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Einrichtung zur photoelektrischen Abtastung einer ablaufenden
Bahn od. dgl. auf optisch erkennbare Abweichungen
In verschiedenen Industriezweigen, insbesondere in der Papierindustrie, besteht die Aufgabe, eine ablaufende Materialbahn oder sonstige Gegenstände, wie Bleche, Bögen usw.. auf optisch erkennbare
Abweichungen, wie Flecken, Falten, Löcher, Risse, Fremdkörpereinschlüsse od. dgl., zu untersuchen und in Abhängigkeit von diesem Ergebnis die fehlerhaften Teile auszusortieren. Bei dem heutigen Bestreben zur Automatisierung ist man bemüht, die Untersuchungen nicht wie früher durch Menschen, sondern durch eine technische Einrichtung vorzunehmen. Zur Lösung dieses Problems bietet sich die photoelektrische
Abtastung an.
Bereits seit langem hat man sich mit der photoelektrischen Oberflächenprüfung von bewegten Mate- rialien, insbesondere von Blechen, beschäftigt. Es ist eine Einrichtung bekannt, bei der eine sich quer zur
Bewegungsrichtung der Bleche erstreckende linienförmige Lichtquelle zur Beleuchtung der Bleche sowie eine ebenfalls in Querrichtung ausgedehnte Anordnung von aneinandergereihten photoelektrischenEmpfän- gern zur Abtastung des beleuchteten Teiles der Bleche verwendet wird. Beim Auftreten von Oberflächen- fehlern ändert sich der reflektierteLichtstrom, wodurch die diese fehlerhafte Stelle abtastende photoelek- trische Empfangseinrichtung einFehlersignal erzeugt, das entsprechend verstärkt einen Sortiervorgang einleitet.
Oberflächenabtasteinrichtungen dieser Art haben den Nachteil, dass die gleichmässige Beleuchtung des von dem Licht getroffenen Streifens infolge der ausgedehnten Lichtquelle recht schwierig ist. Zum andern ist die Einstellung der zahlreichen photoelektrischen Empfänger auf gleiche Empfindlichkeit sehr umständlich, zumal diese Einstellung infolge Änderungen der Empfindlichkeit der photoelektrischen Empfänger fortlaufend vorgenommen werden muss.
Es ist eine photoelektrische Oberflächenabtasteinrichtung bekannt, die diese Nachteile vermeidet.
Bei dieser bekannten Einrichtung wird zur Abtastung nur ein kleiner Lichtfleck verwendet, der mittels eines umlaufenden Spiegelrades (Drehspiegel) zeilenweise quer zur Bewegungsrichtung der abzutastenden Oberfläche bewegt wird. Der abtastende Lichtstrahl fällt dabei unter einem bestimmten Winkel auf die Oberfläche und wird im wesentlichen unter dem Ausfallswinkel von photoelektrischen Empfängern, die beim Abtasten der Oberflächenfehler ein Fehlersignal erzeugen, beobachtet. Der Lichtfleck auf der Bahn wird in der Weise erzeugt, dass das Bild eines beleuchteten Spaltes mittels einer Zylinderlinse zu einem Lichtfleck fokussiert wird. Zwischen der Zylinderlinse und der den Spalt abbildenden Optik ist der Drehspiegel angeordnet.
Es ist auch bekannt, unabhängig von der Art der Abtastung den photoelektrischen Empfangseinrichtungen Fehlerbewertungsstufen nachzuschalten bzw. andere Hilfsmassnahmen, z. B. eine flache und flatterfreie Führung der abzutastenden Materialbahn vorzunehmen.
Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren der zeilenförmigen Abtastung einer Oberfläche mit einem Lichtfleck ist die Beobachtung des schnell bewegten Lichtfleckes ein Hauptproblem.
Bei einer bekannten Einrichtung wird dieser Lichtfleck so erfasst, indem mittels zweier hinterenandergeschalteter Photomultiplier die gesamte von dem Lichtfleck auf der Oberfläche überfahrene Abtastlinie gleichzeitig beobachtet wird. Dieses Verfahren der direkten Beobachtung des abtastenden Lichtfleckes weist jedoch erhebliche Nachteile auf. Abgesehen davon, dass zwei teure Multiplier oder sonstige
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zusätzliche optische Hilfsmittel zur Erfassung des Mittelwertes des reflektierten Lichtes notwendig sind, muss der Teil der abzutastenden Oberfläche auf dem die Abtastlinie verläuft, einschliesslich der beobach- tenden, sehr empfindlichen Multiplier in einem dunklen Kasten untergebracht werden, wobei sich Streu- licht stark bemerkbar macht.
Da die gesamte Abtastlinie gleichzeitig beobachtet wird, stört jegliches
Licht auf der Abtastlinie, gleichgültig an welcher Stelle der Abtastlinie sich der abtastende Lichtfleck gerade befindet. In diesen Kasten darf deshalb auch kein Streulicht von aussen fallen, weshalb er gegen- über der Umwelt"abgedichtet"werden muss. Dies ist jedoch unter anderem deshalb schwierig. weil be- wegte Bahnen, Bogen od. dgl. abgetastet werden. Beim Abtasten von Materialien mit unterschiedlicher
Stärke bereitet diese Abdichtung ebenfalls Schwierigkeiten.
Es ist weiterhin eine Abtasteinrichtung der anfangs beschriebenen Art mit zeilenförmiger Abtastung einer Oberfläche durch einen mittels eines Drehspiegels bewegten Lichtfleck bekannt, bei der eine grund- sätzlich andere Methode der Beobachtung des schnell bewegten Lichtfleckes angewendet wird. Diese Me- thode wird als Autokollimationsverfahren bezeichnet. Dieses vorteilhafte Verfahren der Beobachtung des
Lichtfleckes besteht darin, dass der Lichtfleck über dieselben optischen Elemente, wie Objektiv zur Ab- bildung des beleuchteten Spaltes, Drehspiegel, Zylinderlinse usw., durch die er auf die Bahn abgebildet wird, längs des einfallenden Lichtweges zurück abgebildet wird.
Im Strahlengang zwischen Objektiv und beleuchtetem Spalt ist ein halbdurchlässiger Spiegel geneigt angeordnet, der das durch Autokollimation erhaltene Bild des Bahn-Lichtfleckes auf einen photoelekuischen Empfänger umlenkt.
Bei diesem Verfahren wird somit immer gerade nur der Teil der Abtastlinie beobachtet, auf dem sich der Lichtfleck befindet, während bei den bekannten Einrichtungen die gesamte Abtastlinie beobachtet wird. Da der Lichtfleck selbst eine sehr hohe Leuchtdichte hat, kann die gesamte Abtastlinie normaler
Tageshelligkeit ausgesetzt werden, ohne dass dies den Abtastvorgang störend beeinflusst. Es ist keine tota- le Abschirmung der Abtastlinie notwendig. Bei diesem vorteilhaften Verfahren wird somit dadurch, dass das von dem photoelektrischen Empfänger zu beobachtende. Bild des Lichtfleckes mittels des Schwenkspiegels dem einfallenden Licht zur Erzeugung des Lichtfleckes nachgeführt wird, die Beobachtung des bewegten Lichtfleckes auf eine Beobachtung eines "quasi" ruhenden Lichtfleckes zurückgeführt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, das vorstehend beschriebene Autokollimationsverfahren unter Beibehaltung des vorteilhaften Prinzips der Beobachtung des Lichtfleckes im wesentlichen in folgenden beiden Punkten zu verbessern. Durch den zur Teilung zwischen einfallendem und reflektiertem Strahlenbündel vorgesehenen halbdurchlässigen Spiegel können Störungen deshalb auftreten, weil der vom einfallenden Lichtbündel am halbdurchlässigen Spiegel reflektierte Lichtanteil als Streulicht auf denaus optischen Gründen in der Nähe des halbdurchlässigen Spiegels angeordneten hochempfindlichen Multiplier gelangen kann.
Obwohl dieses Streulicht durch eine Schwärzung des den halbdurchlässigen Spiegel und den Multiplier umgebenden Raumes sehr klein gemacht werden kann, kann es deshalb bereits zurAussteuerung des Multipliers genügen, weil dieser wegen des geringen von der Bahn reflektierten Lichtanteiles sehr empfindlich eingestellt werden muss.
Es kommt ein weiteres hinzu. Da infolge des Prinzips der Autokollimation das beobachtete Lichtbündel längs des einfallenden Lichtweges verläuft, ist bei der bekannten Abtastvorrichtung der Winkel zwischen dem auf die Bahn auftreffenden und an der Bahn reflektierten Bündel im wesentlichen gleich Null Dies führt dazu, dass kleinste Unebenheiten, wie Falten od. dgl., nicht mit einer genügenden Sicherheit erkannt werden können, da für den abtastenden Lichtfleck im wesentlichen kein Hell-Dunkel-Kontrast vorhanden ist, der ausser von der Beleuchtungsstärke und der dem abzutastenden Stoff eigenen typischen Reflexionseigenschaft von dem Winkel'zwischen dem auftreffenden und reflektierten (beobachteten) Strahlenbündel abhängig ist.
Eine erhebliche Steigerung des Kontrastes bei Unebenheiten erhält man bei Anleuchtung in streifender Inzidenz bzw. wenn die Beobachtung unter einem von der Anleuchtung unterschiedlichen Winkel erfolgt. Zur Erläuterung sei auf die Fig. 1 und 2 hingewiesen, bei denen die abzutastende Oberfläche einer Papierbahn 1 und deren Unebenheiten 17 mit schräg einfallendem Licht 18 beleuchtet werden, so dass bei diesen Unebenheiten gemäss Fig. 2 eine Schattenseite 19 und aufgehellte Seite 20 entstehen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit einmal darin, eine andere Möglichkeit der Teilung zwischen einfallendem und reflektiertem Lichtbündel bei einer Abtasteinrichtung nach dem Autokollimationsprinzip vorzusehen und zum andern die Bündel so zu führen, dass auch bei einer Abtasteinrichtung nach dem Autokollimationsverfahren ein von Null verschiedener Winkel zwischen dem auftreffenden und reflektierten beobachteten Lichtbündel vorhanden ist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Einrichtung zur photoelektrischen Abtastung einer ablau- fenden Bahn aus Papier, Textilien, Kunststoff od. dgl. auf optisch erkennbare Abweichungen, bei der ein Bild eines beleuchteten Spaltes über einenDreh- oderSchwenkspiegel reflektiert und dann durch eineZy-
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linderlinse auf der Bahn zu einem Lichtfleck fokussiert wird, der nach dem Autokollimationsprinzip auf einen photoelektrischen Empfänger reflektiert wird, erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das einfallende und reflektierte Lichtbündel an der Zylinderlinse und vor dem Bildort des Spaltes im reflektierten Bündel geometrisch geteilt sind, so dass das einfallende Bündel durch den einen Teil, das reflektierte Bündel durch den andern Teil der Zylinderlinse tritt,
wobei zwischen auf die Bahn auffallendem und reflektiertem Bündel ein von 1800 verschiedener Winkel eingeschlossen wird.
Die erfindungsgemässe Abtasteinrichtung vereinigt folgende Vorteile in sich:
Da die Beobachtung des bewegten Lichtfleckes nach dem bekannten Autokollimationsverfahren er- folgt, kann in bekannter Weise ebenfalls nur Licht vom abgebildeten Lichtfleck auf der Bahn zum beo- bachtenden lichtelektrischen Empfänger gelangen. Streulicht von andern Stellen der Bahn wirkt sich nicht störend aus.
An Stelle der Bündelteilung mittels eines halbdurchlässigen Spiegels wird erfindungsgemäss eine geo- metrische Teilung von einfallendem und reflektiertem Lichtbündel an der Zylinderlinse und an dem Spaltbild im reflektierten Bündel vorgenommen, die nicht die Nachteile der Spiegelteilung besitzt. Es ist an sich zuAbtastzwecken bekannt, ein auf eine Fläche auftreffendes und das an dieser Fläche reflektierte Strahlenbündel so zu führen, dass die beiden Bündel jeweils nur durch einen Teil des abbildenden optischen Systems gehen. Ebenso ist diese Bündelteilung in einem optischen System zur Beleuchtung bzw. zur Beobachtung bei Mikroskopen bekannt. Im ersten Fall erfolgt die Teilung jedoch nicht unmittelbar im optischen Element, während sie im zweiten Fall zur Lösung einer andern Aufgabe dient.
Es ist auch bei Abtasteinrichtungen bekannt, zwei Strahlenbündel zur Abtastung zu verwenden, wobei das eine Bündel über den einen Teil und das zweite Bündel über den andern Teil des optischen Systems geht. Die Beobachtung der Lichtflecke erfolgt jedoch anders als bei der Einrichtung nach der Erfindung.
Durch die erfindungsgemässe Teilung des einfallenden und ausfallenden Lichtbündels an der Zylinderlinse einer Abtasteinrichtung nach dem Autokollimationsverfahren wird weiterhin mit Vorteil erreicht, dass auch bei einer solchen Abtasteinrichtung das auf die abzutastende Oberfläche auffallende Lichtbündel mit dem reflektierten, d. h. dem beobachteten Lichtbündel einen von 1800 verschiedenen Winkel einschliesst. Damit wird auch die Erfassung von kleinsten Unebenheiten mit einer Abtasteinrichtung nach dem Autokollimationsverfahren mit der vorteilhaften Art der Beobachtung des bewegten Lichtfleckes ermöglicht. Diese Wirkung ist auf Grund der Natur des Autokollimationsverfahrens nicht ohne weiteres vorhersehbar.
Abtasteinrichtungen, bei denen das auf die Oberfläche auftreffende mit dem reflektierten Lichtbündel einen bestimmten Winkel einschliesst, sind an sich bekannt. Bei diesen Einrichtungen wird der Winkel durch die Anordnung der photoelektrischen Empfangseinrichtung ausserhalb des einfallenden Lichtweges dargestellt, während dagegen bei der Abtasteinrichtung nach der Erfindung dieser Winkel durch die erfindungsgemässe geometrische Lichtteilung an der Zylinderlinse erzeugt wird.
Die erfindungsgemässe Abtasteinrichtung vereinigt somit die Vorteile der bekannten Abtasteinrichtungen in sich, ohne jedoch ihre Nachteile mit in Kauf nehmen zu müssen.
Die Erfindung sei an Hand des in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben :
Mit dem Licht einer Lichtquelle 10 bzw. mittels einer Kondensorlinse 11 wird der Spalt 3 beleuchtet. Der Spalt 3 liegt in der oberen Hälfte der optischen Ebene der abbildenden Optik 4. Der Spalt 3 wird durch diese Optik 4 bzw. über einen Schwenk- bzw. Drehspiegel 2 unmittelbar vor der Zylinderlinse 5 abgebildet. Das Spaltbild liegt dabei in diesem Ausführungsbeispiel über dem rechten Teil der senkrecht zur Zeichenebene ausgedehnten Zylinderlinse 5. Dieses Spaltbild wird durch die Zylinderlinse 5 auf der auf Fehler zu untersuchenden Papierbahn 1 zu einem Lichtfleck 6 fokussiert, der mittels des um die Achse 16 rotierenden vielflächigen Spiegelrades 2 senkrecht zur Zeichenebene bewegt wird. Die Bewegungsrichtung der Bahn 1 deutet der Pfeil 13 an.
Die Linie 14 deutet symbolisch das Vorhandensein von optischen Elementen zum Lichtweglängenausgleich (Parabololdspiegel) an.
Der Lichtfleck 6 wird nach dem Autokollimationsprinzip von dem photoelektrischen Empfänger 7, der zweckmässig als Photomultiplier ausgebildet ist, beobachtet. Die erfindungsgemässe geometrische Teilung des reflektierten (beobachteten) Lichtbündels 15 von dem einfallenden Lichtbündel an der Zylinderlinse 5 und am Bildort des Spaltes im reflektierten Bündel gewährleistet dabei, dass auf den Empfänger 7 nur das reflektierte Licht gelangt, das durch den linken Teil der Zylinderlinse 5 tritt. Die Tei- lung kommt in diesem Ausführungsbeispiel dabei wie folgt zustande :
Der für das einfallende Lichtbündel massgebende Spalt 3 wird vor dem rechten Teil der Zylinderlinse abgebildet.
Der durch die Fokussierung dieses Spaltbildes erhaltene Lichtfleck 6 erzeugt bei der RückabBildung oberhalb der Zylinderlinse ein Bild (Schnittpunkte der Strahlen), das sich über die ganze Zylinierlinse 5 erstreckt (Lichtfleckbild). Der über dem rechten Teil der Zylinderlinse liegende Bildteil fällt
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dabei mit dem den Lichtfleck erzeugenden Spaltbild zusammen. Das gesamte durch optische Abbildung mittels der Zylinderlinse 5 erhaltene Lichtfleckbild wird über den Drehspiegel 2 und die Optik 4 in die Ebene des Spaltes 3 abgebildet. Der Teil des Lichtfleckbildes, der auf den Spalt 3 abgebildet wird, d. h. das reflektierte Licht, das durch den rechten Teil der Zylinderlinse tritt, fällt in die Lichtquelle 10 zurück und wird nicht beobachtet.
Dagegen wird der Teil des Lichtfleckbildes (Bildteil über dem linken Teil der Zylinderlinse), der an der strichliert dargestellten Stelle (Bildort des Spaltes im reflektierten Bündel) abgebildet werden würde, d. h. das von der Bahn 1 reflektierte Licht, das durch den linken Teil der Zylinderlinse tritt, mittels des Spiegels 8 umgelenkt und durch eine Optik 9 auf den photoelektrischen Empfänger 7 abgebildet, dessen dem Oberflächenzustand der Bahn entsprechendes Ausgangssignal in bekannter Weise weiterverarbeitet wird.
Wie man aus Fig. 3 erkennt, wird durch die geometrische Lichtteilung erreicht, dass das auf die Bahn auffallende mit dem durch den linken Teil der Zylinderlinse reflektierten Lichtbündel einen von 1800 verschiedenen Winkel einschliesst, so dass Unebenheiten auf der Bahn, z. B. Falten, gemäss Fig. 2 einen starken Kontrast aufweisen und damit am Empfänger 7 ein entsprechendes Signal erzeugen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur photoelektrischen Abtastung einer ablaufenden Bahn aus Papier, Textilien, Kunst-
EMI4.1
Lichtfleck fokussiert wird, der nach dem Autokollimationsprinzip auf einen photoelektrischen Empfänger reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das einfallende und reflektierte Lichtbündel an der Zylinderlinse und vor dem Bildort des Spaltes im reflektierten Bündel geometrisch geteilt sind, so dass das einfallende Bündel durch den einen Teil, das reflektierte Bündel durch den andern Teil der Zylinderlinse tritt, wobei zwischen auf die Bahn auffallendem und reflektiertem Bündel ein von 1800 verschiedener Winkel eingeschlossen wird.