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Lichtelektrische Ahtastvorlichtung Die Erfindung betrifft eine lichtelektrische
Abtastzorrichttag mit einer Optik, welche die Strahlen einer Lichtquelle auf das
abzutastende Objekt lenkt und einem konzentrisch innerhalb des Strahlenbundels angeordneten
lichtelektrischen Empfänger, der das reflektierte Licht aufnimmt. Die durch die
minderung der Reflexion erzeugten Lichtimpulse werden durch einen lichtelektrischen
Empfänger, z.B. einem Bototransistor in elektrische Impulse umgewandelt und können
dann ein Steuer- oder Alarmsignal auslösen, wie z.B. bei Lichtschranken, oder auch
gezählt werden.
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Eine Zählung wird z.B. bei Drehzahlmessungen durchgeführt. Dabei kann
die Auswertung sowohl digital als auch analog
erfolgen.
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Um eine sichere Messung zu gewährleisten, also insbesondere den Einfluß
von Störlichtquellen möglichst weitgehend auszuschalten, muß der vom abzutastenden
Objekt zum lichtelektrischen Empfänger reflektierte Lichtimpuis außreichend groß
sein. Das hat man bei bekannten Abtastvorrichtungen mit Hilfe einer Optik zu erreichen
versucht, welche das abgestrahlte Licht auf einen Punkt bündelt, an dem das reflektierende
Objekt sich befindet oder vorbeiwandert. Die dadurch erzielte hohe Beleuchtungsstärke
am Objekt ermöglicht bei gutem Reflexionsfaktor den Empfang eines hohen Nutzsignals.
Ein Nachteil derartiger Vorrichtungen ist jedoch, daß sie auf Xnderungen des Objektabstandes
sehr empfindlich reagieren, insbesondere dann, wenn die Große des Objektes nicht
ausreicht,
um das gesamte Strahlenbündel zu reflektieren.
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Diese Vorrichtungen eignen sich deshalb vorzugsweise nur für solche
Anwendungen, wo ein bestimmter Abstand zum reflektierenden Objekt eingehalten werden
kann, also z.B. bei fest installierten Meßvorrichtungen.
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Abtastvorrichtungen, die in tragbaren Geräten eingebaut sind, bei
denen also mit sehr unterschiedlichen Meßverhältnissen gerechnet werden muß, sollen
einen möglichst großen Abstandsbereich zum Meßobjekt erfassen können. Eine vom Abstand
unabhängige Beleuchtungsstärke auf dem Objekt erhält man, wann das Licht der Lichtquelle
zu einem parallelen Strahlenbündel ausgerichtet wird. Da die Strahlen im allgemeinen
senkrecht auf die Oberfläche des Objektes auftreffen und entsprechend reflektiert
werden, war es naheliegend, den lichtelektrischen Empfänger konzentrisch zu dem
von der Lichtquelle ausgehenden Strahlenbundel anzuordnen. Eine bekannte Vorrichtung,
bei der ein angenähert paralleles Strahlenbündel durch eine Offnung einer großflächigen
Fotozelle auf das Ob-Objekt gerichtet wird, ist deshalb ungünstig, weil die Fotozelle
zwangsläufig einen großen Aufnahmewinkel hat und somit sehr störstrahlungsempfindlich
ist. Vorteilhafter ist die ebenfalls bekannte Lösung, den lichtelektrischen Empfänger
in der Mitte eines zylindrisch ausgerichteten Strahlenbündels anzuordnen. Bei dieser
Anordnung treffen jedoch die mittleren Strahlen aus dem Strahlenbündel auf den lichtelektrischen
Empfänger, hinter dem dadurch ein abgeschatteter Raum entsteht. Aus diesem abgeschatteten
Raum können natürloch keine Strahlen reflektiert werden, so daß bei sehr
kleinen
Abständen zum reflektierenden Objekt oder, wenn dessen Abmessungen so gering sind,
daß es im Schattenbereich bleibt, keine Lichtimpulse zum Fototran.sistor gelangen
können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abtastvorrichtung der eingangs
erwähnten Art zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und die sowohl bei größeren
wie auch ganz geringen Abständen zum reflektierenden Objekt sowie bei Objekten,
die kleiner als der lichtelektrische Empfänger sind, zuverlässig arbeitet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Optik der
Abtastvorrichtung den Hauptanteil der Strahlen annahernd parallel richtet und einen
Teil der restlichen Strahlen so lenkt, daß sie in den von den parallel gerichteten
Strahlen nicht erreichten Raum vor dem lichtelektrischen Empfänger gelangen.
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Die Erfindung ermöglicht verschiedene Ausführungsformen. Eine davon
sieht vor, daß die von einer Lichtquelle ausgehenden Strahlen zum Teil die Ebene
eines Linsen- oder Prismenringes ungebrochen passieren und auf eine diese Strahlen
annähernd parallel richtende Linse fallen, in deren Mitte ein lichtelektrischer
Empfänger angeordnet ist, und daß ein Teil der Rand- bzw. Streustrahlung der Lichtquelle
durch den Linsen-oder Prismenring in den von den parallel gerichteten Strahlen nicht
erreichten Raum vor dem lichtelektrischen Empfänger gelenkt wird.
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Anstatt die Rand- oder Streustrahlung der Lichtquelle zur Beleuchtung
des Nahbereiches auszunutzen, ist es auch moglich, den le.il der Strahlung umzulenken,
der von hinten auf den fotoelektrischen Empfänger trifft und somit nicht zum Signal
beitragen würde. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht deshalb vor, daß
die von einer Lichtquelle ausgehenden Strahlen von einer plankonvexen Linse zum
Teil annäherend parallel gerichtet sind und einen durchsichtigen Körper, in dessen
Mitte ein lichtelektrischer Empfänger angeordnet ist, ungebrochen durchdringen,
ein anderer Teil der Strahlen jedoch durch eine kegelförmige Aussparung im Zentrum
der plankonvexen Linse so abgelenkt ist, daß dieser nach einer Totalreflexion an
der Außenseite des lichtdurchlässigen Körpers in den von den parallel gerichteten
Strahlen nicht erreichten Raum vor dem lichtelektrischen Empfänger gelangt.
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Etwas aufwendiger, aber ebenfalls geeignet, sind Ausführungen mit
Spiegeln. So kann man die Abtastvorrichtung derart aufbauen, daß die von einer Lichtquelle
ausgehenden Strahlen zum Teil ungebrochen auf eine annähernd parallel richtende
Linse fallen, in deren Mitte ein lichtelektrischer Empfänger angeordnet ist und
ein Teil der durch ihn behinderten Strahlen mit Hilfe eines Spiegelsystem in den
von den parallel gerichteten Strahlen nicht erreichten Raum vor dem lichtelektrischen
Empfänger gerichtet ist.
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Für ein zuverlässiges Arbeiten der Abtastvorrichtung ist die Art der
Lichtquelle sehr wesentlich. Ihre Lichtstärke soll
nicht nur möglichst
groß, sondern auch über die ganze abstrahlende Fläche möglichst gleichmäßig sein.
Die Erfindung sieht deshalb vor, daß die Lichtquelle aus einer Glühlampe besteht,
deren Glaskolben die Wirkung einer Sammellinse aufweist und die hinter einer Mattscheibe
angeordnet ist. Weitere Lösungsmöglichkeiten sehen vor, daß die Lichtqiielle durch
die Lichtaustrittsöffnung einer Ulbricht'schen Kugel mit eingebauter Lampe gebildet
ist, oder daß die Lichtquelle aus dem Ende eines rotations-symmetrischen Lichtleitkörpers
besteht, dessen anderes Ende von einer Glühlampe beleuchtet ist.
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Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß mit einer
einfach aufgebauten Optik ein extrem großer Abstandsbereich zum reflektierenden
Objekt sicher erfaßt werden kann. Zur Messung an kleinsten Objekten, wie z.3. zur
Drehzahlmessung an sehr kleinen Wellen oder zur Ausschaltung von Störstrahlung kann
die Abtasteinrichtung beliebig nahe an das Objekt herangeführt werden. Der Einfluß
von Störstrahlung im Nahbereich wird durch die Erfindung wesentlich verringert,
da das Verhältnis von Netz- zu Störsignal erheblich verbessert wird, modulierte
Störstrahlung kann dadurch das Meßergebnis, z.B. bei Drehzahlmessungen, nicht mehr
so leicht verfälschen.
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Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden
iia folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch die Optik der lichtelektrischen
Abtastvorrichtung, Zi. 2 und 3 eine gleichartige Ansicht wie Fig. 1, jedoch andere
Ausführungsformen.
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Soweit die verschiedenen Abtastvorrichtungen übereinstimmen,-wurden
in den Zeichnungen zur besseren AnschaulichReit gleiche Kennziffern verwendet.
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Wie' Fig. 1 zeigt, ist eine Lampe 1 hinter einer Mattscheibe 2 angeordnet
und wird durch den Ring 3 in eine zentrale Lage gebracht. Die Zentrierung kann ebenso
gut dadurch erfolgen, daß die Kuppe der Lampe 1 in einer zentralen Mulde der Mattscheibe
2 ruht. Die Lichtstrahlen gelangen von der Mattscheibe 2 gegebenenfalls durch eine
Blende 4 begrenzt zu einem Prismenring 5. Ein Teil der Strahlen gelangt, wie der
eingezeichnete Strahl 6, durch den freien inneren Raum des Prismenringes 5 ungebrochen
zu der Linse 7 und wird von dieser zu einem annahernd zylinderförmigen Strahlenbündel
umgeformt. In den Zeichnungen befindet sich das reflektierende Objekt, das durch
eine sich drehende Scheibe 8 mit einem darauf befestigten Eine flexionsstreifen
9-dargestellt ist, in unmittelbarer Nähe der Abtasteinrichtung. Die wie der Strahl
6 parallel ausgerichteten Strahlen werden je nach der Oberfläche des reflektierenden
Körpers 8,9 praktisch in sich oder mehr oder weniger stark gestreut reflektiert.
Die normalerweise geringen Winkelabweichungen der einfallenden und reflektierenden
Strahlen von der.
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Senkrechten erlauben erst bei größeren Entfernungen, daß ein
Teil
von ihnen den Fototransistor 10 erreicht, der in der Mitte der Linse 7 angeordnet
ist.
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Anders ist der Weg der von der Lichtquelle 1 ausgehenden ,Streu- oder
Bandstrahlen, die ohne die Erfindung keinen Beitrag zur Messung liefern würden.
Diese werden wie der eingezeichnete Strahl 11 durch den Prismenring 5 und durch
die Linse 7 so umgelenkt, daß sie in den Raum fallen, der unmittelbar vor dem lichtelektrischen
Empfänger liegt und der von dem annähernd parallel austretenden Strahlenbündel nicht
erreicht werden kann. In diesem Nahbereich werden also die schräg auf den Reflexionsstreifen
9 fallenden Strahlen 11 zum Fototransistor 10 reflektiert, während dieser von den
senkrecht auftreffenden Strahlen 6 nicht erreicht wird.
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Mit der Abtastvorrichtung nach Fig. 2 wird mit Hilfe eines anderen
Aufbaues das gleiche Ergebnis erzielt. Eine plankonvexe Linse 12 ist in der Mitte
ihrer konvexen Seite mit einer kegelförmigen Aussparung 12a versehen. Der Durchmesser
dieser Aussparung 12a entspricht etwa der Größe des Fototransistors, dadurch wird
erreicht, daß der Teil der Strahlen, der ohne die Aussparung 12a auf die Rückseite
des Fototransistors 10 auftreffen und damit keinen Beitrag zur Messung liefern würde,
an diesem vorbei gelenkt wird. Durch Totalreflexion, der entsprechend dem eingezeichneten
Strahl 13 verlaufenden Strahlen an der Außenseite eines durchsichtigen Körpers 14,
fallen diese wiederum in den vom Fototransistor 10 abgeschatteten Raum, der von
den durch die Linse 12 parallel geleiteten Strahlen 15 nicht erreicht wird.
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Die in Fig. 3 dargestellte Abtastvorri.chtung unterscheidet sich von
der Vorrichtung in Fig. 1 dadurch, daß zur Umlenkung der nicht genutzten Strahlen
16 ein Spiegel system verwendet wird, Eine von der Rückseite des Fototransistors
montierte verspiegelte Kegelspitze 17 lenkt den Strahl 16 auf die Innenseite eines
Spiegelrings 18, der diesen wiederum über die Linse 7 auf den Reflexionsstreifen
9 des Rades 8 lenkt.
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Bei allen Beispielen ist der Fototransistor 10 von einem undurchsichtigen
Zylindermantel 19 umgeben, der verhindert, daß die innerhalb der Abtastvorrichtung
entstehende Störstrahlung die Messung beeinflußt.