DE2107334B2 - Lichtfleckabtasteinrichtung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Lichtfleckabtasteinrichtung mit einer Lichtquelle, mit einem Facettendrehspiegel und mit einer Fokussiervorrichtung zum Fokussieren des Abtaststrahles auf den abzutastenden Gegenstand, wobei ein Abtastlichtfleck den Gegenstand, vorzugsweise ein Band, in Querrichtung überstreicht zwecks Feststellung von Unterbrechungen und Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche des Gegenstandes mittels eines Fotodetektors, der auf die durch Oberflächenfehler verursachte Lichtmodulation anspricht.

Bei einer Lichtfleckabtasteinrichtung erzielt man eine gute Auflösung und eine hohe Empfindlichkeit, wenn der betreffende Lichtfleck klein und während des Abtastens von gleichbleibender Größe sowie von gleichbleibender Intensität ist.

Die Lichtfleckgröße ist umgekehrt verhältnisgleich der Entfernung zwischen der Blendenöffnung der Abtasteinrichtung und dem abzutastenden Gegenstand und verhältnisgleich der Größe dieser Blendenöffnung. Falls einer der beiden Parameter geändert wird, ändert sich auch die Lichtfleckgröße.

Die Größe der Blendenöffnung einer Lichtfleckabtasteinrichtung kann man auf zweierlei Weise gleich groß halten:

1, Man hält den auf die Facetten des Drehspiegels gerichteten Abtaststrahl so breit, daß er gleichzeitig auf mehrere Facetten fällt, oder

2. man hält den auf die Facetten des Drehspiegels gerichteten Abtaststrahl so eng, daß er stets weniger als eine ganze Facette beleuchtet, und man beschränkt außerdem das Abtasten auf denjenigen Teil der Bewegungsbahn einer Facette, auf dem sie den Abtaststrahl voll empfängt.

In beiden Fällen bleibt die Blendenöffnung unverändert, weil die Bewegung der Facetten keinen Einfluß auf die Blendenöffnung hat, und im zweiten Fall dienen die Facetten nicht als Blende. Das Festlegen der Blendenöffnung der Einrichtung wird hier von denjenigen Vorrichtungen festgelegt, die auch die Weite des Abtaststrahlers festlegen.

Das erste von den beiden vorgenannten Abtastverfahren verschwendet die zur Verfügung stehende Lichtenergie, d. h. sie verringert die genutzte Energie, was bei dem zweiten Verfahren nicht zutrifft. Deshalb macht die Lichtfleckabtasteinrichtung gemäß der Erfindung von dem zweiten Verfahren Gebrauch

In den USA.-Patentschriften 2 844 648 und 2254 624 sind Abtasteinrichtungen der oben beschriebenen zweiten Art dargestellt. Vor allem die Abtasteinrichtung der USA.-Patentschrift 2 844 648 arbeitet gut, solange der abzutastende Gegenstand nur eine geringe Breite aufweist. Es erhebt sich aber die Frage, wie eine Abtasteinrichtung dieser Art zum Abtasten von Bändern mit einer Breite von beispielsweise 1,0 bis 1,25 m verwendet werden könnte.

Bei der AL Lasteinrichtung gemäß der USA.-Patentschrift 2 844 648 müßte die zwischen dem Drehspiegel und dem abzutastenden Gegenstand angeordnete Sammellinse von ungewöhnlicher Größe sein. Im Hinblick auf die erforderliche Lichtfleckgröße müßte diese Sammellinse sehr genau hergestellt sein, was wiederum höchst teuer wäre.

Die Abtasteinrichtung gemäß der USA.-Patentschrift 2 254 624 ist zum Abtasten eines vom Abtaststrahl zu durchsetzenden Filmstteifens und Abbilden des Bildes über ein Objektiv auf einem photoelektrischen Element vorgesehen. Zu diesem Zweck ist einerseits zwischen Lichtquelle und Filmstreifen ein Drehspiegel angeordnet, der eine Abtastbewegung in Längsrichtung des abzutastenden Bildbereiches erzeugt, und andererseits zwischen dem Drehspiegel und der Lichtquelle eine angetriebene Lochscheibe angeordnet, die eine Abtastbewegung über die Breite des Bildbereiches des Filmes erzeugt. Da sich bei diesen Einrichtungen der vom Abtaststrahl beaufschlagte Teil des photoelektrischen Elementes fortwährend mit dem abgetasteten Bildpunkt des Bildes ändert, was wegen der über der Oberfläche ungleichmäßigen Empfindlichkeit des photoelektrischen Elementes von Nachteil ist, sind zwischen Film und photoelektrischem Element zwei Zylinderlinsen mit rechtwinklig zueinander verlaufenden optischen Achsen angeordnet, von denen eine das Objektiv über den ganzen Objektivdurchmesser gleichmäßig hell auf dem photoelektrischen Element abbildet und die andere auf der Oberfläche des photoelektrischen Elementes die Spiegelfläche scharf abbildet. Die bekannte Einrichtung hat den Nachteil, daß der Abtaststrahl eine relativ geringe Intensität aufweist. Ferner ist die Einrichtung zum Abtasten von Filmen mit gro-

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ßer Bildbreite nicht geeignet. Hierzu wären Linsen beträchtlicher Größe und großer Genauigkeit erforderlich, was erhebliche Kosten verursachen würde.

Wie oben schon angeführt, verschwendet eine Abtasteinrichtung nach dem zweiten Verfahren die vertilgbare Lichtenergie nicht und sie bietet sich deshalb für eine Schnelluntersuchung lichtempfindlicher Bänder mittels infrarotem Licht besonders an. Bekanntlich ist das zeitliche Ansprechvermögen und die Empfindlichkeit verfügbarer Infrarotdetektoren ge- ίο ringer als wünschenswert. Aus diesem Grunde wird neben anderen Lichtquellen auch die Strahlung eines Lasers als Lichtquelle für den Abtastlichtfleck herangezogen.

Die Lichtabstrahlung eines Lasers in einer Abtasteinrichtung nach dem oben angeführten zweiten Verfahren zieht jedoch noch ein anderes Problem nach sich, sofern die tatsächliche Lichtfleckhelligkeit während des Abtastens gleichförmig oder zumindest weitgehend gleichförmig sein soll. Dieses zusätzliche Problem tritt deswegen auf, weil die Ausgangsstrahlung eines Lasers im allgemeinen nach eine Gaußschen Verteilungskurve abfällt, und zwar bezogen auf den radialen Abstand von der optischen Achse des Lasers. Wenn man eine solche Verteilung der Lichtenergie auf eine Teilfläche einer Drehspiegelfacette abbildet, erzeugt man einen Lichtfleck, der unerwünschterweise in seiner Mitte am hellsten ist und dessen Helligkeit nach dem Rand hin allmählich abnimmt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Lichtfleckabtasteinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, der die oben geschilderten Nachteile der bekannten Einrichtungen nicht anhaften und bei der der Abtastlichtfleck klein und während des Abtastens von gleichbleibender Größe und von gleichbleibend großer Intensität ist und die auch zum Abtasten von Bändern mit großer Breite von etwa 1,0 bis 1,25 m sowie zur Schnelluntersuchung lichtempfindlicher Bänder mittels infrarotem Licht geeignet ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Lichtfleckabtasteinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß als Lichtquelle für den Abtastlichtfleck die Strahlung eines Lasers dient und eine Blende aus der Laserstrahlung nur den eine etwa gleichbleibende Intensität aufweisenden mittleren Teil des Laserausgangsstrahles als Abtaststrahl durchläßt und daß eine als Fokussiervorrichtung dienende Fernrohr- oder Teleskopoptik zwischen dem Laser und dem Drehspiegel angeordnet ist, die den Laserausgangsstrahl zu einem Lichtfleck auf dem Gegenstand fokussiert, und daß durch eine zwischen dem Laser und dem Drehspiegel angeordnete Begrenzungsvorrichtung für den Abtaststrahl die Ausdehnung des auf den Drehspiegel fallenden Lichtflecks in der Bewegungsrichtung des Drehspiegels so begrenzt ist, daß während eines ganzen Abtastzyklus der auf den Drehspiegel fallende Lichtfleck auf einen gleich groß bleibenden Anteil, vorzugsweise auf die Hälfte der Facettenabmessung in der Bewegungsrichtung der Facette, begrenzt ist.

Durch die Anordnung der Fokussiervorrichtung zwischen der Lichtquelle und dem Drehspiegel wird ;ein konvergenter Abtaststrahl erzeugt, so daß zwisehen dem Drehspiegel und dem abzutastenden Gegenstand keine Fokussiervorrichtung mehr erforderlich ist. die entweder die Verwendungsmöglichkeit der Abtasteinrichtung auf verhältnismäßig schmale Gegenstände beschränken oder eine unverhältnismäßig teure Optik erfordern würde, Durch die Begrenzungsvorrichtung für den Abtaststrahl wird erreicht, daß dieser stets voll auf die jeweils auf den abzutastenden Gegenstand reflektierende Facette des Drehspiegels fällt und dadurch einerseits die ganze Strahlungsenergie des Abtaststrahles ausgenutzt wird und andererseits keine Intensitätsschwankungen hervorgerufen werden, da dabei die Querschnittsabmessungen des Abtaststrahles ausschließlich von der Begrenzungsvorrichtung selbst festgelegt und durch die Bewegung der den Abtaststrahl reflektierenden Drehspiegelfacette nicht beeinflußt wird. Durch die Verwendung eines Lasers als Lichtquelle wird ein Abtaststrahl hoher Intensität erzeugt, was eine entsprechend hohe Abtastgeschwindigkeit ermöglicht. Das wirkt sich insbesondere bei der Verwendung von Infrarotlicht vorteilhaft aus, da die dafür in Betracht kommenden Detektoren nur eine geringe Empfindlichkeit aufweisen. Die Blende für den Laser sorgt dafür, daß nur der eine etwa gleichbleibende Intensität aufweisende mittlere Teil des Laserausgangsstrahles als Abtaststrahl verwendet wird. Dabei kann man dadurch, daß man die Fokussiervorrichtung in geeigneter Weise ausbildet, erreichen, daß die Begrenzungsvorrichtung für den Abtaststrahl zugleich als Blende für den Laserstrahl zu dienen vermag.

Dadurch, daß die Begrenzungsvorrichtung für den Abtaststrahl den auf den Drehspiegel fallenden Lichtfleck etwa auf die Hälfte der Facettenabmessung in der Bewegungsrichtung der Facette begrenzt, werden besonders günstige Abmessungen der Abtasteinrichtung insbesondere hinsichtlich der größtmöglichen Breite des abzutastenden Gegenstandes im Verhältnis zu dem dafür erforderlichen Abstand zwischen dem Drehspiegel und dem abzutastenden Gegenstand und der damit wiederum zusammenhängenden Kleinheit und Schärfe des Abtastlichtfleckes erreicht.

Zusammenfassend kann man von der erfindungsgemäßen Lichtfleckabtasteinrichtung folgendes sagen:

1. In einer Lichtfleckabtasteinrichtung kann man große und dementsprechend teure Sammellinsen entbehren, da der Abtaststrahl durch eine Fokussiervorrichtung zu einem Abtastlichtfleck auf den abzutastenden Gegenstand fokussiert wird, die zwischen der Lichtquelle und dem Drehspiegel angeordnet ist;

2. die Ausdehnung des Abtastlichtfleckes wird dadurch gleich groß gehalten, daß man durch eine Begrenzungsvorrichtung den Abtaststrahl so begrenzt, daß nur ein Teil der betreffenden Facette jeweils beleuchtet wird und daß man den Abstand zwischen dem Drehspiegel und dem abzutastenden Gegenstand so wählt, daß der Abtastlichtfleck auf dem abzutastenden Gegenstand nur dann gebildet wird, wenn sämtliches Licht der Lichtquelle von dem Drehspiegel auf den abzutastenden Gegenstand reflektiert wird;

3. der Abtastlichtfleck kann so klein wie möglich gemacht werden, indem man die Ausdehnung des auf den Drehspiegel fallenden Lichtflecks in der Bewegungsrichtung des Drehspiegels auf etwa die Hälfte der betreffenden Facettenabmessung begrenzt; und

4. unter Benutzung eines Lasers als Lichtquelle

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wird die Lichtfleckintensität dadurch nahezu der dann als Infrarotdetektor ausgebildete Fotodetek-

gleichförmig gemacht, daß man eine Blende ge- tor 18 praktisch nicht auf die durch Oberflächenfeh-

eigneter Abmessungen einsetzt und den Aus- ler verursachte Lichtmodulation anspricht. Denn In-

gangsstrahl des Lasers so ausweitet und wieder frarotdetektoren sind bekanntermaßen träge und von

fokussiert, daß die störenden Strahlanteile durch 5 geringer Empfindlichkeit. Um die für die Erzeugung

die Blende ausgeblendet werden. des Abtastlichtflecks zur Verfügung stehende Energie

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung wirtschaftlich auszunutzen, wird in der Lichtfleckab-

an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Aus- tasteinrichtung mittels einer Begrenzungsvorrichtung

führungsbeispieles im einzelnen erläutert. Es zeigt absichtlich die Ausdehnung des auf den Drehspiegel

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Licht- io fallenden Lichtflecks in der Bewegungsrichtung des

fleckabtasteinrichtung gemäß der Erfindung, Drehspiegels so begrenzt, daß zur gleichen Zeit stets

F i g. 2 eine schematische Darstellung der Fokus- nur ein Teil einer einzigen Facette oder allenfalls

siervorrichtung des Abtaststrahles in der Abtastein- Teile zweier benachbarter Facetten beleuchtet wer-

richtung nach F i g. 1 sowie der Invarianz der wirksa- den kann. Das bedeutet, daß alles Licht der Licht-

men Blendenöffnung der Abtasteinrichtung, wobei 15 quelle zweifellos auf das Band 10 und nirgendwohin

der Deutlichkeit halber eine übertreibende Darstel- sonst gerichtet ist, während der Abtastlichtfleck auf

lung gewählt wurde, dieses Band fokussiert wird.

F i g. 3 ein Schaubild über die Abhängigkeit der An Hand der F i g. 2 ist gezeigt, wie ein Lichtbün-

Lichtfleckgröße und der Facettenbeleuchtung in einer del, das zu einem Lichtfleck auf einem Band 10 fo-

Abtasteinrichtung gemäß der Erfindung, 20 kussiert ist, einen Lichtfleck erzeugt, der gleichblei-

F i g. 4 eine schematische Darstellung der die bende Abmessungen während seiner Querbewegung

gleichmäßige Lichtintensität eines Laserstrahles be- über das Band hat. Das bedeutet, unter der An-

einflussenden Wirkung einer Blende bestimmter Ab- nähme, daß der Abstand R zwischen dem Spiegel 26

messung und Anordnung. und dem Band festliegt, daß die öffnung der Blende

An Hand der F i g. 1 wird eine Lichtfieckabtastein- 25 28 eine konstante Größe hat, d. h., daß die Drehspierichtung näher erläutert. Ein Band 10 bewegt sich gelfacetten nicht zu Blenden werden, deren Größe bis über eine drehbare Trommel 12. Ein Lichtfleck über- zu einem gewissen Betrag allmählich zunimmt und streicht das Band 10 in seiner Querrichtung. Das den dann wiederum allmählich abnimmt. Bei einem vor-Abtastfleck erzeugende Licht ist gebündelt, um auf gegebenen Anteil der beleuchteten Facettenbreite an die Bandoberfläche streifend aufzutreffen, und zwar 30 deren Gesamtbreite bestimmt die Breite W des abzustreifend in bezug auf den Umfang der Trommel 12 tastenden Bandes 10 den Abstand R zwischen dem an der Stelle P, wodurch es von dem Band 10 weg- Spiegel 26 und dem Band 10, damit die Größe des und zu zwei Spiegeln 14 und 16 und dann zu einem Abtastlichtfleckes während des Abtastens gleich Fotodetektor 18 hinreflektiert wird, um unter Ver- bleibt. Je größer der Anteil der beleuchteten Facetwendung einer Schaltung 20 ausgewertet zu werden. 35 tenbreite an deren Gesamtbreite ist, um so weiter Unterbrechungen und Unregelmäßigkeiten in der muß der Drehspiegel 26 vom Band 10 entfernt sein, Oberfläche des Bandes 10, und zwar an der Stelle P, um einen Abtastlichtfleck zu erzeugen, dessen Größe bewirken eine Modulation des reflektierten Lichtes. während des Abtastens gleich bleibt. Wie weiter oben

Der Abtastlichtfleck, der quer über die Oberfläche ausgeführt wurde, ist die Größe des Abtastlichtflecks des Bandes 10 hinwegstreicht, wird auf folgende 40 verhältnisgleich der Blendenöffnung der Abtastein-Weise erzeugt. Das Ausgangslichtbündel eines Lasers richtung und umgekehrt verhältnisgleich der Entfer-22 wird zunächst auseinandergezogen und dann mit- nung zwischen der Blendenöffnung und dem Band, tels einer als Fokussiervorrichtung dienenden Fern- F i g. 3 zeigt, daß dann, wenn der beleuchtete Anteil rohr- oder Teleskopoptik 24 zu einem Lichtfleck auf der Facette klein ist, d. h. bei kleiner Blendenöffdem Band 10 fokussiert. Dieses fokussierte Lichtbün- 45 nung der Abtasteinrichtung — wodurch ein kleiner del wird an einen Facettendrehspiegel 26 reflektiert Abstand R zwischen dem Drehspiegel und dem Band und dadurch über die Oberfläche des Bandes 10 hin- möglich ist — die Ausdehnung 5 des Abtastlicht- und her bewegt. Der Drehmechanismus des Dreh- flecks groß wird, weil dann die Blendenöffnung die spiegeis 26 ist nicht dargestellt. Es sei besonders dar- Ausdehnung S entscheidend beeinflußt. In ähnlicher auf hingewiesen, daß eine große und dementspre- 50 Weise muß dann, wenn der beleuchtete Anteil der chend teure Sammellinse zwischen dem Drehspiegel Facette groß ist, d. h. bei großer Blendenöffnung, der 26 und der Stelle P auf dem Band 10 nicht erforder- Abstand R zwischen dem Drehspiegel und dem Band lieh ist, wenngleich eine Linse 27, wie sie gestrichelt groß sein, falls ein Abtastlichtfleck von gleichbleibeneingezeichnet ist, dazu benutzt werden kann, um etwa der Größe über das Band 10 hinwegstreichen soll, auftretende Wankbewegungen der Drehachse des 55 Wegen dieses großen Abstandes wird die Abmessung Drehspiegels auszugleichen, die sonst dazu führen des Abtastlichtfleckes demzufolge groß. Um eine würden, daß der Abtastlichtfleck periodisch in gleichbleibende Ausdehnung des Abtastlichtfleckes Längsrichtung des Bandes 10 sich hin- und her bewe- hervorzubringen, die zugleich klein ist, wird in der gen würde. vorliegenden Lichtfleckabtasteinrichtung durch die

Wie weiter oben schon ausgeführt wurde, ist es in 60 Begrenzungsvorrichtung 28 für den Abtaststrahl der

dem Fall, daß das Band 10 lichtempfindlich ist, auf den Drehspiegel fallende Lichtfleck auf etwa die

üblicherweise erwünscht, daß die Untersuchung eines Hälfte der Facettenabmessung in der Bewegungsrich-

solchen Bandes mit Infrarotlicht erfolgt Besonders tung der Facette begrenzt und der Drehspiegel 26 so

dann, wenn der Drehspiegel 26 mit einer sehr hohen nahe dem Band 10 angeordnet, wie es erforderlich

Drehgeschwindigkeit bewegt wird, um einen hohen 65 ist, um sicherzustellen, daß die Spiegelf aeetten nicht Durchsatz bei der Bandprüfung zu erzielen, bedeutet zu sich ändernden Blenden werden, die wiederum die

das, daß ein Abtastlichtfleck mit extrem hoher Inten- Ausdehnung des Abtastlichtfleckes verändern wür-

«ität auf das Band fokussiert werden muß, da sonst den.

Während des Abtastens ist ein feststehende Blendenöffnung der Abtasteinrichtung in Gebrauch, die

Während des Abtastens ist eine feststehende Blendient in Verbindung mit der aufweitenden Teleskopoptik 24 dazu, einen Abtastlichtfleck von über seine ganze Ausdehnung gleichbleibender Intensität zu erzeugen. Wie bekannt ist, fällt die Ausgangsleistung eines Lasers nach einer Gauß'schen Verteilungskurve im Verhältnis zum radialen Abstand von der Laserachse ab. Da die Blende 28 so bemessen ist, daß sie als Begrenzungsvorrichtung für den Abtaststrahl diesen so begrenzt, daß er die betreffende Facette antei-

Hg etwa nur zur Hälfte beleuchtet, weitet die Teleskopoptik 24, während sie einerseits die Laserausgangsstrahlung zu einem Lichtfleck auf dem Band 10 fokussiert, die Laserausgangsstrahlung andererseits so auf, daß dasjenige Licht, welches radial von der optischen Achse des Lasers ein gewisses Stück entfernt ist, von der Blende 28 ausgeblendet wird. In F i g. 4 ist grafisch dargestellt, wie die Lichtfleckintensität während des Abtastens dadurch konstant gehalten ίο wird, daß die außerhalb eines gewissen radialen Abstandes von der Laserachse auftretende Laserstrahlung ausgeblendet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Lichtfleckabtasteinrichtung mit einer Lichtquelle, mit einem Facettendrehspiegel und mit einer Fokussiervorrichtung zum Fokussieren des Abtaststrahles auf den abzutastenden Gegenstand, wobei ein Abtastüchtfleck den Gegenstand, vorzugsweise ein Band, in Querrichtung überstreicht zwecks Feststellung von Unterbrechungen ao und Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche des Gegenstandes mittels eines Fotodetektors, der auf die durch Oberflächenfehler verursachte Lichtmodulation anspricht, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle für den Abtastlichtfleck die Strahlung eines Lasers (22) dient und eine Blende (28) aus der Laserstrahlung nur den eine etwa gleichbleibende Intensität aufweisenden mittleren Teil des Laserausgangsstrahles als Abtaststrahl durchläßt und daß eine als Fo- ao kussiervorrichtung dienende Fernrohr- oder Teleskopoptik (24) zwischen dem Laser (22) und dem Drehspiegel (26) angeordnet ist, die den Laserausgangsstrahl zu einem Lichtfleck auf dem Gegenstand fokussiert, und daß durch eine zwisehen dem Laser (22) und dem Drehspiegel (26) angeordnete Begrenzungsvorrichtung (28) für den Abtaststrahl die Ausdehnung des auf den Drehspiegel (26) fallenden Lichtflecks in der Bewegungsrichtung des Drehspiegels so begrenzt ist, daß während eines ganzen Abtastzyklus der auf den Drehspiegel fallende Lichtfleck auf einen gleich groß bleibenden Anteil, vorzugsweise auf die Hälfte der Facettenabmessung in der Bewegungsrichtung der Facette begrenzt ist.

2. Lichtfleckabtasteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsvorrichtung (28) für den Abtaststrahl zugleich als Blende für den Laserstrahl dient.

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