-
Lichtelektrische Abtastvorrichtung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Abtastung durchlaufender diffus reflektierender Flächen, bei welcher durch ein
in einer Ebene fokussiertes Beleuchtungsstrahlenbündel ein schmaler Lichtfleck erzeugt
und mittels beweglicher optischer Glieder periodisch über die Flächen quer zu deren
Durchlaufrichtung geführt wird, so daß die Flächen zeilenweise abgetastet werden,
und bei welcher der Lichtfleck durch ein aus der diffus reflektierenden Strahlung
ausgeblendetes Strahlenbündel auf eine lichtelektrische Empfängeranordnung abgebildet
wird, das mit der Flächennormalen einen spitzen Winkel einschließt.
-
Es sind Vorrichtungen dieser Art bekannt, bei denen durch ein in einer
Ebene fokussiertes Beleuchtungsstrahlenbündel ein schmaler Lichtfleck erzeugt und
mittels beweglicher optischer Glieder, z. B. Spiegel- oder Linsenrädern, periodisch
über die abzutastenden Flächen quer zu deren Durchlaufrichtung geführt wird, so
daß die Flächen zeilenweise abgetastet werden. Bei einer bekannten Anordnung dieser
Art wird mittels zweier Sekundärelektronenvervielfacher die gesamte Strahlung der
von dem Lichtfleck überstrichenen Abtastlinie erfaßt. Bei einer solchen Anordnung
stört jegliches Licht auf dieser Abtastlinie, gleichgültig, an welcher Stelle der
Abtastlinie der abtastende Lichtfleck sich befindet. Es ist deshalb eine absolute
Abschirmung gegen Streu- und Frerndlicht erforderlich, die aus einleuchtenden Gründen
in der Praxis recht erhebliche Schwierigkeiten macht. Es sind ferner Vorrichtungen
zur photoelektrischen Abtastung von Papierbahnen bekannt, bei denen die abzutastende
Bahn von einer Reihe von Lampen möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet wird und die
so ausgeleuchtete Papierbahn von einer Photozelle über ein Linsenrad über einen
Polygonspiegel periodisch abgetastet wird. Es bietet hier Schwierigkeiten, die Papierbahn
hinreichend gleichmäßig auszuleuchten, so daß die lyhotoelektrischen Signale einen
unerwünscht hohen Störpegel enthalten, der zu besonderen Schaltungsmaßnahmen zwingt
und in deer Praxis doch nicht zu einwandfreien Resultaten führt.
-
Es ist weiterhin eine Abtastvorrichtung bekannt, bei welcher von einem
Beleuchtungsstrahlenbündel, das über ein Spiegelrad geleitet und auf der abzutastenden
Fläche fokussiert ist, ein schmaler Lichtfleck auf dieser Fläche erzeugt und bei
Drehung des Spiegelrades periodisch über die Fläche geführt wird. Die gleichen optischen
Glieder, welche das Beleuchtungsstrahlenbündel auf der abzutastenden Fläche fokussieren,
sammeln ein von der Fläche diffus reflektiertes Strahlenbündel über einen teildurchlässigen
Spiegel im Strahlengang des Beleuchtungsstrahlenbündels auf einem photoelektrischen
Empfänger. Der Lichtfleck wird also im Autokollimationsstrahlengang auf den Empfänger
gesammelt. Bei einer solchen Anordnung erfolgt also sowohl die Beleuchtung als auchdie
Abtastung punktweise über bewegliche optische Glieder z. B. in Gestalt des Spiegelrades.
Es wird stets nur der Fleck beleuchtet, der gerade auch von dem Empfänger abgetastet
wird, und diese Beleuchtung ist bei der Abtastung über die ganze Breite der abzutastenden
Fläche gleichmäßig. Da die Flächenhelligkeit des Lichtfleckes sehr hoch ist und
der Empfänger stets nur diesen Lichtfleck »beobachtet«, spielt der Einfluß von Frerndlicht
kaum eine Rolle, so daß aufwendige Abschirmmaßnahmen entfallen können.
-
Es bietet nun gewisse Schwierigkeiten, bei solchen Einrichtungen Falten
in der abzutastenden Fläche, z, B. in einer abzutastenden Papierbahn, zu erkennen.
Es ist bei einer Anordnung der obenerwähnten Art, bei welcher die Fläche über die
ganze Abtastbreite hinweg ausgeleuchtet und von dem Empfänger über ein Linsenrad
punktweise abgetastet wird, bekannt, die abzutastende Fläche schrag auszuleuchten.
Dabei sollen die Falten einen Schatten werfen, den die Photozelle bei Betrachtung
etwa senkrecht von oben als Hell-Dunkel-Kontrast »sieht«. Bei einem reinen Autokollimationsstrahlengang
mit einem teildurchlässigen Spiegel kann diese Erscheinung aber nicht ausgenutzt
werden, weil die Photozelle in genau der gleichen Richtung auf die abzutastende
Fläche »sieht«, in der die Beleuchtung erfolgL Die Photozelle
kann
also gar keine Schatten »sehen«. Es ist deshalb in einer älteren, nicht vorveröffentlichten
Patentaumeldung eine Anordnung vorgeschlagen, bei welcher zwar für die Erzeugung
des Lichtfleckes auf der abzutastehden Fläche" " und für die Abbildung des
Lichtfleckes auf ein6 photoeloktrischen Empfänger ein und dieselben abbildenden
optischen Glieder benutzt und sowohl das Beleuchtungsstrahlenbündel als auch das
diffus reflektierte, auf den Empfänger fallende Strahlenbündel über einen einzigen
Polygonspiegel geleitet werden, bei welcher aber die Beleuchtung und die Abbildung
des Lichtfleckes auf dem Empfänger unter verschiedenen Winkeln zur abtastenden Fläche
erfolgen. Bei dieser älteren Anordnung wird ein von einer Lichtquelle ausgeleuchteter
Spalt von einem Abbildungsobjektiv über einen rotierenden Polygonspiegel ad einer
Hälfte einer Zylinderlinse abgebildet, die unmittelbar vor der abzutastenden Fläche
angeordnet ist und sich über deren gesamte Breite erstreckt. Durch diese Zylinderlinse
wird das Spaltbild auf der abzutastenden Fläche zu einem schmalen Lichtfleck 'zusammengezogen.
Dabei erfolgt die Erzeugung des Lichtfleckes durch ein Strahlenbündel, das durch
die eine Hälfte der Zylinderlinse auf die abzutasteiide, Fläche fällt. Die zweite
Hälfte der Zylinderlinse wird durch das Abbildungsobjektiv neben dem Beleuchtungsspalt
abgebildet, und dort ist ein geneigter Planspiegel angeordnet, welcher das durch
die zweite Hälfte der Zylinderlinse tretende, diffus reflektierte Strahlenbündel
auf einem photoelektrischen Empfänger leitet. Bei einer solchen Anordnung werden
zwar die Vorteile des Autokollimationsstrahlenganges beibehalten. Es erfolgt eine
gleichmäßige, Ausleuchtung über die Breite der abzutastenden Fläche hinweg, weil
sich der Lichtfleck bei seiner Wanderung nicht ändert, und Störeinflüsse sind weitgehend
ausgeschaltet, weil der Empfänger ständig nur den Lichtfleck »sicht«. Trotzdem »sieht«
der Empfänger den Lichtfleck unter einem anderen Winkel, als die Belichtung erfolgt.
Der Empfänger nimmt daher wahr, wenn durch Faltenbildung ein Schatten entsteht.
-
Wenn auch mit einer solchen Anordnung manche Mängel vorbekannter Abtastvorrichtungen
vermieden werden konnten, so ergab sich dort auch hier ein nur unzureichender Hell-Dunkel-Kontrast
bei Faltenbildung. Das liegt daran, daß zur Erzielung eines einwandfreien Kontrastes
der Winkel zwischen den beiden Richtungen: so groß sein müßte, daß die Lichtsammlung
im einifallenden und im reflektierten Strahlengang durch eine einzige Zylinderlinse
nicht mehr möglich wäre. Bei der Verwendung einer einzigen Linse, wie sie bei der
vorbekannten Anordnung vorgesehen ist, können die Winkel nicht so groß
ge-
halten werden, wie dies für eine eindeutige Erkennung von Falten notwendig
wäre.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der
letzterwähnten oder einer ähnlichen Art.dahingehänd zu verbessern, daß Falten in
der abzutastenden Fläche als deutlich Hell-Dunkel-Impulse an dem photoelektrischen
Empfänger wirksam werden.
-
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das Prinzip der »gchattenbildung«
zu einer befriedigenden Lösung des Problems der Faltenerkennung bei derartigen Vorrichtungen
nicht ausreicht. Daher wird erfindungsgemäß die Anordnung so getroffen, daß in an
sich bekannter Weise das auffallende Lichtbündel schräg auf die Oberfläche auftrifft,
daß in an sich bekannter Weise auffallendes und reflektiertes Bündel auf der gleichen
Seite der Flächennormalen liegen, und daß der Winkel des reflektierten Bündels gegenüber
der Flächennormalen größer ist als der des einfallenden Bündels. Mit einer solchen
Anordnung erhält man beim Auftreten von Falten in der abzutastenden Fläche tatsächlich
scharfe Hellimpulse. Die dabei vorliegenden Verhältnisse sollen an Hand der schematischen
Fig. 1 und 2 näher erläutert werden.
-
Es sei zur Vereinfachung angenommen, daß die zu untersuchende Oberfläche
ein Lambert-Reflektor darstellt, d. h., daß die Leuchtdichte über den ge-samten
Winkelbereich konstant ist. Mit dieser Annahme beträgt der unter einem Winkel ß
reflektierte Lichtstrom 0:t = a) - B - f', wobei o) den erfaßten
Raumwinkel, B die konstante Leuchtdichte und f' die auf eine zur Reflexionsrichtung
senkrechte Ebene projizierte Fläche der beleuchteten Stelle bedeutet. Es sei mit
a die, Lichtquelle (Beleuchtungsspalt) bezeichnet, die mittels einer Abbildungsoptik
b eine Fläche f ausleuchtet. Der Beleuchtungsstrahlengang schließt
einen Winkel a mit der Flächennormalen n ein- Beobachtet wird mittels eines Beobachtungsstrahlenganges
mit einer Gesichtsfeldblende c (Austrittsspalt) unter einem Winkel fl. Da der Winkel
ß größer als der Winkel d ist, wird die Fläche 1
auf jeden Fall
sicher von der Beobachtungsoptik erfaßt, weil die Beobachtungsoptik d ein
größeres Gesichtsfeld besitzt, als von der Beleuchtungsoptik b erfaßt wird.
-
Tritt eine Erhöhung durch eine Falte e der Höhe h
auf der zu
untersuchenden Oberfläche auf, wie in Fig. 2 dargestellt ist, so vergrößert sich
die vom Empfänger »gesehene,« Flächef beim Eintritt der Falte in die beleuchtete
Fläche f um den Betrag h - sin ß,
und man erhält im Beobachtungsstrahlengang
einen Lichtstrom 02 =o,)-B-#f +h-sinß).
-
Die Änderung des Lichtstromes beim Auftreten einer Falte beträgt also
02 = 01 = co B - h - sin Man erhält durch die Falte
also einen Hellimpuls, der um so stärker ist, je größer ß wird. Auch
das Grundsignal 01 ist um so kleiner, je größer fl ist, denn um so
kleiner ist f'. Es ist also für die Erfindung wesentlich, fl möglichst groß zu machen.
Wenn man Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtung vertauschen wollte, also a
> ß machen würde, dann hätte, eine Falte keinerlei Effekt. Denn das
- dann kleinere -
Gesichtsfeld der Beobachtungsoptik wäre mit oder
ohne Falte voll ausgeleuchtet.
-
Die Wahl des Gesichtsfeldes versteht sich dabei für den Durchschnittsfachmann
von selbst -und ist nicht Gegenstand der Erfindung.
-
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt
und im folgenden beschrieben: Fig. 3 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung; Fig. 4 zeigt vergrößert den Strahlengang in der Nähe der abzutastenden
Fläche; Fig. 5 und 6 zeigen im Aufriß und im Grundriß eine andere
konstruktive Ausführungsform der Erfindung.
In Fig. 3 ist
mit 1 eine Lichtquelle, bezeichnet, die mittels einer Kondensorlinse 2 einen
Spalt 3 ausleuchtet. Der Spalt 3 wird in nicht näher dargestellter
Weise über einen rotierenden Polygonspiegel 4 und einen Hohlspiegel 5 auf
einer abzutastenden Fläche 6
abgebildet. Das Spaltbild wird durch eine sich
quer über die Fläche 6 erstreckende Zylinderlinse 7 zu einem scharfen
Punkt zusammengezogen. Hinter einem Teil des Spaltes 3 ist ein geneigter
Spiegel 11
vorgesehen. Wie aus Fig. 3 und noch deutlicher aus Fig.
4 ersichtlich ist, erfaßt der Spiegel 11 ein Strahlenbündel, das fast streifend
von der diffus reflektierenden Fläche zurückgeworfen wird. Um dieses Bündel noch
durch die Zylinderlinse 7 zu erfassen, ist diese mit ihrer Planfläche geneigt
zu der abzutastenden Oberfläche angeordnet.
-
Der Spiegel 5 erstreckt sich ebenfalls über die ge-
samte
Breite der abzutastenden Fläche 6 und ist so gekrümmt, daß er eine Ebnung
der Schärfenfläche des Strahlenbündels über die ganze Breite der Fläche
6
hinweg bewirkt.
-
Eine mögliche konstruktive Lösung der Erfindung ist in Fig.
5 und 6 dargestellt.
-
In einem Gehäuse 20 ist an einem Träger 21 eine Lichtquelle 22 vorgesehen,
die ein Strahlenbündel über einen Umlenkspiegel und Spalt 23 auf ein
Objek-
tiv 24 leitet. Das Objektiv 24 erzeugt über einen Polygonspiegel
25, Umlenkspiegel 26, 27, 28 und einen Hohlspiege,1 29 etwa
in der Ebene einer vorbeilaufenden Papierbahn 30 ein Bild des Spaltes
23, das durch eine dicht vor der Papierbahn 30 angeordnete und sich
über die gesamte Breite derselben erstreckende Zylinderlinse 31 zu einem
Punkt zusammengezogen wird. Die Krümmung des Hohlspiegels 29 ist so gewählt,
daß sie die Schärfenfläche der Abbildung ebnet. Der Hohlspiegel ist verhältnismäßig
nahe an der Bahn 30 angeordnet und wirkt ähnlich wie eine Feldlinse. Es hat
sich gezeigt, daß sich mit einer solchen Anordnung ein Lichtfleck erzeugen läßt,
dessen Durchmesser weniger als ein Zehntelmillimeter beträgt und der bei Rotation
des Polygonspiegels 26
periodisch in schneller Folge über die gesamte Breite
des abzutastenden Papiers wandert, ohne seine Größe und Form zu ändern. Durch die
Optik 24 wird andererseits die Zylinderlinse 31 über die Spiegel
29, 28,
27, 26 und den rotierenden Polygonspiegel 25 auf dem
Spalt 23 abgebildet. Die Zylinderlinse 31 sammelt aber das von dem
Papier 30 diffus reflektierte Licht, das so auf dem Spalt 23 gesammelt
wird. Dabei tritt durch den oberen Teil des Spaltes das Licht, das durch den unteren
Teil der Zyl-inderlinse reflektiert wird (Strahl 32), und durch den unteren
Teil des Spaltes das Licht, welches durch den oberen Teil der ZYlinderlinse erfaßt
wird (Strahl 33). Durch einen halbdurchlässigenSpiegel34 wird das reflektierteLicht
zwischen Spalt 23 und Lichtquelle 22 seitlich aus dem Strahlengang herausgelenkt-
Das durch den oberen Teil des Spaltes 23 eingetretene Licht gelangt über
einen Spiegel 35 auf einen Elektronenvervielfacher 36
und das Licht,
das durch den unteren Teil des Spaltes 23 tritt, über einen Spiegel
37 auf einen Elektronenvervielfacher 38.
-
Die Papierbahn 30 läuft genau senkrecht, während das Abtaststrahlenbündel
schräg nach oben gerichtet auf diese trifft. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist,
wird somit von dem Sckundärelektronenvervielfacher 36 vorwiegend die diffus
reflektierte Strahlung erfaßt, die streifend reflektiert wird (Strahl
32), während der Sekundärelektronenvervielfacher 38 von der Strahlung
beaufschlagt ist, die etwa senkrecht zur Papierebene reflektiert wird (Strahl
33). Es hat sich gezeigt, daß der Strahl 32 besonders geeignet zum
Erkennen von Falten ist. Strahl 33 wird von Falten kaum beeinflußt, dagegen
sehr stark von Flecken.