DE1256905B - Optische Abtastvorrichtung - Google Patents

Description

DEUTSCHES WTWWl· PATENTAMT G08c

DeutscheKl.: 42 d-1/15

AUSLEGESCHRIFT ~

Aktenzeichen: E 26792IX b/42 d

J 256 905 Anmeldetag: 8.Aprill964

Auslegetag: 21. Dezember 1967

Optische Abtastvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine optische Abtastvorrichtung, bei der konzentrisch innerhalb des mittels einer die Strahlung parallelrichtenden ersten Optik erzeugten Strahlenbündels einer Strahlungsquelle ein Strahlungsempfänger mit einer das vom abzutastenden Objekt reflektierte Licht sammelnden zweiten Optik angeordnet ist.

Eine derartige Abtastvorrichtung ist bereits aus der deutschen Auslegeschrift 1145 365 bekanntgeworden. Die bekannte Vorrichtung bündelt das von der ersten Optik kommende parallele Strahlenbündel mittels einer Ringlinse, in deren Mitte der Strahlungsempfänger angeordnet ist, auf einen Punkt, an dem das reflektierende Objekt sich befindet oder vorbeiwandert. Der Strahlungsempfänger besteht aus einer zweiten Optik und einer Fotozelle. Wegen der Lichtbündelung und aus im folgenden näher erläuterten Gründen ist diese Vorrichtung nur für jeweils einen bestimmten Abstand des reflektierenden Objektes von der Vorrichtung brauchbar. Für einen anderen Objektabstand muß die Einheit Ringlinse—Strahlungsempfänger ausgewechselt werden.

Es ist ferner aus der deutschen Patentschrift 911 340 eine Vorrichtung zur fotoelektrischen Drehzahlmessung bekanntgeworden, bei der ein paralleles Strahlenbündel durch eine öffnung einer großflächigen Fotozelle auf das Objekt, d. h. den Umfang eines umlaufenden Teils gerichtet wird. Diese Vorrichtung ist nur für geringe Objektabstände brauchbar, da die großflächige Fotozelle, der das Licht ungebündelt zugeführt wird, in starkem Maße Störstrahlungen ausgesetzt ist. Zur eindeutigen Anzeige einer Reflexion von einem weit entfernten Reflektor ist die Vorrichtung ungeeignet.

Ferner ist aus der deutschen Patentschrift 1044 950 eine Abtastvorrichtung bekanntgeworden, die vom Prinzip her ähnlich arbeitet wie die zuerst beschriebene bekannte Vorrichtung, jedoch mittels Prismen und Spiegeln die konzentrische Anordnung von Strahlungsempfänger vermeidet.

Aus der USA.-Patentschrift 2 762930 ist ein Strahlungsempfänger bekanntgeworden, der es durch eine eindimensional gekrümmte Optik und eine schlitzförmige Abschirmung erlaubt, die einkommenden Strahlen entsprechend den lichtempfindlichen Teilen einer Fotodiode auszurichten.

Alle diese bekannten Vorrichtungen haben einen gemeinsamen Nachteil, der ihre Verwendung für veränderliche Objektabstände verhindert: Das Nutzsignal, d. h. die Intensität der auf das strahlungsempfindliche Organ auftreffenden Strahlung, nimmt mit der Entfernung des Objektes von der Abtastvorrich-Anmelder:

Electronics Corporation of America,
Cambridge, Mass. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Müller-Börner

und Dipl.-Ing. H. H. Wey, Patentanwälte,

Berlin-Dahlem, Podbielskiallee 68

Als Erfinder benannt:
Phillip Joseph Cade,
Winchester, Mass. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 8. April 1963 (271418)

tung ab, während die Größe des Störpegels, d. h. die Intensität einkommender Strahlen, die nicht vom reflektierenden Objekt kommen, konstant bleibt. Die erwähnte Abnahme des Nutzsignals resultiert aus folgenden Beziehungen: Da die ausgestrahlte Lichtmenge konstant ist, strahlt das reflektierende Objekt, wenn es wenigstens so groß ist wie die angestrahlte Fläche, bei allen Objektabständen eine konstante Lichtmenge, allerdings in der Praxis immer diffus, zurück. Bei zunehmendem Abstand Strahlungsempfänger—Objekt wird jedoch der Anteil dieser Lichtmenge, die den Strahlungsempfänger erreicht, immer kleiner, und zwar im Quadrat zur Entfernung.

Vorrichtungen, die die Strahlung auf einem Punkt bündeln, reagieren noch empfindlicher auf Änderungen des Objektabstandes, wenn das reflektierende Objekt nur eine endliche Größe hat, d. h. der Strahlungskegel von einem bestimmten Punkt an größer wird als das reflektierende Objekt.

Bei den bekannten Vorrichtungen wäre es also, wollte man einen auch nur in geringem Maße variablem Objektabstand benutzen, erforderlich, sehr starke Strahlungsquellen zu verwenden, wobei dann jedoch schon ein sehr kleines »Störobjekt«, das nahe am Strahlungsempfänger in das ausgesandte Strahlenbündel gerät, ein Störsignal erzeugt, das größer sein kann als ein Nutzsignal von einem entfernten Objekt und somit zu einer Fehlregistrierung führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abtastvorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die bei einfacher Bauweise zuverlässig ar-

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beitet und ohne irgendwelche Umbauten für veränderliche Abstände zwischen Vorrichtung und reflektierendem Objekt einzusetzen ist. Dazu gehört, daß einerseits für verschiedene Grundabstände von dem abzutastenden Objekt, z. B. verschiedene Abstände der Vorrichtung von einem Förderband, auf dem zu registrierende, reflektierende Objekte vorbeiwandern, keinerlei Umbauten erforderlich sind und andererseits auch bei ständig variierenden Abständen der Objekte von der Vorrichtung, z. B. bei regelloser Verteilung der Objekte auf einem breiten Förderband, eine zuverlässige Erfassung möglich ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die erste Optik die Strahlung der Strahlungsquelle parallel in einem zylindrischen Strahlen- bündel auf das abzutastende Objekt richtet und daß ein durch die Bemessung und gegenseitige Zuordnung der zweiten Optik und einer zwischen zweiter Optik und einem strahlungsempfindlichen Organ angeordneten Blende vorgegebenes divergentes Ge- sichtsfeld des Strahlungsempfängers bis zur maximal vorgesehenen Objektentfernung innerhalb des Bereiches des zylindrischen Strahlenbündels der Strahlungsquelle liegt.

Durch die parallel-zylindrische Ausrichtung der Strahlung der Strahlungsquelle auf das abzutastende Objekt wird, unabhängig von dem Objektabstand, immer eine konstante Strahlungsmenge reflektiert. Von dieser Strahlungsmenge gelangt jedoch nur ein mit zunehmender Entfernung abnehmender Teil zu der zweiten Optik, d. h. der Optik des Strahlungsempfängers. Durch die Maßnahmen nach der Erfindung wird es jedoch erreicht, daß Strahlung, die von einem näheren Objekt kommt, in stärkerem Maße von der Blende abgeblendet wird als Strahlung, die von einem entfernteren Objekt kommt. Diese Tatsache beruht auf der Verschiebung der Ebene, in der die einkommende Strahlung gesammelt wird, bei sich änderndem Objektabstand. Dadurch wird einerseits das Nutzsignal, d. h. der auf das strahlungsempfindliehe Organ auftreffende Anteil der vom abzutastenden Objekt reflektierten Strahlung, im wesentlichen konstant gehalten und andererseits der Einfluß von Störstrahlung, insbesondere von nahen Störobjekten, vermindert. Somit ergibt sich ein hohes und im wesentlichen konstantes Verhältnis Nutzsignal zu Störsignal auch bei veränderlichem Objektabstand, das eine zuverlässige Anzeige ermöglicht.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes beträgt die Divergenz des Strahlungsempfängers weniger als 10°.

Die Abtastvorrichtung nach der Erfindung wird vorzugsweise so ausgebildet, daß das strahlungsempfindliche Organ eine Fotozelle ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung der Wirkungsweise einer Abtastvorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 einen Teillängsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Abtastvorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 3 einen Längsschnitt durch ein Detail der Abtastvorrichtung nach F i g. 2, F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie 6-6 in F i g. 3.

In der in F i g. 1 schematisch dargestellten optischen Abtastvorrichtung ist eine Lampe 10 als Strah-

lungsquelle vorgesehen. Die von ihr ausgehenden Strahlen werden durch eine von einer plankonvexen Linse gebildete erste Optik 12 auf Unendlich fokussiert, so daß sie ein zylindrisches Bündel 14 paralleler Strahlen bilden, das auf ein Objekt 16 gerichtet ist. In der Mittelachse des Bündels 14 ist ein Strahlungsempfanger 18 angeordnet, dessen Außendurchmesser ungefähr dem halben Durchmesser des Strahlenbündels ist, so daß das auf das Objekt auftreffende Strahlenbündel einen ringförmigen Querschnitt hat. Das Objekt kann sich in das Strahlenbündel 14 hineinbewegen, so z. B., wenn es sich um einen Gegenstand handelt, der sich in einem Fertigungsabschnitt auf einem Fließband befindet.

Das Objekt ist mit einem reflektierenden Medium 20 versehen. Befindet sich dieses Medium in dem Bündel 14 der von der LichtquellelO ausgehenden parallelen Strahlen, dann wird die Strahlung reflektiert. Bei den in der Technik verwendeten Reflektoren, z. B. Eckenreflektoren oder reflektierenden Streifen, ist eine derartige Unregelmäßigkeit vorhanden, daß ein merklicher Anteil der Strahlung in einen Raum zu einer zweiten, von einer bikonvexen Linse gebildeten Optik 24 reflektiert wird, die koaxial mit dem Strahlenbündel 14 angeordnet ist und welche die reflektierten Strahlen 22 so bündelt, daß sie durch eine öffnung 26 einer Blende 28 auf ein aus einer Fotozelle bestehendes strahlungsempfindliches Organ 30 fallen. Durch die Kombination der zweiten Optik und Blende wird das Gesichtsfeld des Strahlungsempfängers auf einen räumlichen Winkel von weniger als 20° und vorzugsweise höchstens 10° beschränkt.

Diese kompakte Reflexions-Abtastvorrichtung kann eine Änderung der Abtastdistanz um einen Faktor von fünf oder mehr als fünf vertragen. Sie ist bei Verwendung eines entsprechenden strahlungsempfindlichen Organs 30, z. B. einer Cadmiumselenidzelle, wirksamer als bisher für den vorliegenden Zweck kommerziell verwendete Vorrichtungen. Durch diesen Aufbau zusammen mit der kompakten Ausbildung wird die Streustrahlung, die nicht über den Reflektor zum strahlungsempfindlichen Organ 30 gelangt, erheblich reduziert, da das Organ 30 gegen die direkte oder an anderen Flächen als denen des zu ermittelnden Reflektors reflektierte Strahlung gut abgeschirmt ist.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich, ist die Abtastvorrichtung mit einem kastenförmigen Gehäuse 31 mit aufklappbarer Rückenwand 32 versehen, an welcher eine Halteplatte 34 für die Lampe montiert ist. Die Strahlungsquelle 10 ist eine Glühlampe, die in einer üblichen Lampenfassung 36 an der Halteplatte 34 befestigt ist. Die Zuleitungen 38 der Lampe sind durch ein Verbindungselement 40 aus dem Gehäuse geführt. Die Halteplatte 34 ist mittels einer Klemme 42 und einer Schraube 44 an der aufklappbaren Rückwand 32 befestigt. Die Schraube 44 geht durch eine öffnung 46 in der Rückwand und durch einen senkrechten Schlitz 48 in der Halteplatte 34 hindurch.

Die Halteplatte 34 kann in horizontaler und in vertikaler Richtung verstellt werden, und zwar unabhängig voneinander. Zu diesem Zweck sind zylindrische Justierelemente 50 und 52 vorgesehen, die in runden öffnungen der Rückwand gehaltert sind. Das Justierelement 50 ist mit einem exzentrischen Zapfen 58 versehen, der in einen einseitig offenen Schlitz 60 der Halteplatte 34 eingreift. Der Schlitz 60 liegt in einer Linie mit dem Schlitz 48. Wenn das Justier-

Claims (3)

element 50 gedreht wird, bewegen sich die Halteplatte 34 und die Lampe 10 in horizontaler Richtung. Entsprechend ist das zylindrische Justierelement 52 mit einem exzentrischen Zapfen 62 versehen, der in einen horizontalen Schlitz der Halteplatte, der unter dem Feststellschlitz 48 liegt, eingreift. Durch Drehen des Justierelements 52 wird die Halteplatte 34 mit der Lampe 10 unter Führung durch den Schlitz 48 in vertikaler Richtung bewegt. Die beiden Justierelemente 50 und 52 können unabhängig voneinander betätigt werden; dabei dient das Element 50 zur seitlichen Justierung und das Element 52 zur Höhenjustierung der Lampe 10. Vermittels dieser beiden voneinander unabhängigen Justierelemente kann die gewünschte Stellung der Lampe 10 gegenüber der Linse 12 leicht und schnell eingestellt werden. Die Rückwand 32 des Gehäuses 31 ist an ihrer unteren Kante drehbar um einen Stift 66 gelagert, so daß sie mit der an ihr montierten Lampe aus dem Gehäuse herausgeklappt werden kann, wenn die Lampe 10 ersetzt werden soll. Die Rückwand wird durch eine Schraube 68 am Gehäuse festgehalten, die in ein an der Innenseite der Decke des Gehäuses 31 befestigtes Halteglied 70 eingeschraubt ist. Wie in den F i g. 3 und 4 dargestellt, ist an der Vorderwand 72 des Gehäuses vor der Lampe 10 ein zylindrischer Tubus 74 befestigt, der an seinem hinteren Ende eine plankonvexe Sammeloptik 12 und an seinem vorderen Ende eine durchsichtige Scheibe 76 trägt. Zwischen der Sammellinse und der Scheibe ist in der Längsachse des Tubus ein Strahlungsempfänger 18 mit einer Fotozelle 30, einer Lochblende 28 und einer Optik 24 angeordnet. Durch einen direkt hinter der Optik 12 montierten Haltering 78 wird diese in dem zylindrischen Tubus gegen einen Sitz 80 gedrückt. Die Teile des Empfängers sind in einem inneren Tubus 82 montiert, der durch drei schmale Stege 84, 86 und 88 koaxial mit dem Tubus 74 gehaltert ist. Die Fotozelle ist so angeordnet, daß ihre Rückseite 90 das Ende des Tubus 82 abschließt, so daß an dieser Stelle kein Licht aus der Lampe 10 durchtreten kann. Wie bereits gesagt, tritt das leicht konvergierende reflektierte Strahlenbündel in den Tubus 82 ein und wird hier durch die Optik 24 auf die Blendenöffnung 26, die beispielsweise einen Durchmesser von 0,05 mm aufweist, auf die lichtempfindliche Seite der Fotozelle 30 geworfen. Durch dieses optische System wird der Winkel des Gesichtsfeldes der Fotozelle auf etwas weniger als 5° begrenzt, wodurch sich eine große Genauigkeit der Richtung des Objekts, das durch die Fotozelle ermittelt wird, erreichen läßt. Die relativ empfindlichen Zuleitungen 92 der Fotozelle sind am äußeren Tubus 74 befestigt; an Klemmen 96 angeschlossene Leitungen 94 werden durch dieselbe Verbindungsmuffe 40 wie die Zuleitungen der Lampe aus dem Gehäuse herausgeführt. Wie aus dieser Beschreibung hervorgeht, ist bei der kompakten Abtastvorrichtung, die eine erhöhte Wirksamkeit aufweist, die Cadmiumselenid-Fotozelle vollkommen abgeschirmt gegenüber aller direkten oder indirekten, aus dem Gehäuse kommenden Strahlung der Lichtquelle, so daß sie nur auf von außen kommende Strahlung anspricht. Die Art der Abschirmung zusammen mit der Wirkung der Blende ergibt ein verbessertes Verhältnis Nutzsignal zu Störsignal, welches etwa fünfundzwanzig betragen kann, obwohl die lichtempfindliche Fläche der Fotozelle wesentlich kleiner ist als bei bekannten älteren Systemen. Man erhält eine gleichmäßige Anzeige von Objekten in einem Bereich von beispielsweise 10 bis cm. Die verschiedenen Elemente sind in der Vorrichtung koaxial angeordnet. Zudem wird ein Standardlampenhalter in einer zugänglichen Anordnung verwendet, welche die Einstellung der Lichtquelle gegenüber dem Fokussierungssystem und dem Empfangssystem, und zwar unabhängig nach Seite und Höhe, ermöglicht. Die ganze Vorrichtung kann in wirtschaftlicher Weise hergestellt und in sehr einfacher Weise montiert und gewartet werden. Sie ist im Betrieb sehr zuverlässig. Patentansprüche:

1. Optische Abtastvorrichtung, bei der konzentrisch innerhalb des mittels einer die Strahlung parallelrichtenden ersten Optik erzeugten Strahlenbündels einer Strahlungsquelle ein Strahlungsempfänger mit einer das vom abzutastenden Objekt reflektierte Licht sammelnden zweiten Optik angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Optik (12) die Strahlung der Strahlungsquelle (10, 12) parallel in einem zylindrischen Strahlenbündel (14) auf das abzutastende Objekt (16) richtet und daß ein durch die Bemessung und gegenseitige Zuordnung der zweiten Optik (24) und einer zwischen zweiter Optik und einem strahlungsempfindlichen Organ (30) angeordneten Blende (26, 28) vorgegebenes divergentes Gesichtsfeld des Strahlungsempfängers (18) bis zur maximal vorgesehenen Objektentfernung innerhalb des Bereiches des zylindrischen Strahlenbündels (14) der Strahlungsquelle (10, 12) liegt.

2. Optische Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Divergenz des Strahlungsempfängers (18) weniger als 10° beträgt.

3. Optische Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlungsempfindliche Organ (30) eine Fotozelle ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 911 340;
deutsche Auslegeschriften Nr. 1 145 365,
950;

USA.-Patentschrift Nr. 2 762 930.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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