseits die bei Umkehrrel'lektoren vorhandenen, normalerweise jedoch nicht störenden Totzonen auch bei völlig gleichförmiger Beleuch tung noch Intensitätsschwankungen hervorrufen können, andererseits aber die seitliche Überstrahlung des Reflektors bei einem Umkehrreflektor im Gegensatz zu einem Planspiegel keine zusätzlichen Störeffekte bedingt. Die Verwendung des an sich bekannten Strahlenganges alleine würde also noch nicht zur Beseitigung der durch seitliche Verlagerung bedingten Intensitätsschwankungen führen, so daß beide Kombinationselemente zwingend erforderlich sind und auch nur für diese Kombination Schutz begehrt wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegen-Standes sind durch die Unteransprüchc gekennzeichnet.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung in schematischer Seilenansicht,

F i g. 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung in schematischer Draufsicht,

/irlau

F i g. 3 den grundsätzlichen Verlauf eines Strahlenganges nach dem Stande der Technik und

Fig.4 den grundsätzlichen Aufbau eines Strahienganges bei einen» optischen Meßgerät gemäß der Erfindung.

Der Unterschied der zu beschreibenden erfindungsgemäßen Anordnung gegenüber dem Stand der Technik wird am besten aus einer Gegenüberstellung von F i g. 3 und 4 erkennbar, wobei Fig. 3 eine Anordnung nach dem Stand der Technik, z. B. deutsche Auslegeschrift 12 27 688, und Fig.4 eine Anordnung nach der Erfindung zeigt.

Bei der Anordnung nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 3 wird die Lampenwendel y von einer Linse bei y' in der Ebene einer Lochscheibe abgebildet. Das Bild V liegt in der Brennebene der Frontlinse, und die letztere erzeugt ein Wendelbild Vim Unendlichen, wo praktisch der Reflektor angeordnet ist. Die Aperturblende A wird durch die Locher der Scheibe nach Art einer Lochkamera als Λ'auf die Frontlinse abgebildet. Nachteilig ist dabei, daß das Bündel im Unendlichen, das heißt in der Ebene des Reflektors, die Wendelsiruktur zeigt. Der Reflektor ist daher zur Erzielung einer gewissen Lageunabhängigkeit größer als der Bündelquerschnitt. Die Lagenunabhängigkeit ist dabei jedoch noch nicht befriedigend.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung nach F ι g. 4 wird die Wendel V durch die Linsen 14, 24 als V kurz vor der Lochscheibe abgebildet, die im Brennpunkt des Mikroobjektivs sitzt. Das Mikroobjektiv 28 bildet Vals V'auf die Frontlinse ab, während eine Aperturbiende A von Linse 24 und Mikroobjektiv 28 bei A 'und A 'von der Frontlinse 32 bei Λ "im Unendlichen in der Ebene des kleiner als der Bündelquerschniu ausgebildeten Reflektors 34 abgebildet wird

Nach Fig. 1 ist eine als Lichtquelle dienende Lampe 10 mit einer Wendel 12 versehen.

Von dem von der Wendel 12 ausgesandten Licht wird mittels einer ersten Kondensorlinse 14 ein paralleles Lichtbündel 16 erzeugt. Das Lichtbündel 16 wird durch eine Aperturblende A begrenzt. Hinter der Aperturblende A ist im Strahlengang ein unter 45" zur Bündelachse geneigter teildurchlässiger Spiegel 18 angeordnet. Der teildurchlässige Spiegel 18 teilt das Lichtbündel 16 in ein durchgehendes Meßstrahlenbündel 20 und ein reflektiertes Vergleichsstrahlenbündel 22. Im Strahlengang des Meßstrahlenbündels 20 sitzt eine zweite Kondensorlinse 24. Durch die von den Linsen 14 und 24 gebildete Kondensoroptik wird die Wendel \2(\) als y'abgebildet. In der Ebene des Wendelbildes y sitzt eine Feldblende 26. Die Feldblende 26 erfaßt nur den Kern der Wendel, so daß deren kältere Stellen nicht mitverwendet werden. Es ergibt sich somit eine gleichmäßige Auslcuchtung der Feldblende 26.

Das Wendelbild y' wird durch ein Mikroobjektiv 28, bestehend aus den Linsen 29 und 30. auf einer Fi ontlinse 32als.v"abgcbildet.

Die Aperturblende A wird durch die Kondensorlinse 24 und das Mikroobjektiv 28 in der Ebene A 'abgebildet. Die Ebene A wird durch die Frontlinse 32 als A"in der Ebene eines Unikehrreflektors 34 abgebildet, und /war so. daß die Abmessungen des Aperiurblendenbildes A wesentlich größer sind als die des I Imkehrreflektors 34.

Die Rückabbildung des Unikehrreflektors 54 erfolgt über die Linse 32. sowie eine Optik, bestehend aus den Linsen 36 und 38 als /4'"auf einem Photoelement 40. Der rücklaufcnde Strahlengang geh' dabei über einen unter 45° zur Bündclachse geneigten ieildurchlässigen

Spiegel 42 sowie einen Umkehrspiegel 44.

Das Vergleichsstrahlenbündel 22 wird durch einen Umlenkspiegel 46 nochmals um 90" umgelenkt, so daß es parallel zu dem Meßstrahlenbündel 20 läuft. Eine dritte Kondensorlinse 48 im Strahlengang des Vergleichsstrahlenbündels erzeugt ein Bild der Wendel in deF gleichen Ebene, in welcher im Strahlengang des Meßstrahlenbündels das Wendelbild /'erzeugt wird.

Unmittelbar hinter der Ebene der Wendelbilder liegt eine Lochscheibe 50, die von einem Motor 52 angetrieben wird und zwei konzentrische Lochreihen 54 und 56 aufweist. Im Bereich der einen Lochreihe verläuft der Strahlengang des Meßstrahlenbündels. Im Bereich der anderen der Strahlengang des Vergleichsstrahlenbündels. Durch die Lochreihen werden die beiden Strahlenbündel im wesentlichen sinusförmig moduliert, wobei die Modulation für die beiden Bündel unterschiedlich ist, so daß die entsprechenden Empfängersignale hinter dem Detektor 40 elektrisch wieder getrennt werden können.

Der Strahlengang des Vergleichsstrahlenbündels ist ähnlich wie der des Meßslrahlenbündels. Er enthält ebenfalls ein Mikroobjektiv 58 sowie an Stelle der Frontlinse 32 einen Hohlspiegel 60. Es ergibt sich ein Autokollimationsstrahlengang mit dem Hohlspiegel 60. Das rücklaufende Strahlenbündel wird über einen unter 45° zur Bündelachse geneigten teildurchlässigen Spiegel 62 umgelenkt und mittels eines weiteren in der Winkelhalbierenden der Bündelachsen liegenden tcildurchlässigen Spiegels 64 zwischen der Linse 36 und dem Umkehrspiegel 44 gleichachsig in den Strahlengang des Meßstrahlenbündels eingespiegelt. Auf diese Weise wird erreicht, daß Meß- und Vergleichsstrahlenbündel geometrisch in absolut gleicher Weise auf den Strahlungsempfänger 40 fallen. Eine Richtungsabhängigkeit der Empfängerempfindlichkeit spielt also bei dieser Anordnung keine Rolle. Ebenso wird bei der beschriebenen Anordnung der Einfluß einer Änderung der räumlichen Lichtverteilung der Lichtquelle 10 ausgeschaltet, da Meß- und Vergleichsstrahlenbündel von der Lichtquelle in genau der gleichen Richtung abgestrahlt werden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist eine Lichtquelle 66 mit einer Wendel 68 vorgesehen. Von dem von der Wendel 68 ausgesandten Licht wird mittels

einer Kondensorlinse 70 ein Lichtbündel ausgeblendet und parallelgerichtet. Dieses Lichtbündel fällt auf einen unter 45^r zur Bündelachsc geneigten teildurchlässigen Spiegel 72. Es entstehen dann zwei Teillichtbündel, nämlich das durchgelassene Lichtbündel 74 und das reflektierte Lichtbündel 76. Das reflektierte Lichtbündel 76 wird mittels eines Umlenkspiegels 78 um 90° umgelenkt. Das durchgelassene Lichtbündcl 74 wird mittels zweier Umlenkspiegel 80 und 82 zweimal um 90° umgelenkt, so daß schließlich beide Lichtbündel parallel zueinander verlaufen.

In den Strahlengängen der beiden Lichtbündcl sind Kondensorlinsen 84 und 86 angeordnet, welche ähnlich wie bei der Anordnung nach Fig.) Bilder der Wendel 68 dicht vor einer mit zwei Lochreihcn versehenen Lochscheibe 88 erzeugen, die von einem Motor 90 angetrieben wird. Die eine Lochreihe 92 gehl durch den Strahlengang des Lichtbündels 76. während die andere Lochreihe 94 durch den Strahlengang des Lichtbündels 74 geht. Auf diese Weise werden die beiden Lichtbündel auf unterschiedliche Weise moduliert. Durch zwei Mikroobjektive % und 98 ähnlich der. Objektiven 28 und 58 in Fig. 1 wird das Lichtquellenbild auf je eine Frontlinse 100 und 102 abgebildet. Ähnlich wie in F i g. 1 kann eine Aperturblende in den Ebenen je eines Umkehrreflektots 104 bzw. 106 im Strahlengang der beiden Strahlenbündel abgebildet werden, wobei das Aperturblendenbild wesentlich größer als die Abmessungen des Umkehrreflektors 104 bzw. 106 sind. Das rücklaufende Strahlenbündel wird jeweils über einen unter 45° zur Bündelachse geneigten teildurchiässigen Spiegel 108 bzw. 110 nach innen umgelenkt und fällt auf je eine Seite 112 bzw. 114 eines Dachkantcnspiegels, der beispielsweise von den verspiegelten äußeren Seiten eines Dachkantenprismas gebildet werden kann. Von diesen Spiegelseiten 112 bzw. 114 werden die beiden rücklaufenden Bündel ungefähr unter dem gleichen Winkel fast senkrecht auf einen Strahlungsempfänger 116 geworfen.

Die beschriebenen Anordnungen können in verschiedenen Geräten verwendet werden. Beispielsweise sind sie vorteilhaft anwendbar bei Rauchdichte-Meßgeräten Sichtweite-Meßgeräten und optischen Kranübcrwachungsgeräten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Π 72 064 Patentansprüche:

1. Optisches Meßgerät mit einer Lichtquelle, welche üb^r eine Frontlinse und eine Meßstrecke einen Umkehrreflektor beleuchtet, der das auftreffende Licht in sich selbst zu einem photoelektrischen Empfänger reflektiert, dadurch gekennzeichnet, daß ein geringere .Abmessungen als der Lichtbündelquerschnitt aufweisender Umkehrreflektor (34,104,106) in Kombination mit einem an sich bekannten, die Lichtquelle in die Frontlinse (32, 100, 102) und die Apertur (A) auf den Reflektor (34_; 104, 106) abbildenden optischen Strahlengang verwendet wird.

2. Optisches Meßgerät nach Anspruch 1, bei welchem ein lVieß- und ein Vergleichsstrahlenbündel von einer gemeinsamen Lichtquelle ausgehen, durch eine Lochscheibe unterschiedlich zerhackt und in Autokollimationsstrahlengängen über teildurchlässige Spiegel auf einem gemeinsamen Strahlungsempfänger gesammelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges von der Lichtquelle (y bzw. \2) ausgehendes Lichtbündel mittels eines zur Bündelachse geneigten teildurchlässigen Spiegeis (18, 72) in Meß- und Vergleichsstrahlenbündel aufgespalten wird und daß von dem kleiner als der Bündelquerschnitt dimensionierten Reflektor (34) reflektierte Meßstrahlenbündel und das Vergleichsstrahlenbündel wenigstens näherungsweise aus der gleichen Richtung auf den gemeinsamen Strahlungsempfänger (40,116) fallen.

3. Optisches Zweislrahl-Meßgerät nach Anspruch

2, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem kleiner als der Bündelquerschnitt dimensionierten Reflektor (34) reflektierte Meßstrahlenbündel und das Vergleichsstrahlenbündel mittels eines teildurchlässigen Spiegels (64) gleichachsig überlagert auf den Strahlungsempfänger (40) fallen.

4. Optisches Zweistrahl-Meßgerät nach Anspruch

3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle durch eine Kondensoroptik (14, 24) im Strahlengang des Meßstrahlenbündels auf eine Feldblende (26) abgebildet wird, welche nur die Strahlung von den gleichmäßig leuchtenden zentralen Teilen der Lichtquelle durchläßt, und daß die Lochscheibe (50) dicht hinter dieser Feldblende (26) angeordnet ist.

5. Optisches Zweistrahl-Meßgerät nach Anspruch

4, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des Meßstrahlenbündels die Feldblende (26) durch ein Mikroobjektiv (28) auf eine Frontlinse (32) abgebildet wird, daß die Kondensoroptik eine erste und eine zweite Linse (14 bzw. 24) enthält, zwischen denen ein paralleler Strahlengang besteht, in welchem eine Aperturblende (Aj und dahinter ein zur Bündelachse geneigter teildurchlässiger Spiegel (16) zur Aufspaltung des von der ersten Linse der Kollimatoroptik erfaßten Lichtbündels in durchgehendes Meß- und reflektiertes Vergleichsstrahlcnbündel angeordnet ist, und daß die Aperturblende (A) über eine Zwischenabbildung (A) durch die zweite Linse (24) der Kondensoroptik und das Mikroobjektiv (28) mittels der Frontlinsc (32) auf den als Umkehrrcflcktor (34) ausgebildeten kleiner als der Bündelquerschnitt dimensionierten Reflektor im Strahlengang des Meßstrahlenbündels abgebildet wird.

6. Optisches Zweistrahl-Meßgerät nach Anspruch

5, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des

von dem teildurchlässigen Spiegel (16) reflektierten Vergleichsstrahienbündels ein Umlenkspiegel (46) sowie eine dritte Kondensorlinse (48) angeordnet ist, durch welche ein Bild der Lichtquelle (12) in der gleichen Ebene wie im Strahlengang des Meßstrahlenbündels und im Bereich einer zweiten Lochreihe (56) der Lochscheibe (50) erzeugt wird, daß der Strahlengang des Vergleichsstrahienbündels ferner ein Mikroobjektiv (58), einen Hohlspiegel (60) und

ίο einen zur Bündelachse geneigten ieiidurchlässigen Spiegel (62) enthält, die einen Autokollimationsstrahlengang bilden, und daß durch einen weiteren in der Winkelhalbierenden der Bündelachsen sitzenden teildurchlässigen Spiegel (64) die von den teildurchlässigen Spiegeln (42, 62) in den Autokollimationsstrahlengängen das von dem kleiner als der Bündeiquerschnitt dimensionierten Reflektor (34) reflektierte Meßstrahlenbündel und das Vergleichsstrahlenbündel gleichachsig überlagert werden.

7. Optisches Zweistrahl-Meßgerät nach Anspruch

2, dadurch gekennzeichnet, daß der bündelaufspaltende teildurchlässige Spiegel (72) unter 45 /ui Bür.delachse geneigt isv daß das davon reflektierte Bündel einmal und das davon durchgelassene Bündel zweimal durch Umlenkspiegel (78 bzw. 80, 82) um jeweils 90° umgelenkt werden, so daß die Bündel zue^;nander parallel verlaufen, und daß die Bündel nach Reflexion an je einem als Umkehrreflektor (104, 106) ausgebildeten, kleiner als der Bündelquerschnitt dimensionierten Reflektor über zur Bündclachse geneigte teildurchlässige Spiegel (108, 110) nach innen auf die äußeren Seitenflächen (112. 114) eines Dachkantspiegels und von diesen auf dem gemeinsamen Empfänger (116) reflektiert werden.