DE2508860B2 - Optische mehrfachreflexionsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Mehrfachreflexionsanordnung mit Reflexionsvorrichtungen an beiden Enden einer Meßstrecke und einer Lichtquelle oder einem Bild einer Lichtquelle an einem Ende der Meßstrecke, wobei die Lichtquelle und die Reflexionsvorrichtungen so ausgebildet und angeordnet sind, daß ein von der Lichtquelle ausgehendes Lichtbündel die Meßstrecke wenigstens viermal durchläuft, bevor es wieder aus der Meßstrecke austritt.

Optische Mehrfachreflexionsanordnungen dieser Art werden dort verwendet, wo beispielsweise zur Erzielung eines ausgeprägten Empfangssignals lange Meßstrecken erforderlich sind. Durch Mehrfachreflexionen entlang der Meßstrecke kann diese somit je nach der Anzahl der erfolgenden Hin- und Herreflexionen wesentlich verkürzt werden. Anwendungsbeispiele sind Sichtweiten-Meßgeräte auf Flugplätzen und an Autobahnen, bei denen ein Lichtsender einen Lichtstrahl über eine Strecke von 10 bis 30 m zu einem Reflektor, vorzugsweise aus retroreflektierendem Material, schickt, <Jer den Lichtstrahl in sich zurück wieder zum Sendegerät lenkt. Im Sendegerät erfolgt eine Strahlentrennung!« und der Empfangslichtstrahl wird auf einen Photoerr>bfänger gerichtet. Dieser erzeugt ein elektrisches Sighal, dessen Amplitude sich in Abhängigkeit von der Sichtweite (mehr oder weniger klare Sicht, Nebel) ändert. Eine elektronische Auswertevorriclitung bildet hieraus eine Anzeige, die direkt in Sichtweiten geeicht sein kann. Eine weiter«· Anwendung besteht bei Abgasdichte-Meßgeräten in Tunneln, wo die Meßstrekke sich z. B. über 100 m erstrecken soll. Schließlich sind in diesem Zusammenhang noch die in Schornsteinen angeordneten Rauchdichte-MeßgerätP zu erwähnen, bei denen die Meßstrecke auf den Durchmesser des Schornsteins begrenzt ist.

So interessant optische Mehrfachreflexionsanordnungen für die Vervielfachung der Meßstrecke auf kleinem Raum sind, so problematisch ist die Justierung von Sender/Empfänger einerseits und Reflexionsvorrichtung andererseits. Sender/Empfänger und Reflexionsvorrichtung müssen absolut genau miteinander ausgerichtet sein, wobei es ein besonderes Problem darstellt, die einmal erzielte genaue Ausrichtung über lange Zeiten vollständig aufrecht zu erhalten. Insbesondere bei Rauchdichte-Meßgeräten, wo ständige Temperaturschwankungen zu verzeichnen sind, ist dies äußerst schwierig.

Ziel der Erfindung ist somit eine optische Mehrfachreflexionsanordnung der eingangs genannten Gattung, bei der das Licht von einer Seite der Meßstrecke aus gesendet und empfangen wird und bei der auf der dem Sender-Empfänger gegenüberliegenden Seite der Meßstrecke eine Reflexionsvorrichtung angeordnet ist, die in bezug auf den Sender/Empfänger nur grob justiert zu werden braucht und bei der auch gewisse Änderungen der Justierung im Laufe des Betriebes hingenommen werden können, ohne daß die Lage und Intensität des Empfangslichtstrahles auf sciten des Senders/Empfängers in einem die Meßgenauigkeit beeinträchtigenden Maße beeinflußt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die an dem von der Lichtquelle abgewandten Ende der Meßstrecke angeordnete Reflexionsvorrichtung eine Linse mit einer Brennweite gleich dem Absland von der Lichtquelle, dahinter ein retroreflektierendes Element, welches einen eintretenden Lichtstrahl in der gleichen Richtung, jedoch seitlich versetzt, zurückwirft, und Lichtstrahlablenkmittel aufweist, welche den Ein- und/oder Austrittsstrahlen des retroreflektierenden Elementes eine solche Ablenkung erteilen, daß das von der Reflexionsvorrichtung entworfene Bild der Lichtquelle neben dieser liegt, und daß die zweite Reflexionsvorrichtung ein hinter dem von der ersten Reflexionsvorrichtung entworfenen Bild der Lichtquelle angeordneter Retroreflektor ist. Auf der Seite der ersten Reflexionsvorrichtung ist also ein einziges retroreflektierendes Element vorgesehen, welches vorzugsweise von dem auf ihn auftreffenden Lichtbündel überstrahlt wird, so daß insgesamt weder gewisse Kippungen der Reflexionsvorrichtung noch seitliche Verschiebungen etwas am Empfangsort bzw. der Empfangsintensität auf Seiten des Senders/Empfängers ändern. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Lichtquelle vorzugsweise ein von einer Lampe, einem Laser od. dgl. beleuchteter Spalt ist. Gleichwohl wird zur Vereinfachung der Terminologie in dieser Beschreibung stets von der Lichtquelle gesprochen, auch wenn es sich nur um einen bleuchteten Spalt od. dgl. handelt.

Während es bei der von der Lichtquelle abgewandten Reflexionsvorrichtung darauf ankommt, daß zusätzlich zu der Reflexion in sich selbst eine seitliche Versetzung des Strahles erzielt wird, kommt es bei dem auf seiten der Lichtquelle angeordneten Retroreflektor lediglich

darauf an, daß er auf ihn auftreffendes Licht in der gleichen Richtung wieder abgibt.

Nach einer ersten Ausführungsform bestehen die Strahlablenkmittel aus einem die eine Hälfte des Straihlenganges einnehmenden optischen Keil. Die s Strahlablenkmittel können aber auch aus zwei in je einer Hälfte des Strahlenganges angeordneten optischen Keilen bestehen. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, daß die Strahlablenkmittel durch zwei Halblinsen gebildet sind, deren optische Achsen in Richtung der Lichtquellenversetzung einen Abstand voneinander aufweisen. Die optischen Achsen der Halblinsen werden um dasjenige Maß gegeneinander versetzt, das erforderlich ist, um das Bild der Lichtquelle neben dieser zu entwerfen.

Schließlich können die Strahlablenkmittel auch durch von der Normalform abweichendes Anschleifen der einen Hälfte der Linse oder des retroreflektierenden Elementes gebildet sein. Wichtig ist allein, daß das Bild der Lichtquelle auf der Sender/Empfängerseite neben der Lichtquelle selbst auf den Retroreflektor fällt.

Bei der Ausführungsform mit Halblinsen sind diese zweckmäßig plankonvex und mit ihrer Planfläche auf die ebenfalls plan ausgebildete Eintrittsfläche des retroreflektierenden Elementes iiufgekittet. Hierdurch wird eine besonders kompakte und unverrückbare Einheit geschaffen.

Insbesondere für Versuchszwecke ist der Abstand der Halblinsen jedoch veränderbar.

Mit besonderem Vorteil wird für das retroreflektierende Element ein Tripelspiegel verwendet.

Vorzugsweise entwirft die erste Reflexionsvorrichtung das Bild der Lichtquelle unmittelbar angrenzend an die Lichtquelle selbst. Hierdurch wird nicht nur der zur Verfügung stehende Raum optimal ausgenutzt, sondern es wird auch die Ausdehnung der verwendeten optischen Teile auf ein Minimum herabgesetzt.

Nach einer ersten Ausführungsform bewirkt der die zweite Reflexionsvorrichtung bildende Retroreflektor nur eine Strahlumkehr ohne Strahlversetzung. Bei dieser Ausführungsform kann ein vierfacher Durchgang des Lichtstrahles durch die Meßstrecke erzielt werden.

Im einfachsten Fall besteht der Retroreflektor aus feinverteiltem retroreflektierendem Material, wie z. B. Scotchlite.

Der Retroreflektor kann jedoch auch ein Dachkantprisma sein, dessen Dachkante sich in der Mitte des Lichtquellenbildes befindet. Um bei dieser Ausführungsforrn eine gewisse Höheneinstellempfindlichkeit zu beseitigen, ist der Retroreflektor vorzugsweise ein so Tripelspiegel oder noch besser ein Beck-Prisma, dessen Spitze sich in der Mitte des Lichtquellenbildes befindet. Ein Beck-Prisma ist praktisch ein scheibenförmiger Ausschnitt aus einem Tripelspiegel. Das Beck-Prisma eignet sich somit besonders, wenn mit einem beleuchte- ss ten Spalt gearbeitet wird, weil die Spaltfläche in die Basisfläche des Beck-Prismas abgebildet werden kann. Die Basis des Prismas bzw. Tripclspiegcls ist zweckmäßig gleich groß wie das Bild der Lichtquelle.

Eine wesentlich mehr Hin- und Herrcflcxioncn gesiiattcndc Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, daß der die zweite Reflcxionsvorrichlung bildende Retroreflektor eine Strahlumkehr mit seitlicher Versetzung um wenigstens die Größe des LichtqucllcnbiliJes bewirkt. Aul diese Weise kann < >s wenigstens ein 'vechsiachcr Durchgang des Lichtstrahles durch die Meßstrecke erzielt werden.

Nach einer ersten Ausführungüform ist der Retroreflektor wieder ein Dachkantprisma, an dessen dei Lichtquelle zugewandter Hälfte das Bild der Lichtquelle entworfen ist. Bevorzugt ist jedoch als Retroreflektoi bei dieser Ausführungsform ein Tripelspiegel oder nocl besser ein Beck-Prisma. Gegenüber der eingang! geschilderten Ausführungsform wird die seitlich« Versetzung dadurch erzielt, daß das Bild der Lichtquelh nicht zentral, sondern seitlich versetzt auf der Retroreflektor geworfen wird. In dem bevorzugter Falle der Verwendung eines Beck-Prismas nimmt da: Spaltbild zweckmäßig genau die eine Hälfte dei Basisfläche ein. Aus der anderen Hälfte der Basisflächf tritt dann das Licht entsprechend aus.

Auch bei dieser Ausführungsform grenzt der Retrore flektor vorzugsweise unmittelbar an die Lichtquelle an.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform kenn zeichnet sich dadurch, daß vor dem Retroreflektor au der optischen Achse eine weitere Linse angeordnet ist deren Brennweite gleich dem Abstand von der erster Reflexionsvorrichtung ist. Diese Maßnahme hat der Zweck, daß alles aus einer Hälfte der erster Reflexionsvorrichtung austretende Licht wieder in dies« Hälfte eintritt. Dies ist deswegen von Bedeutung, wei die in unterschiedliche Hälften der Reflexionsvorrich tung eintretenden Lichtstrahlen unterschiedlich abge lenkt werden. Erfindungsgemäß sol¹ also eine eindeutig« Zuordnung zwischen Lichstrahlen und den Hälften dei Reflexionsvorrichtung geschaffen werden.

Die Zahl der Reflexionen innerhalb der Meßstrecki kann dadurch erhöht werden, daß mehrere Retroreflek toren unmittelbar nebeneinander angeordnet sind. Jedei weitere Retroreflektor erhöht die Zahl der Durchgang« um die Zahl 4.

Es ist noch darauf hinzuweisen, daß die weitere Linst sich mit ihrem Rand nur bis zur äußeren Kante de: letzten Retroreflektors zu erstrecken braucht, so dal der Austrittslichtstrahl an der Linse vorbei führt.

Die Retroreflektoren können bei allen Ausführungs formen in gleicher Anordnung symmetrisch auf beider Seiten der Lichtquelle vorgesehen sein, weil di< Ablenkung der in die Ein- bzw. Austrittspupille dei ersten Reflexionsvorrichtung eintretenden Lichtstrahl len von der Lichtquelle vollständig symmetrisch abgelenkt werden.

Nach einer weiteren Verwirklichung kann dit seitliche Versetzung bei Verwendung eines Retroreflek tors mit Strahlumkehr und seitlicher Versetzung ir Richtung auf die Lichtquelle das Doppelte dei Lichtquellengröße betragen, wobei der Retroreflektoi vorzugsweise ein abgeflachtes Dachkantprisma ist. Dei abgeflachte Mittelteil und die beiden seitlichen Schräg teile des Dachkantprismas sind dabei zweckmäßig vor gleicher Größe wie die Lichtquelle, während die Mittt des Dachkantprismas auf der optischen Achse liegt. Mi einer derartigen Anordnung wird ein Vierfach-Durch gang erzielt. Gegenüber der an erster Stelle genannter Ausführungsform besteht der Vorteil darin, daß da; Licht nach dem vierfachen Durchgang nicht am Ort dei Lichtquelle, sondern seitlich dazu versetzt, aus dei Meßstreckc austritt.

Die Verwendung eines beleuchteten Spaltes al· Lichtquelle ist deswegen besonders zweckmäßig, wei neben dem Spalt in enger räumlicher Beziehung cir Beck-Prisma vorgesehen werden kann.

Für die Beleuchtung des Spaltes eignet sich besonder! eine Vorrichtung, bei der der Spalt durch den Schiit; eines geneigt angeordneten Schlitzspiegels beleuchte ist und die Seitenteile des Schlitzspiegels das an den

Beck-Prisrna bzw. den Beck-Prismen vorbeireflektierte Licht empfangen und auf einen Photoempfänger lenken. Es kann also vorteilhafterweise auf einen teildurchlässigen Spiegel, der stets Lichtverluste mit sich bringt, verzichtet werden. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung werden somit die Lichtverluste beim Empfang des Meßstrahles wesentlich herabgesetzt.

Die vorstehend definierte praktische Ausführungsform ermöglicht es weiter, daß durch den Schlitz abwechselnd mit dem Licht aus der Meßstrecke auch noch ein Referenzlichtbündel von der gleichen Hauptlichtquelle auf den Photoempfänger gelenkt ist.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung für einen vierfachen Strahlendurchgang durch eine Meßstrecke,

F i g. 2 eine andere Ausführungsform der von der Lichtquelle abgewandten Reflexionsvorrichtung nach Fig. 1,

F i g. 3 eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mehrfachreflexionsanordnung für sechs Strahiendurchgänge,

F i g. 4 eine Abwandlung der Ausführungsform nach F i g. 3,

Fig.5 eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mehrfachreflexionsanordnung für insgesamt vierzehn Strahlendurchgänge durch die Meßstrecke,

F i g. 6 eine Draufsicht einer weiteren vereinfachten Ausführungsform,

F i g. 7 eine Draufsicht einer Abwandlung der Ausführungsform nach F i g. 6,

F i g. 7a eine Weiterbildung der Ausführungsform nach F i g. 7,

F i g. 8a und 8b Seiten- bzw. Rückenansichten eines bei der erfindungsgemäßen Mehrfachreflexionsanordnung verwendeten Beck-Prismas,

F i g. 9 eine schematische Seitenansicht eines für die erfindungsgemäße Mehrfachreflexionsanordnung besonders geeigneten Sende-Empfangsgerätes, wobei die Ansicht aus einer gegenüber den vorangehenden Figuren um 90° um die optische Achse gedrehten Richtung erfolgt und

F i g. 10 eine schematische Ansicht nach Linie X-X in F i g. 9.

In den Fig. 1, 3, 4, 5, 6 und 7 deutet der mit kleinen Querstrichen versehene Strich 12 den Querschnitt eines von links beleuchteten Spaltes an. Die Längsrichtung des Spaltes verläuft also senkrecht zur Zeichenebene. Anstelle des beleuchteten Spaltes 12 könnte auch die Wendel einer Lampe oder eine Laser-Lichtquelle liegen, so daß zur Vereinfachung der folgenden Beschreibung der Spalt 12 einfach als Lichtquelle bezeichnet wird, ohne daß hierdurch der Anwendungsbereich der Erfindung eingeschränkt werden soll.

Zunächst soll anhand von F i g. 9 kurz; der Belcuchtungsstrahlcngang für den Spalt 12 erläutert werden.

Die Wendel einer Glühlampe 26 wird über ein Kondensorsystem 27 in ein Objektiv 28 abgebildet, das do unmittelbar hinter den öffnungen einer rotierenden Zerhackcrschcibe 29 angeordnet ist.

Die Zcrhackerscheibc 29 dient dazu, am elektrischen Ausgang der Vorrichtung ein leichter zu verarbeitendes Wcchselsignal zu erhalten. '-

Das Objektiv 28 sitzt im Brennpunkt eines Achromatcn 30, der somit den Spalt 12 von links mit einem parallelen Lichtbündel beaufschlagt.

Unmittelbar hinter dem Objektiv 28 wird das Lichtbündel durch einen seitlich in ihn hineinragenden Umlenkspiegel 31 in ein gerade durchgehendes Meßbündel 32 und ein seitlich abgelenktes Referenzbündel 33 zerlegt. Das Referenzbündel 33 wird nach oben zu einem weiteren Umlenkspiegel 34 gelenkt, an dem es wieder im wesentlichen in die gleiche Richtung wie das Meßbündel 32 umgelenkt wird. Hinter den Spiegeln 31,34 ist eine drehfest mit der Zerhackerscheibe 29 gekuppelte Segmentscheibe 35 angeordnet, welche im Bereich des Meßbündels 32 und des Referenzbündels 33 Umfangsschlitze für den Durchgang der Bündel aufweist. Die Umfangsschlitze sind jedoch so ausgebildet und gegeneinander versetzt, daß zu einer Zeit jeweils nur eines der beiden Bündel 32,33 durch die Segmentscheibe 35 hindurchgelangt.

Nach dem Durchtritt durch die Segmentscheibe 35 geht das Meßbündel 32 durch den in Fig. 10 zu erkennenden Schlitz 22 eines Schlitzspiegeis 23 hindurch, der nach F i g. 9 unter einem Winkel von 45° zur optischen Achse 19 angeordnet ist. Das Referenzbündel 33 wird über einen weiteren Umlenkspiegel 36 und einen Hohlspiegel 37 durch eben den gleichen Schlitz 22 über ein Mikroobjektiv 28' auf einen Photoempfänger 24 konzentriert. Das Meßbündel 32 und das Referenzbündel 33 durchlaufen also ein und denselben Schlitz 22 im wesentlichen in senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen.

An den Schlitz 12 schließt sich nach rechts über eine weiter unten zu beschreibende Linse 21 die Meßstrecke 11 an, welche in F i g. 9 unterbrochen veranschaulicht ist. Am Ende der Meßstrecke befindet sich die erfindungsgemäße Reflexionsvorrichtung 17, welche auffallendes Licht in einer weiter unten noch zu beschreibenden Weise zum links von der Meßstrecke 11 angeordneten Sender/Empfänger zurückwirft. Aufgrund der weiter unten zu beschreibenden erfindungsgemäßen Mehrfachreflexionsanordnung tritt das reflektierte Licht nach Fig. 10 bei 12'"" seitlich an ebenfalls weiter unten zu beschreibenden Beck-Prismen 16' auf die Seitenteile 23a, 236 des Schlitzspiegels 23, von wo das Bündel nach unten zum Photoempfänger 24 reflektiert wird.

Der anhand der Fig.9 und 10 beschriebene Sender/Empfänger ist besonders für die Anwendung bei den Ausführungsformen nach den F i g. 3, 4, 5 und 7 geeignet. Zur Veranschaulichung des Grundprinzips der vorliegenden Erfindung eignet sich jedoch besser F i g. 1, bei der ein vereinfachter Strahlengang mit einem teildurchlässigen Spiegel 38 verwendet wird.

Nach Fig. 1 wird der Spalt 12 von links durch eine nicht im einzelnen wiedergegebene Optik durch der teildurchlässigen Spiegel 38 hindurch beleuchtet. Air anderen Ende der Meßstrecke U befindet sich die erfindungsgeinäße Reflexionsvorrichtung, welche au« einem insbesondere als Tripelspiegel ausgebildeten retroreflektierendcn Element 14 mit einer von dci Mcßstrccke abgewandten Spitze 15, einer von dei Basisflrtchc 39 des Tripcispicgcls 14 angeordneten Linse 13 und einem als optischer Keil 18 ausgebildeter Strahlablcnkmittel besteht. Der Keil weist mit seinei Spitze zur optischen Achse 19 hin und erweitert sich vor dieser weg. Statt eines optischen Keils 18 nuf einer Seite der optischen Achse 19 können auch zwei mi geringerem Kcilwinkcl versehene Keile 18' zu beider Seiten der optischen Achse 19 vorgesehen werden, wai in Fig. 1 durch gestrichelte Linien angedeutet ist.

Unterhalb der Lichtquelle 12 befindet sich unmittcl bar angrenzend an diese ein Retroreflcktor 16, dessei

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von der Spitze 20 abgewandte Basis die gleiche Breite und Höhe wie die Lichtquelle 12 hat. Der Retroreflektor 16 kann aus feinverteiltem retroreflektierendem Material bestehen, wird jedoch vorzugsweise durch ein Beck-Prisma gebildet, wie es in den F i g. 8a und 8b dargestellt ist. Die Darstellung in F i g. 1 entspricht einem Schnitt des Beck-Prismas nach Linie I-l in F i g. 8a.

Die Wirkungsweise der optischen Mehrfachreflexionsanordnung nach F i g. 1 ist wie folgt: ι ο

Von jedem Punkt des Spaltes bzw. der Lichtquelle 12 verläuft ein Lichtbündel durch die Meßstrecke U zur Reflexionsvorrichtung 17, welches einen solchen durch gestrichelte Linien 43 angedeuteten Raumwinkel aufweist, daß es die Reflexionsvorrichtung 17 allseitig soweit überstrahlt, daß bei etwaigen Seitenverschiebungen der Reflexionsvorrichtung 17 allseitig so weit überstrahlt, daß bei etwaigen Seitenverschiebungen der Reflexionsvorrichtung 17 relativ zur Lichtquelle 12 sämtliche Bereiche der Reflexionsvorrichtung 17 innerhalb des Lichtbündels verbleiben. Von sämtlichen von der Mitte der Lichtquelle 12 ausgehenden Strahlen dieses Lichtbündels sei beispielsweise nur ein Einzelstrahl 1 betrachtet, welcher in die obere Hälfte der Linse 13 eintritt und dort parallel zur optischen Achse 19 gerichtet wird, weil die Brennweite / der Linse 13 erfindungsgemäß gleich dem Abstand der Linse von der Lichtquelle 12 gewählt ist. Der parallel gerichtete Strahl 1 tritt in den Tripelspiegel 14 ein, wird in diesem versetzt und tritt unterhalb der optischen Achse 19 wieder parallel zu seiner Eintrittsrichtung aus dem Tripelspiegel 14 aus. Aufgrund der optischen Gesetze würde der reflektierte und versetzte Strahl 2 ohne den Keil 18 entlang der gestrichelten Linie 42 wieder zum Ausgangspunkt auf der Lichtquelle 12 zurückgelangen, d. h., die Lichtquelle 12 würde in sich selbst abgebildet.

Aufgrund des erfindungsgemäß eingeschalteten optischen Keils 18 erfolgt jedoch eine Ablenkung des reflektierten Strahles 2 in der Weise, daß unmittelbar neben der Lichtquelle 12 ein Bild 12' derselben entworfen wird. Da sich hinter dem Bild 12' der Lichtquelle 12 der Retroreflektor 16 befindet, wird der Strahl 2 als reflektierter Strahl 3 in sich zurückgeworfen. Am Keil 18 wird die durch ihn bedingte Ablenkung wieder rückgängig gemacht und nach erneuter Reflexion sowie Versetzung im Tripelspiegel 14 geht der Strahl 3 schließlich in den erneut reflektierten Lichtstrahl 4 über, der am Ausgangspunkt in der Lichtquelle mündet. Das nunmehr durch den Spalt 12 austretende Licht kann an dem teildurchlässigen Spiegel 38 über eine Linse 40 auf einem Photoempfänger 41 konzentriert werden. Die Begrenzungslinien jedes von der Lichtquelle 12 ausgehenden Bündels sind mit 43 bezeichnet. Ersichtlich ändern weder eine gewisse Seitenverschiebung der Reflexionsvorrichtung 17 noch eine gewisse Kippung eiwas an den Abbildungsverhältnissen, so daß selbst beim Fehlen einer starren Verbindung zwischen Sender/Empfänger einerseits und Reflexionsvorrichtung 17 andererseits einwandfreie Abbildungs- und Intensitätsverhältnisse am Empfänger (« vorliegen.

Aufgrund der Symmetrieverhältnisse der optischen Mehrfachreflexionsanordnung nach F i g. 1 wird ein Bild 12' der Lichtquelle 12 auch auf der anderen Seite in der dargestellten Weise erzeugt. Durch Anordnung eines (>i weiteren Retroreflektors hinter diesem zweiten Bild 12' kann auch das dort auffallende Licht noch für die Messung nutzbar gemacht werden. Die Strahlcngttngc zu dem weiteren Retroreflektor 16 verlaufen völlig symmetrisch zu den eingezeichneten Strahlengängen und sind lediglich deswegen nicht mit eingezeichnet worden, um die Figur nicht zu unübersichtlich zu gestalten.

Die Keile 18,18' sind in F i g. 1 nur zur Veranschaulichung des Prinzips mit eingezeichnet worden. Praktisch verwirklicht wird die Versetzung des Bildes 12' zur Lichtquelle 12 am besten durch zwei Halblinsen mit getrennten, aber parallelen optischen Achsen oder gemäß Fig.2 durch eine Teilung der Linse 13 in zwei Halblinsen mit einem Abstand a voneinander. Indem insbesondere bei einer Versuchsanordnung der Abstand a der optischen Achsen einstellbar gemacht wird, kann das Bild 12' genau an die gewünschte Stelle, d.h. insbesondere unmittelbar angrenzend an die Lichtquelle 12 gebracht werden.

Bei einer oroduktionsreifen Anordnung werden allerdings die i.'alblinsen 13' auf den Tripelspiegel 14 aufgekittet werd ;n, um gesonderte Halterungen für diese beiden Teile zu vermeiden.

Eine ähnliche Anordnung wie Fig. 1 zeigt Fig.6, wobei jedoch statt des vorzugsweise als Beck-Prisma ausgebildeten Retroreflektors 16 ein abgeflachtes Dachkantprisma 16' verwendet wird, dessen flacher Mittelteil und dessen schräge Seitenteile jeweils die Breite des Spaltes bzw. der Lichtquelle 12 haben und welches die gleiche Länge wie die Lichtquelle 12 hat. Wird ein derartiges abgeflachtes Dachkantprisma 16' gemäß Fig.6 symmetrisch zur optischen Achse 19 angeordnet, so durchläuft ein von einem bestimmten Punkt der Lichtquelle 12 ausgehender Lichtstrahl 1 die Meßstrecke 11 in der dargestellten Weise, geht nach Brechung und Reflexion in der Reflexionsvorrichtung 17 in den reflektierten Strahl 2 über, der an der dargestellten Stelle seitlich von der Lichtquelle 12 erneut in das abgeflachte Dachkantprisma 16" eintritt und auf der symmetrisch gegenüberliegenden Seite als erneut reflektierter Strahl 3 austritt. Schließlich kehrt der Strahl 3 nach weiterer Reflexion und Brechung bei 17 ab zum vierten Ma! reflektierter Strahl 4 zum Ausgangspunkt zurück, von wo er ähnlich wie bei der Anordnung nach Fig. 1 über einen nicht dargestellten teildurchlässigen Spiegel wieder zu einem Photoempfänger gelenkt werden kann.

Die Anordnung nach F i g. 6 hat gegenüber der nach Fig. 1 den Vorteil, daß zur Ausnutzung des zu beiden Seiten der Lichtquelle 12 zurückkehrenden Lichtes nur ein einziges Element, nämlich das abgeflachte Dachkantprisma 16", erforderlich ist. Auch bei dieser, ebenso wie bei allen übrigen Ausführungsformen, kanr Justierunempfindlichkeit dadurch erreicht werden, daC jedes von der Lichtquelle 12 ausgehende Bündel dif Reflexionsvorrichtung 17 allseitig überstrahlt.

Sofern es nicht erwünscht ist, daß der schließlich wieder aus der Mehrfachreflexionsanordnung austrc tendc Lichtstrahl durch die Lichtquelle 12 selbs hindurchtritt, kann die Anordnung nach F i g. 7 verwen det werden, bei der das abgeflachte Dachkantprismi 16" seitlich neben der Lichtquelle 12 und unmittelbar ai diese angrenzend angeordnet ist. Aufgrund de erfindungsgemäßen Reflexionsvorrichtung 17 wird nacl einmaliger Reflexion zunächst das Bild 12' de Lichtquelle an der dargestellten Lage erzeugt. Durcl Reflexion innerhalb des abgeflachten Dachkantprisma

16" wird rlipKe« RiIrI nie RiIrI f>" um ταίρι I irhtniiellen

16" wird dieses Bild als Bild 12" um zwei Lichtquellen breiten nach unten versetzt. Diese Versetzung wird bt erneutem Durchtritt durch den optischen Keil J8 zu

Hälfte wieder rückgängig gemacht, so daß schließlich der dem vierten Durchgang entsprechende Strahl 4 durch den abgeflachien Teil des Dachkantprismas 16" in der dargestellten Weise neben der Lichtquelle 12 austritt. Aufgrund dieser Anordnung erübrigt sich die Anordnung eines teildurchlässigen Spiegels, was zu einer besseren Lichtausbeute führt.

Die Wirkung der Linse 21, deren Brennweite gleich der der Linse 13 ist, wird weiter unten anhand von F i g. 4 erläutert.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform wird nun anhand von F i g. 3 beschrieben. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der nach F i g. 1 insbesondere dadurch, daß der Retroreflektor 16' relativ doppelt so breit ist und daß die Strahlablenkung mittels des Keils 18 nur so groß ist, daß das Bild 12' nach der ersten Reflexion unmittelbar auf der einen Hälfte des Retroreflektors 16' liegt. Durch Reflexion innerhalb des Retroreflektors 16' wird das Bild 12' an die Stelle 12" in der unteren Hälfte verlagert. Der nunmehr zur Reflexionsvorrichtung 17 zurückkehrende Strahl 3 wird im Keil 18 so gebrochen, daß die Versetzung um eine Lichtquellenbreite rückgängig gemacht wird und der abermals reflektierte Strahl 4 erneut in den oberen Teil des Retroreflektors 16' eintritt. Es wird somit an der Stelle des Bildes 12' abermals ein Bild 12'" der Lichtquelle erzeugt. Dieses wird durch den Retroreflektor 16' abermals in die untere Hälfte nach 12"" versetzt. Da der nunmehr in die obere Hälfte der Reflexionsvorrichtung 17 eintretende rückkehrende Strahl 5 schließlieh als reflektierter Strahl 6 erneut am Keil 18 nach unten weggebrochen wird, tritt der Strahl 6 am Retroreflektor 16' vorbei aus der Anordnung aus. Es entsteht somit unmittelbar neben dem Retroreflektor 16' ein fünftes Bild 12'"" der Lichtquelle 12.

Aufgrund der Symmetrieverhältnisse kann ein weiterer Retroreflektor 16' auch auf der anderen Seite der Lichtquelle 12 angeordnet werden. Es würde dann auch an der Außenseite dieses Retroreflektors 16' ein fünftes Bild 12'"" und ein entsprechender Austrittsstrahl aus der Vorrichtung festzustellen sein.

Um bei einer Mehrfachreflexionsanordnung nach Fig.3 zu gewährleisten, daß aus der einen Hälfte der Reflexionsvorrichtung 17 austretende Strahlen nach der Reflexion auf der Sender/Empfänger-Seite auch wieder in dieser Hälfte eintreten, wird nach der besonders bevorzugten Ausführungsform nach Fig.4 eine Linse 21 vor der Lichtquelle in der dargestellten Weise angeordnet, deren Brennweite gleich dem Abstand von der Reflexionsvorrichtung 17 und damit gleich der Brennweite der Linse 13 ist. Die Wirkungsweise der Linse 21 ist in Fig.4 durch die Strahlen 3 und 5 veranschaulicht. Während bei der Ausführungsform nach F i g. 3 die reflektierten Strahlen 3 und 5 parallel zu den Strahlen 2 bzw. 4 verlaufen (wodurch die Gefahr besteht, daß diese Strahlen möglicherweise nicht mehr in die bzw. die richtige Hälfte der Reflexionsvorrichtung 17 eintreten) wird durch die Linse 21 dafür Sorge getragen, daß die Strahlen 3, 5 zu demselben Punkt eier Reflexionsvorrichtung 17 zurückkehren, von dem der Strahl 2 bzw. 4 ausgegangen war. Entsprechendes gilt auch für sämtliche anderen aus der Reflexionsvorrichtung 17 austretenden und dann bei 16' retrorcflektierten Strahlen. Aus zeichnerischen Gründen ist die Meßstrekke 11 bei allen Ausführungsformen im Vergleich zum Abstand der optischen Elemente der Reflexionsvornchtung 17 und der Reflektoren 16', 16" von der Linse 21 viel zu kurz dargestellt. In der Praxis kann der Abstand der optischen Elemente auf einer Seite der Meßstrecke gegen die Länge der Meßstrecke vernachlässigt werden.

In F i g. 4 ist die Linse 21 so groß dargestellt, daß sie

seitlich noch über den Austrittsstrahl 6 vorsteht. Sie braucht jedoch lediglich bis zum Rande der Retroreflektoren 16' zu reichen, so daß die Austrittsstrahlen 6 an der Linse 21 vorbeilaufen. Eine derartige Ausführung der Linse 21 ist an der weiter unten zu beschreibenden Ausführungsform nach F i g. 5 verwendet.

ίο Funktion und Ausbildung der Linse 21 nach Fig.7 sind die gleichen wie vorstehend anhand von Fig.4 beschrieben. Dies ist in die Ausführungsform nach F i g. 7a auch im einzelnen eingezeichnet, wobei außerdem auf das erste Dachkantprisma 16"a noch ein zweites, gleiches 16"b um eine Lichtquellenbreite nach unten versetzt aufgesetzt ist. Hierdurch wird die Zahl der Strahlendurchgänge um 2 erhöht. Eine weitere Erhöhung kann erfindungsgemäß durch entsprechendes Ansetzen weiterer Prismen 16" c, d, ■■ ■ erzielt werden.

Während die Ausführungsform nach Fig.4 einen Sechsfach-Durchgang des Lichtstrahles durch die Meßstrecke 11 ermöglicht, kann durch Aneinanderreihung weiterer Retroreflektoren 16'a, 16'ό, 16'c, ■ ■ · gemäß F i g. 5 eine noch wesentlich größere Anzahl von Durchgängen erzielt werden. Jeder weitere Retroreflektor gewährleistet vier weitere Durchgänge, so daß bei der Ausführungsform nach Fig.5 der Lichtstrahl erst nach vierzehn Durchgängen seitlich aus der Vorrichtung austritt. Der Linse 21 kommt insbesondere bei Ausführungsformen mit mehreren nebeneinander angeordneten Retroreflektoren 16' besondere Bedeutung zu, um die beiden Hälften der Reflexionsvorrichtung 17 wirksam zu entkoppeln.

Bei den Ausführungsformen nach den Fig.3 bis 5 eignen sich als Retroreflektoren 16' besonders gut die in Fig.8a und 8b dargestellten Beck-Prismen, weil ihre Basisfläche ohne weiteres gleich der Spaltfläche gemacht werden kann und sie eng nebeneinander gemäß F i g. 5 anzuordnen sind. Dies ergibt sich

besonders anschaulich aus Fig. 10, wo die Beck-Prismen 16' unmittelbar neben dem Spalt 12 dargestellt sind. Man sieht hier besonders deutlich, daß die Elasisfläche der Beck-Prismen doppelt so breit wie die Spaltbreite zu wählen ist, während die Länge der Basis gleich der Spaltlänge ist. Besonders anschaulich wird aus Fig. 10 auch die mit der erfindungsgemäßen Mehrfachreflexionsanordnung erzielbare gute Lichtausbeute. Durch den Schlitz 22 des Schlitzspiegels 23 gelangt die gesamte Lichtintensität zum Spalt 12. Da die Spaltbilder 12'"" seitlich der Beck-Prismen 16' erscheinen, gelangt auch die gesamte Lichtintensität der schließlich aus der Mehrfachreflexionsanordnung austretenden Meßstrahlen vollständig auf die Seilenteile 23a, 236 des Schlitzspicgels 23. Von dort werden sie durch die voll reflektierenden Spiegelflächen auf dem Photoempfänger 24 konzentriert (F i g. 9).

Aufgrund der Drehung der Zerhackerscheibe 29 und der Segmentscheibe 35 wird nicht nur Wechüdlicht aul die Photo/eile 24 geschickt, sondern es trifft zu einem

'χι Zeitpunkt auch nur entweder aus der Meßstrecke H reflektiertes Licht 25 oder Referenzlicht 33 auf den Photoempfänger 14. Durch Vergleich der beiden Signale in einer geeigneten Auswerleelektroriik kann somit stets die Lichtintensität des aus der Meßstreckc 11

'vs zurückkehrenden Lichtbündels 25 in bezug auf das Refcrcnibündcl 33 bestimmt werden. Derartige Auswerteelektronik-Schaltungen für den Vergleich zweier Lichtbündcl sind an sich bekannt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (34)

Patentansprüche:

1. Optische Mehrfachreflexionsanordnung mit Reflexionsvorrichtungen an beiden Enden einer Meßätrei ke und einer Lichtquelle oder einem Bild > einer Lichtquelle an einem Ende der Meßstrecke, wobei die Lichtquelle und die Reflexionsvorrichtun gen so ausgebildet und angeordnet sind, daß ein von der Lichtquelle ausgehendes Lichtbünde! die Meßstrecke wenigstens viermal durchläuft, bevor es wieder aus der Meßstrecke austritt, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem von der Lichtquelle (12) abgewandten Ende der Meßstrecke (U) angeordnete Reflexionsvorrichtung (17) eine Linse (13) mit einer Brennweite (f) gleich dem Abstand von der Lichtquelle (12), dahinter ein retroreflektierendes Element (14), welches einen eintretenden Lichtstrahl in der gleichen Richtung, jedoch seitlich versetzt, zurückwirft, und Lkhtstrahlablenkirittel (18) aufweist, welche den Ein- und/oder Austrittsstrahlen des retroreflektierenden Elementes (14) eine solche Ablenkung erteilen, daß das von der Reflexionsvorrichtung (17) entworfene Bild (12') der Lichtquelle (12) neben dieser liegt, und daß die zweite Reflexionsvorrichtung ein in der Nähe, vor 2-s oder hinter dem von der ersten Reflexionsvorrichtung (17) entworfenen Bild der Lichtquelle (12) angeordneter Retroreflektor(16)ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkmittel aus einem die eine Hälfte des Strahlenganges einnehmenden optischen Keil (18) bestehen.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkmittel aus zwei in je einer Hälfte des Strahlenganges angeordneten optischen Keilen (18') bestehen.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkmittel durch zwei Teillinsen (13') mit gegeneinander versetzten (a) optischen Achsen gebildet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlablenkmittel durch von der Normalform abweichendes Anschleifen der einen Hälfte der Linse (13) oder des retroreflektierenden Elements (14) gebildet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halblinsen (13') plankonvex und mit ihrer Planfläche auf die ebenfalls plan ausgebildete Eintrittsfläche des retroreflektierenden Elementes (14) aufgekittet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) der Halblinsen (13') veränderbar ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das retroreflektierende Element ein Tripelspiegel (14) ist.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Reflexionsvorrichtung (17) das Bild (12') der Lichtquelle (12) unmittelbar angrenzend an die Lichtquelle (12) entwirft.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die zweite Reflexionsvorrichtung bildende Retroreflektor (16) nur eine Strahlumkehr ohne Strahlversetzung bewirkt.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor (16) aus feinverteiltem retoreflektierendem Material besteht.

12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor ein Dachkantprisma (16) ist, dessen Dachkante (20) sich in der Mitte des Lichtquellenbildes (12') befindet.

13. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor eine Tripelleiste oder ein. einziger Tripelspiegel (16) ist, dessen Spitze (20) sich in der Mitte des Lichtquellenbildes (12') befindet.

14. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor ein Beck-Prisma (16) ist, dessen Spitze (20) sich in der Mitte des Lichtquellenbildes (12') befindet.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Prismas bzw. Tripelspiegel (20) gleich groß wie das Bild(12')der Lichtquelle ist.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der die zweite Reflexionsvorrichtung bildende Retroreflektor (16') eine Strahlumkehr mit seitlicher Versetzung um wenigstens die Größe des Lichtquellenbildes (12') bewirkt.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Versetzung genau der Größe der Lichtquelle (12) entspricht.

18. Anordnung nach Anspruch 1 ö oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor ein Dachkantprisma (16') ist, an dessen der Lichtquelle (12) zugewandter Hälfte das Bild (12') der Lichtquelle (12) entworfen ist.

19. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor ein Tripelspiegel (16') oder eine Anordnung mehrerer Tripelspiegel übereinander ist, wobei an der der Lichtquelle (12) zugewandten Hälfte das Bild (12') der Lichtquelle (12) entworfen ist.

20. Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor ein Beck-Prisma (16') ist, an dessen der Lichtquelle (12) zugewandter Hälfte das Bild (12') der Lichtquelle (12) entworfen ist.

21. Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis

20, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor (16') unmittelbar an die Lichtquelle (!2) angrenzt.

22. Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis

21, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Retroreflektors (16') doppelt so breit wie das Bild (12') der Lichtquelle (12) ist.

23. Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis

22, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Retroreflektor (16') auf der optischen Achse (19) eine weitere Linse (21) angeordnet ist, deren Brennweite (V?gleich dem Abstand von der ersten ReHexionsvorrichtung(17)ist.

24. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Retroreflektoren (16'a, 16'6, 16'c, ■ · ·) unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.

25. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Retroreflektoren (16, 16') in gleicher Anordnung symmetrisch auf beiden Seiten der Lichtquelle vorgesehen sind.

26. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Versetzung in Richtung auf die Lichtquelle (12) das Doppelte der

Lichtquellengröße beträgt.

27. Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Retroreflektor ein abgeflachtes Dachkantprisma (16") ist.

28. Anordnung nach Anspruch 27, dadurch ge- s kennzeichnet, daß der abgeflachte Mittelteil und die beiden seillichen Schrägteile ,ies Dachkantprisma«, (16") gleich der Größe de: Lichtquelle (12) sind und die Mitte des Dachkantprismas auf der optischen Achse (19) liegt.

29. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (12) ein beleuchteter Spilt ist.

30. Anordnung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einer Seite des Spaltes an diesen angrenzend ein Beck-Prisma (16') vorgesehen ist.

31. Anordnung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (12) durch den Schlitz (22) eines geneigt angeordneten Schlitzspiegels (23) beleuchtet ist und die Seitenteile (23a, 236; des Schlitzspiegels (23) das an dem Beck-Prisma (16') bzw. den Beck-Prismen vorbeireflektierte Licht empfangen und auf einen Photoempfänger (24) lenken.

32. Anordnung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Schlitz (22) abwechselnd mit dem Licht aus der Meßstrecke (11) auch noch ein Referenzlichtbündel (25) von der gleichen Hauptlichtquelle (26) auf den Photoempfänger (24) gelenkt ist.

33. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keile (18,18') mit der Spitze zur Hauptachse (19) hin gerichtet sind.

34. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keile (18,18') mit der Spitze von der Hauptachse (19) abgewandt sind, derart, daß der durch die Keile abgelenkte Lichtstrahl die Hauptachse (19) schneidet.

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