DE1122284B

DE1122284B - Einrichtung zur fotoelektrischen Abtastung einer ablaufenden Bahn od. dgl. auf optisch erkennbare Abweichungen

Info

Publication number: DE1122284B
Application number: DEL34350A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Felix Lentze
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1959-09-28
Filing date: 1959-09-28
Publication date: 1962-01-18
Also published as: CH399002A; BE595258A; GB960596A; US3005916A; NL256233A

Description

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 fotoelektrische Abtastung an.

Bereits seit langem hat man sich mit der fotoelektrischen Oberflächenprüfung von bewegten Materialien, 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 fotoelektrischen Empfängern zur Abtastung des beleuchteten Teiles der Bleche verwendet wird. Beim Auftreten von Oberflächenfehlern ändert sich der reflektierte Lichtstrom, wodurch die diese fehlerhafte Stelle abtastende fotoelektrische Empfangseinrichtung ein Fehlersignal 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 anderen ist die Einstellung der zahlreichen fotoelektrischen Empfänger auf gleiche Empfindlichkeit sehr umständlich, zumal diese Einstellung infolge Änderungen der Empfindlichkeit der fotoelektrischen Empfänger fortlaufend vorgenommen werden muß.

Es ist eine fotoelektrische 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 Ausfallwinkel von fotoelektrischen 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 Einrichtung zur fotoelektrischen Abtastung

einer ablaufenden Bahn od. dgl.
auf optisch erkennbare Abweichungen

Anmelder:

Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H.,
Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1

Dipl.-Ing. Felix Lentze, Berlin-Siemensstadt,
ist als Erfinder genannt worden

den Spalt abbildenden Optik ist der Drehspiegel angeordnet.

Es ist auch bekannt, unabhängig von der Art der Abtastung den fotoelektrischen Empfangseinrichtungen Fehlerbewertungsstufen nachzuschalten bzw. andere Hilfsmaßnahmen, z. B. eine flache und flatterfreie Führung der abzutastenden Materialbahn, vorzunehmen.

Bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren der zellenförmigen 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 hintereinandergeschalteter Fotomultiplier 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 zusätzliehe optische Hilfsmittel zur Erfassung des Mittelwertes des reflektierten Lichtes notwendig sind, muß der Teil der abzutastenden Oberfläche, auf dem die Abtastlinie verläuft, einschließlich der beobachtenden sehr empfindlichen Multiplier in einem dunklen Kasten untergebracht werden, wobei sich Streulicht 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 gegenüber der Umwelt »abgedichtet« werden muß. Dies ist jedoch unter

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anderem deshalb schwierig, weil bewegte Bahnen, und der dem abzutastenden Stoff eigenen typischen

Bogen od. dgl. abgetastet werden. Beim Abtasten von Reflexionseigenschaften von dem Winkel zwischen

Materialien mit unterschiedlicher Stärke bereitet diese dem auftreffenden und reflektierten (beobachteten)

Abdichtung ebenfalls Schwierigkeiten. Strahlenbündel abhängig ist. Eine erhebliche Stei-

Es ist weiterhin eine Abtasteinrichtung der anfangs 5 gerung des Kontrastes bei Unebenheiten erhält man beschriebenen Art mit zellenförmiger Abtastung einer bei Anleuchtung in streifender Inzidens bzw. wenn Oberfläche durch einen mittels eines Drehspiegels die Beobachtung unter einem von der Anleuchtung bewegten Lichtfleck bekannt, bei der eine grund- unterschiedlichen Winkel erfolgt. Zur Erläuterung sei sätzlich andere Methode der Beobachtung des schnell auf die Fig. 1 und 2 hingewiesen, bei denen die abbewegten Lichtfleckes angewendet wird. Diese io zutastende Oberfläche einer Papierbahn 1, deren UnMethode wird als Autokollimationsverfahren bezeich- ebenheiten 17 mit schräg einfallendem Licht 18 benet. Dieses vorteilhafte Verfahren der Beobachtung leuchtet werden, so daß bei diesen Unebenheiten des Licbtfleckes besteht darin, daß der Lichtfleck über gemäß Fig. 2 eine Schattenseite 19 und aufgehellte dieselben optischen Elemente, wie Objektiv zur Ab- Seite 20 entstehen.

bildung des beleuchteten Spaltes, Drehspiegel, ZyBn- 15 Die Aufgabe der Erfindung besteht somit einmal derlinse usw., durch die er auf die Bahn abgebildet darin, eine andere Möglichkeit der Teilung zwischen wird, längs des einfallenden Lichtweges zurück abge- einfallendem und reflektiertem Lichtbündel bei einer bildet wird. Im Strahlengang zwischen Objektiv und Abtasteinrichtung nach dem Autokollimationsprinzip beleuchtetem Spalt ist ein haJbdurchlässiger Spiegel vorzusehen und zum anderen die Bündel so zu geneigt angeordnet, der das durch Autokollimation ao führen, daß auch bei einer Abtasteinrichtung nach erhaltene Bild des Bahn-Lictatfleckes auf einen foto- dem Autokollimationsverfahren ein von »Null« verelektrischen Empfänger umlenkt. schiedener Winkel zwischen dem auftreffenden und

Bei diesem Verfahren wird somit immer gerade reflektierten beobachteten Lichtbündel vorhanden ist. nur der Teil der Abtastlinie beobachtet, auf dem sich Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Einrichder Lichtfleck befindet, während bei den bekannten »5 rung zur fotoelektrischen Abtastung einer ablaufenden Einrichtungen die gesamte Abtastlinie beobachtet Bahn aus Papier, Textil, Kunststoff od. dgl. auf opwird. Da der Lichtfleck selbst eine sehr hohe Leucht- tisch erkennbare Abweichungen, bei der ein Bild dichte hat, kann die gesamte Abtastlinie normaler eines beleuchteten Spaltes über einen Dreh- oder Tageshelligkeit ausgesetzt werden, ohne daß dies den Schwenkspiegel reflektiert und dann durch eine Abtastvorgang störend beeinflußt. Es ist keine totale 3° Zylinderlinse auf der Bahn zu einem Lichtpunkt fo-Abschirmung der Abtastlinie notwendig. Bei diesem kussiert wird, der nach dem Autokollimationsprinzip vorteilhaften Verfahren wird somit dadurch, daß das auf einen fotoelektrischen Empfänger reflektiert von dem fotoelektrischen Empfänger zu beobachtende wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das einBild des Lichtfleckes mittels des Schwenkspiegels fallende und reflektierte Lichtbündel an der Zydem einfallenden Licht zur Erzeugung des Lioht- 35 linderlinse und vor dem Bildort des Spaltes im refleckes nachgeführt wird, die Beobachtung des be- flektierten Bündel geometrisch geteilt sind, so daß das wegten Lichtfleckes auf eine Beobachtung eines einfallende Bündel durch den einen Teil, das reflek- »quasi« ruhenden Lichtfleckes zurückgeführt. tierte Bündel durch den anderen Teil der Zylinder-

Es ist die Aufgabe der Erfindung, das vorstehend linse tritt, wobei zwischen auf die Bahn auffallendem

beschriebene Autokollimationsverfahren unter Bei- 4» und reflektiertem Bündel ein von 180° verschiedener

behaltung des vorteilhaften Prinzips der Beobachtung Winkel eingeschlossen wird.

des Lichtfleckes im wesentlichen in folgenden beiden Die erfindungsgemäße Abtasteinrichtung vereinigt

Punkten zu verbessern. Durch den zur Teilung folgende Vorteile in sich:

zwischen einfallendem und reflektiertem Strahlen- Da die Beobachtung des bewegten Lichtfleckes bündel vorgesehenen halbdurchlässigen Spiegel kön- 45 nach dem bekannten Autokollimationsverfahren ernen Störungen deshalb auftreten, weil der vom ein- folgt, kann in bekannter Weise ebenfalls nur Licht fallenden Lichtbündel am halbdurchlässigen Spiegel vom abgebildeten Lichtfleck auf der Bahn zum bereflektierte Lichtanteil als Streulicht auf den aus op- obachtenden lichtelektrischen Empfänger gelangen, tischen Gründen in der Nähe des halbdurohlässigen Streulicht von anderen Stellen der Bahn wirkt sich Spiegels angeordneten hochempfindlichen Multiplier 50 nicht störend aus.

gelangen kann. Obwohl dieses Streulicht durch eine An Stelle der Bündelteilung mittels eines halb-

Schwärzung des den halbdurchlässigen Spiegel und durchlässigen Spiegels wird erfindungsgemäß eine

den Multiplier umgebenden Raumes sehr klein ge- geometrische Teilung von einfallendem und reflek-

macht werden kann, kann es deshalb bereits zur Aus- triertem Lichtbündel an der Zylinderlinse und an

steuerung des Multipliers genügen, weil dieser wegen 55 dem Spaltbild im reflektierten Bündel vorgenommen,

des geringen von der Bahn reflektierten Lichtanteiles die nicht die Nachteile der Spiegelteilung besitzt. Es

sehr empfindlich eingestellt werden muß. ist an sich zu Abtastzwecken bekannt, ein auf eine

Es kommt ein weiteres hinzu. Da infolge des Fläche auftreffendes und das an dieser Fläche reflek-Prinzips der Autokollimation das beobachtete Licht- tierte Strahlenbündel so zu führen, daß die beiden bündel längs des einfallenden Lichtweges verläuft, ist 60 Bündel jeweils nur durch einen Teil des abbildenden bei der bekannten Abtastvorrichtung der Winkel optischen Systems gehen. Ebenso ist diese Bündelzwischen dem auf die Bahn auftreffenden und an der teilung in einem optischen System zur Beleuchtung Bahn reflektierten Bündel im wesentlichen gleich bzw. zur Beobachtung bei Mikroskopen bekannt. Im »Null«. Dies führt dazu, daß kleinste Unebenheiten, ersten Fall erfolgt die Teilung jedoch nicht unmittelwie Falten od. dgl., nicht mit einer genügenden Sicher- 65 bar im optischen Element, während sie im zweiten heit erkannt werden können, da für den abtastenden Fall zur Lösung einer anderen Aufgabe dient. Es ist Lichtfleck im wesentlichen kein Hell-Dunkel-Kontrast auch bei Abtasteinrichtungen bekannt, zwei Strahlenvorhanden ist, der außer von der Beleuchtungsstärke bündel zur Abtastung zu verwenden, wobei das eine

Bündel über den einen Teil und das zweite Bündel über den anderen Teil des optischen Systems geht. Die Beobachtung der Lichtflecke erfolgt jedoch anders wie 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 180° 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 fotoelektrischen 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 Kondensatorlinse 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 (Paraboloidspiegel) an.

Der Lichtfleck 6 wird nach dem Autokollimationsprinzip von dem fotoelektrischen Empfänger?, der zweckmäßig als Fotomultiplier 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? nur das reflektierte Licht gelangt, das durch den linken Teil der Zylinderlinse 5 tritt. Die Teilung 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 Zylinderlinse 5 erstreckt (Lichtfleckbild). Der über dem rechten Teil der Zylinderlinse liegende Bildteil fällt dabei mit dem den Lichtfleck erzeugenden Spaltbild zusammen. Das gesamte durch optische Abbildung mittels der Zylinderlinse 5 erhaltene Lichtfleckbild wird über den Drehspiegel und die Optik4 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 fotoelektrischen 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 180° 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.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Einrichtung zur fotoelektrischen Abtastung einer ablaufenden Bahn aus Papier, Textil, Kunststoff od. dgl. auf optisch erkennbare Abweichungen, bei der ein Bild eines beleuchteten Spaltes über einen Dreh- oder Schwenkspiegel reflektiert und dann durch eine Zylinderlinse auf der Bahn zu einem Lichtpunkt fokussiert wird, der nach dem Autokollomationsprinzip auf einen fotoelektrischen 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 anderen Teil der Zylinderlinse tritt, wobei zwischen auf die Bahn auffallendem und reflektiertem Bündel ein von 180° verschiedener Winkel eingeschlossen wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als fotoelektrischer Empfänger ein Fotomultiplier dient.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausgleich unterschiedlicher Lichtweglängen bei der Bewegung des Lichtpunktes quer zur Bahn Korrekturmittel vorgesehen sind.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Lichtweglängcnausgleich der Dreh- bzw. Schwenkspiegel im Brennpunkt eines P:iraboloidspiegels angeordnet ist.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierte Lichtbündel über einen Spiegel (8) und durch ein

weiteres optisches System (9) dem fotoelektrischen Empfänger zugeführt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 952 155, 741 872. 822;

USA.-Patentschriften Nr. 2 570 288, 2 730 922; Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 036 537, 007 077, 1 016 034;

Deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1 771 363; Das Papier, 12 (1958), S. 505 bis 512; französische Patentschrift Nr. 1 109 416.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen