DE19528590C2 - Vorrichtung zur Temperaturmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperatur­ messung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige, aus der Praxis bekannte Vorrichtungen zur berührungslosen Temperaturmessung enthalten einen De­ tektor zum Empfang einer von einem Meßfleck auf einem Meßobjekt ausgehenden Wärmestrahlung, ein optisches Sy­ stem zur Abbildung der vom Meßfleck ausgehenden Wärme­ strahlung auf den Detektor sowie eine Visiereinrichtung zur Kennzeichnung der Lage und Größe des Meßflecks auf dem Meßobjekt mittels sichtbarem Licht. Mit dem Detek­ tor steht ferner eine weiterverarbeitende Einrichtung in Verbindung, die das Detektorsignal in eine Tempera­ turanzeige umrechnet.

Das optische System wird dabei so ausgestaltet, daß in einer bestimmten Meßentfernung zu einem großen Teil nur Wärmestrahlung von einer bestimmten Fläche des Meßob­ jekts, nämlich dem sog. Meßfleck, auf den Detektor fo­ kussiert wird. In den meisten Fällen wird die Größe des Meßfleckes durch die Fläche definiert, aus der 90% der auf den Detektor fokussierten Wärmestrahlen treffen. Es sind jedoch auch Anwendungsfälle bekannt, bei denen man sich auf Werte zwischen 50% und 100% bezieht.

Der Verlauf der Abhängigkeit der Größe des Meßfleckes von der Meßentfernung hängt von der Gestaltung des op­ tischen Systems ab. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen Fernfokussierung und Nahfokussierung. Bei der Fernfokussierung bildet das optische System den Detek­ tor ins Unendliche und bei der Nahfokussierung auf die Fokusebene ab. Im Falle der Fernfokussierung hat man es mit einem linear mit der Meßentfernung wachsenden Meß­ fleck zu tun, bei der Nahfokussierung wird der Meßfleck sich zunächst mit der Meßentfernung verkleinern und nach der Fokusebene wieder vergrößern, falls die freie Apertur der Optik größer ist als der Meßfleck in der Fokusebene. Ist der Meßfleck in der Fokusebene größer als die freie Apertur des optischen Systems, vergrößert sich der Meßfleck mit der Meßentfernung auch vor der Fokusebene. Nur der Anstieg der Meßfleckgröße ist vor der Fokusebene geringer als danach.

Aus der DE 36 03 464 A1 ist eine Vorrichtung zur Tempe­ raturmessung bekannt, enthaltend einen Detektor, ein optisches System sowie eine Visiereinrichtung.

Diese Visiereinrichtung weist eine Lichtquelle auf, deren Lichtstrahlung über diverse Bauteile in Richtung des Meßobjekts reflektiert wird. Mit dieser Visiereinrich­ tung können insbesondere dunkle, nicht glühende Meßob­ jekte angeleuchtet und damit anvisiert werden. Somit läßt sich mit Hilfe dieser Lichtstrahlung die Lage des Meßflecks am Meßobjekt kennzeichnen.

In der JP 63-145 929 in Patents Abstracts of Japan, Vol. 12/No. 408, 28. Okt. 1988, P-778 wird eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines Objekts beschrieben, die ein opti­ sches System zur Abbildung der vom Meßfleck ausgehenden Wärmestrahlung auf einen Detektor aufweist. Dieses op­ tische System ist als Linse ausgebildet, die in der Mitte eine Bohrung aufweist, durch die parallele Licht­ strahlen auf das Objekt zur Kennzeichnung des Meßflecks gerichtet werden.

Die US 5,172,978 betrifft eine Vorrichtung zur Tempera­ turmessung, bei der zur Sichtbarmachung des Meßflecks Lichtstrahlen über eine Linse im Meßfleck fokussiert werden.

In der Vergangenheit wurden verschiedene Versuche ge­ macht, die Lage und Größe des an sich unsichtbaren Meß­ fleckes durch Beleuchtung sichtbar zu machen. Eine Vor­ richtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 ist aus der JP-A-57-22521 bekannt, bei der eine Vielzahl von Strahlen, die von mehreren Lichtquellen stammen, ent­ lang den Randstrahlen eines fernfokussierten optischen Systems auf das Meßobjekt gerichtet werden. Auf diese Weise kann die Größe und Lage des Meßflecks für ein fernfokussiertes System durch eine ringförmige Anord­ nung von beleuchteten Punkten um den Meßfleck herum sichtbar gemacht werden.

US 5,368,392 beschreibt verschiedene Methoden zum Ummalen von Meßflecken durch Laserstrahlen. Dazu gehört die mechanische Ablenkung von einem oder mehreren Laserstrahlen sowie die Aufspaltung eines Laserstrahls durch einen Strahlteiler oder eine Faseroptik in meh­ rere Einzelstrahlen, die den Meßfleck umgeben.

Aus der Praxis ist ferner ein Visiersystem bekannt, das zwei Laserstrahlen zur Beschreibung der Meßfleckgröße benutzt. Dieses System benutzt zwei divergierende vom Rand des optischen Systems ausgehende Strahlen zur Cha­ rakterisierung eines fernfokussierten Systems und zwei sich im Fokuspunkt kreuzende Laserstrahlen zur Charak­ terisierung eines nahfokussierten optischen Systems.

Alle bekannten Visiereinrichtungen sind entweder nur für eine bestimmte Meßentfernung brauchbar oder erfor­ dern einen relativ hohen Justageaufwand und sind oft­ mals sehr teuer.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Vorrichtung zur Temperaturmessung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 dahingehend weiterzuentwickeln, daß eine einfache, entfernungsunabhängige Kennzeichnung der Lage und Größe des Meßfleckes ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das kennzei­ chenende Merkmal des Anspruches 1 gelöst, in dem die Visiereinrichtung eine diffraktive Optik zur Erzeugung einer Lichtintensitätsverteilung aufweist, mit der die Lage und Größe des Meßflecks auf dem Meßobjekt sichtbar gemacht werden kann.

Eine diffraktive Optik ist ein optisches Element, des­ sen Funktion hauptsächlich auf der Beugung von Licht­ wellen beruht. Zur Erzeugung der Beugung sind in dem optischen Element transversale Mikrostrukturen vorgese­ hen, die beispielsweise aus einem Oberflächenprofil oder einem Brechungsindexprofil bestehen können. Dif­ fraktive optische Elemente mit einem Oberflächenprofil sind auch als sog. holografische Elemente bekannt. Die Oberflächenmuster werden beispielsweise durch Belich­ tung von Fotoresist-Schichten und anschließendem Ätzen hergestellt. Ein solches Oberflächenprofil läßt sich auch durch Galvanisieren in einen Präge-Druckstock um­ wandeln, mit dem in erwärmte Plastikfolien das Holo­ gramm-Profil übertragen und vervielfältigt werden kann. Somit lassen sich preiswert aus einem Hologramm-Druck­ stock viele holografische Elemente herstellen.

Das Muster der diffraktiven Optik entsteht durch Inter­ ferenz einer Gegenstandswelle mit einer Referenzwelle. Verwendet man beispielsweise als Gegenstandswelle eine Kugelwelle und als Referenzwelle eine ebene Welle, ent­ steht eine Intensitätsverteilung in der Bildebene, die sich aus einem Punkt in der Mitte (0. Ordnung), einem ersten intensiven Kreis (erster Ordnung) und weiteren weniger intensiven Kreisen größerer Durchmesser (höhere Ordnungen) zusammensetzt. Durch Ausblenden der 0-ten und der höheren Ordnungen läßt sich ein einzelner Kreis herausfiltern. Durch andere Gegenstandswellen läßt sich eine Vielzahl anderer Intensitätsverteilungen herstel­ len, die nachfolgend anhand einiger Ausführungsbei­ spiele näher erläutert werden.

Üblicherweise liegen etwa 80% der von der Lichtquelle ausgehenden Energie in den von der diffraktiven Optik erzeugten Mustern. Die restliche Energie wird innerhalb und außerhalb des Meßfleckes verteilt.

Die erzeugte Lichtintensitätsverteilung kann beispiels­ weise durch eine kreisringförmige, den Meßfleck ein­ schließende, oder eine kreuzförmige Markierung gebildet werden.

Eine derartige Vorrichtung ist zudem preiswert her­ stellbar und erfordert lediglich einen geringen Justa­ geaufwand.

Weitere Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden im folgenden anhand der Be­ schreibung einiger Ausführungsbeispiele und der Zeich­ nung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Tem­ peraturmessung gemäß einem ersten Aus­ führungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2a bis 2g schmematische Darstellungen verschie­ dener Lichtintensitätsverteilungen zur Kennzeichnung der Lage und Größe des Meßflecks,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Tem­ peraturmessung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Tem­ peraturmessung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Tem­ peraturmessung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Temperaturmessung, enthal­ tend

• a) einen Detektor 1 zum Empfang einer von einem Meß­ fleck 2a eines Meßobjektes 2 ausgehenden Wärmestrah­ lung 3,
• b) ein optisches System 4 zur Abbildung der vom Meß­ fleck 2a ausgehenden Wärmestrahlung auf den Detek­ tor 1
• c) sowie eine Visiereinrichtung 5 zur Kennzeichnung der Lage und Größe des Meßflecks 2a auf dem Meßobjekt 2 mittels sichtbarem Licht 6.

Die Visiereinrichtung 5 besteht im wesentlichen aus ei­ ner Lichtquelle 5a, einer beispielsweise durch ein ho­ lografisches Element 5b gebildeten diffraktiven Optik und einem zusätzlichen brechenden und/oder re­ flektierenden optischen Element 5c. Die Lichtquelle 5a sendet eine Referenzwelle 6a auf das holografische Ele­ ment 5b, wobei ein sich kegelförmig öffnendes Holo­ gramm 6b entsteht, das durch Dias optische Element 5c so umgeformt wird, daß es eine Intensitätsverteilung 6c bildet, die die Lage und Größe des Meßflecks 2a über alle Meßentfernungen beschreibt.

Als Lichtquelle 5a zur Erzeugung der Referenzwelle wird zweckmäßigerweise ein Laser verwendet. Es ist jedoch auch möglich, eine Halbleiter-Leuchtdiode oder eine thermische Lichtquelle einzusetzen. Bei Benutzung einer thermischen Lichtquelle wird zweckmäßigerweise ein Fil­ ter vorgesehen, um die chromatischen Fehler zu verrin­ gern.

Das optische System 4 wird durch einen dichroitischen Strahlteiler 4a und eine Infrarotlinse 4b gebildet. Die vom Meßfleck 2a ausgehende Wärmestrahlung 3 gelangt zunächst auf den Strahlteiler 4a der, die Wärme­ strahlung, d. h. die Infrarotstrahlung, um 90° umlenkt und der Infrarotlinse 4b zuführt.

Nachdem der Strahlungsteiler 4a zwangsläufig im Strah­ lengang der Visiereinrichtung 5 liegen muß, ist dieser als dichromatischer Strahlteiler 4a ausgebildet, der für die vom Meßfleck 2a ausgehende Wärmestrahlung reflek­ tierend und für das sichtbare Licht der Visiereinrich­ tung 5 durchlässig ist.

Die Größe der zu erzeugenden Markierung hängt im we­ sentlichen von zwei Parametern ab, nämlich der Meßent­ fernung und der gewünschten Meßgenauigkeit. Die Meß­ genauigkeit ergibt sich aus dem Prozentsatz der vom Meßfleck ausgehenden und auf den Detektor fokussierten Strahlen. Man kann die Fläche des Meßflecks beispiels­ weise dadurch definieren, daß 90% der ausgehenden Strahlung auf den Detektor gelangt. Je nach Anwendungs­ fall kann dieser Prozentsatz jedoch auch verändert wer­ den.

Um sicherzustellen, daß in jeder Meßentfernung die er­ zeugte Markierung zur Kennzeichnung des Meßflecks die richtige Größe für die gewünschte Meßgenauigkeit auf­ weist, ist das optische Element 5c vorgesehen, das auf das optische System 4 abgestimmt ist.

Die Fig. 2a bis 2g zeigen Lichtintensitätsverteilungen, wie sie auf dem Meßobjekt 2 zur Kennzeichnung des Meß­ flecks 2a hervorgerufen werden können. Die Fig. 2a bis 2d zeigen kreisringförmige Markierungen, die den Meß­ fleck 2a im wesentlichen ummalen. Die Markierungen kön­ nen dabei wie in den Fig. 2a und 2c als geschlossener Kreisring 3a oder in den Fig. 2b und 2d als unterbroche­ ner Kreisring 3b ausgestaltet sein. Dabei kann es auch zweckmäßig sein, die Mitte des Meßflecks durch eine weitere, beispielsweise punktförmige Markierung 3c dar­ zustellen.

In den Fig. 2e und f sind die Lichtintensitätsverteilun­ gen als kreuzförmige Markierungen 3d bzw. 3e darge­ stellt. Der Kreuzungspunkt stellt dabei die Mitte und die vier Eckpunkte die äußeren Begrenzungen des Meß­ flecks 2a dar.

Eine sehr zweckmäßige Lichtintensitätsverteilung ist in Fig. 2g in Form von mehreren konzentrischen Kreisen 3f, 3g, 3h dargestellt. Jeder Kreis stellt dabei einen Be­ reich des Meßflecks 2a dar, aus dem ein bestimmter Prozentsatz der Energie der empfangenen Wärmestrahlung stammt. So könnte beispielsweise der innere Kreis 3f für den Bereich des Meßflecks stehen, aus dem 90% der Energie stammt, die auf den Detektor trifft. Der zweite Ring 3g steht für einen Energiewert von 95% und der dritte Ring 3h würde einem Energiewert von 99% ent­ sprechen. Mit Hilfe einer derartigen Lichtintensitäts­ verteilung kann der Benutzer erkennen, mit welcher Ge­ nauigkeit er Meßobjekte bestimmter Größe messen kann.

In Fig. 3 ist eine weitere Vorrichtung zur Temperaturmessung dargestellt. Dabei wurden für gleiche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet. Dieses zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von ersterem im wesentlichen durch seine Ausgestaltung des optischen Systems 4 und des optischen Elementes 5'c der Visiereinrichtung 5. Das optische Element 5'c ist in Fig. 3 als ringförmige Linse ausgebildet und ist dem­ nach zur Erzeugung einer der Lichtintensitätsvertei­ lungen gemäß den Fig. 2a bis 2d ausgelegt. Die Infrarot­ linse 4'b ist so angeordnet, daß sie von der ringförmi­ gen Linse 5'c umgeben wird. Der Detektor 1 ist dann zwischen holografischem Element 5b und der Infrarot­ linse 4'b vorgesehen.

Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, daß auf einen Strahlteiler verzichtet werden kann. Man muß jedoch eine etwas kompliziertere Befestigung des Detektors 1 in Kauf nehmen, da hierdurch nicht das sich kegelförmig öffnende Hologramm 6b beeinträchtigt werden darf.

In dem in Fig. 4 dargestellten dritten Ausführungsbei­ spiel wird das Problem der Halterung des Detektors 1 dadurch umgangen, daß zwischen holografischem Ele­ ment 5b und der Anordnung aus ringförmiger Linse 5c und Infrarotlinse 4'b der Strahlteiler 4'a vorgesehen ist. Die vom Meßfleck 2a ausgehende Wärmestrahlung wird so­ mit zunächst von der Infrarotlinse 4'b auf den Strahl­ teiler 4'a fokussiert und dort um 90° auf den Detek­ tor 1 abgelenkt.

Während alle bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele fernfokussierte Systeme betrafen, wird in Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem der Meßfleckver­ lauf eines nahfokussierten Systems mit Hilfe einer dif­ fraktiven Optik sichtbar gemacht werden kann. Die Meß­ ebene, d. h. das Meßobjekt 2 liegt hier direkt in der Fokusebene des optischen Systems 4. In der Zeichnung sind jeweils zwei das Infrarotstrahlenbündel begren­ zende Strahlen 3i, 3k dargestellt. Der Strahl 3i ver­ läuft vom oberen Rand der Infrarotlinse 4'b zum oberen Rand des Meßflecks 2a bzw. vom unteren Rand der Infrarotlinse 4'b zum unteren Rand des Meßflecks. Der Strahl 3k verläuft hingegen zum unteren Rand der Infra­ rotlinse 4'b zum oberen Rand es Meßflecks 2a bzw. vom oberen Rand der Infrarotlinse 4'b zum unteren Rand des Meßflecks.

Das optische Element 5'c der Visiereinrichtung 5 ist so ausgelegt, daß zwei Intensitätskegel 6d und 6e entste­ hen, die im wesentlichen dem Verlauf der Randstrahlen 3k und 3i folgen. Dabei beschreibt der Intensitätskegel 6e die Größe des Meßflecks bis zur Fokusebene und der Intensitätskegel 6d den divergierenden Meßfleck nach der Fokusebene.

Ein Nachteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß der Intensitätskegel 6d innen am Randstrahl 3k ver­ läuft, während der Intensitätskegel 6e außem am Rand­ strahl 3i verläuft. Durch eine andere Gestaltung des brechenden und/oder reflektierenden optischen Ele­ ments 5'c läßt sich dieser Nachteil jedoch beheben.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 könnte die Lichtintensitätsverteilung zweckmäßigerweise durch zwei kreisförmige, konzentrische Markierungen gebildet wer­ den, wobei die eine kreisförmige Markierung den zwi­ schen dem optischen Element 5'c und der Fokusebene lie­ genden Meßfleck und die andere Markierung den - vom op­ tischen Element aus gesehen - hinter der Fokusebene liegenden Meßfleck kennzeichnet.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Temperaturmessung enthaltend

• a) einen Detektor (1) zum Empfang einer von einem Meßfleck (2a) auf einem Meßobjekt (2) ausgehen­ den Wärmestrahlung (3),
• b) ein optisches System (4) zur Abbildung der vom Meßfleck (2a) ausgehenden Wärmestrahlung (3) auf den Detektor (1)
• c) sowie eine Visiereinrichtung (5) zur Kennzeich­ nung der Lage und Größe des Meßflecks (2a) auf dem Meßobjekt (2) mittels sichtbarem Licht (6),

dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Visiereinrichtung (5) eine diffraktive Optik zur Erzeugung einer Lichtintensitätsverteilung aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Visiereinrichtung (5) ferner wenigstens ein zusätzliches, brechendes und/oder reflektierendes optisches Element (5c, 5'c) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die diffraktive Optik durch ein holografisches Element (5b) gebildet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Ausgestaltung der diffraktiven Optik, daß die Lichtintensitätsverteilung auf dem Meßobjekt (2) eine kreisringförmige Markierung (3a; 3b) bil­ det.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtintensitätsverteilung durch wenigstens zwei kreisförmige, konzentrisch zueinander angeord­ nete Markierungen (3f, 3g, 3h) gebildet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtintensitätsverteilung zusätz­ lich eine die Mitte des Meßflecks (2a) darstellende wei­ tere Markierung (3c) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Ausgestaltung der diffraktiven Optik, daß die Lichtintensitätsverteilung auf dem Meßobjekt (2) eine kreuzförmige Markierung (3d, 3e) bildet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisringförmigen, konzentrischen Markierun­ gen (3f, 3g, 3h) jeweils einen Bereich des Meßflecks (2a) kennzeichnen, aus dem ein bestimmter Prozentsatz der Energie der empfangenen Wärmestrahlung stammt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (4) eine Fokusebene aufweist, wobei die eine kreisförmige Markierung den zwischen dem optischen Element (5c, 5c') und der Fokusebene liegenden Meßfleck (2a) und die andere Markierung den - vom optischen Element aus gesehen - hinter der Fokusebene liegenden Meßfleck kennzeichnet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Visiereinrichtung (5) eine Lichtquelle (5a), insbesondere einen Laser, zur Bestrahlung der dif­ fraktiven Optik aufweist.

11. Vorrichtung anch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der Visiereinrichtung (5) ein Strahlteiler (4a, 4'a) angeordnet ist, der für das sichtbare Licht (6) durchlässig ist und für die vom Meßobjekt (2) ausgehende Wärmestrahlung (3) reflektierend wirkt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (5c, 5c') als Ringlinse und das optische System (4) als Infrarotlinse (4'b) ausge­ bildet ist, wobei die Ringlinse um die Infrarotlinse (4'b) angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (4a) zwischen optischem Element (5c) und dem Meßobjekt (2) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (4'a) zwischen diffraktiver Op­ tik und dem zusätzlichen optischen Element (5'c) angeordnet ist.