DE2433682C3

DE2433682C3 - Vorrichtung zur Überwachung einer Materialbahn oder einer sonstigen Abtastebene

Info

Publication number: DE2433682C3
Application number: DE2433682A
Authority: DE
Inventors: Werner 8192 Geretsried Obser; Gernot 8031 Olching Pinior
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1974-07-12
Filing date: 1974-07-12
Publication date: 1979-02-15
Also published as: DE2433682B2; US4004153A; DE2433682A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es ist bereits eine Vorrichtung ?.ur Überwachung einer bewegten Materialbahn auf Fehlstellen bekannt (DE-OS 2115 979), bei der von der Materialbahn remittiertes Licht über eine parallel zur Materialbahn angeordnete Zylinderlinse auf den Empfangsmantelbereich eines Lichtleitstabes konzentriert wird. Zum Empfang des innerhalb des Lichtleitstabes totalreflektierten Lichtes können an beiden Enden des Lichtleitstabes Photoempfänger vorgesehen sein. Diese sind gegebenenfalls auch in gleicher Weise befiltert, um Störlicht zu eliminieren.

Weiter ist bereits eine Vorrichtung zur Überwachung einer bewegten Materialbahn bekannt, bei der wahlweise eine Hochdrucklampe oder ein Laser verwendet werden kann. Ein gleichzeitiger Betrieb beider Beleuchtungssysteme in einem Gerät ist jedoch nicht vorgesehen (Laser + Elektro-Optik Nr. 6, 1973, S. 13-14).

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung so zu gestalten, daß verschiedene Fehlertypen unterschieden werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß vorliegender Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Der relativ kleine Laserlichtfleck eignet sich dabei besonders zur Erkennung ganz kleiner Fehler wie Kratzer, während der relativ

große Lichtfleck der Xenon-Lampe die Erkennung von großflächigeren farbigen Fehlern ermöglicht. Im Verlaufe einer Abtastung können also verschiedene Fehlertypen gleichzeitig ermittelt werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der optischen Anordnung zur Bildung eines Sendelichtstrahls aus zwei unterschiedlichen Lichtquellen,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der vorzugsweise aus den beiden Lichtquellen auf der Materialbahn bzw. in der Abtastebene gebildeten Lichtflecke,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der gesamten '5 Vorrichtung, besiehend aus Sende- und Empfangsteil, Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der vorzugsweise verwendeten Spektralbereiche für die Lichtquelle und die verwendeten Filter und

Fig. 5 ein Diagramm der ralativen spektralen Empfindlichkeit der verwendeten Photo vervielfacher. Nach den Fig. 1 bis 3 wird das Licht eines Lasers 32 über eine Zylinderlinse 38 in etwas aufgefächerter Form auf den inneren Teil eines Kreuzspiegels 36 gelenkt, welcher das Laserlicht in einem Winkel von 90° senkrecht nach unten ablenkt.

Auf der entgegengesetzten Seite ist eine Xenon-Hochdrucklampe 33 angeordnet, vor der ich ein Farbfilter 37 befindet, dessen spektrale Durchlässigkeit in Fig. 4 dargestellt ist. Hinter dem Farbfilter 37 befindet sich ein Kondensor 39, der die Lichtquelle in die rechteckförmige Öffnung 40 einer Blende 4i abbildet. Von der Öffnung 40 gelangt das Xenonlicht auf die äußeren Bereiche des Kreuzspiegels 36 und wird von diesem senkrecht nach unten zum Objektiv 42 hin abgelenkt, welches sich vertikal unterhalb des Kreuzspiegeis 36 befindet.

Unterhalb des Objektivs ist ein an sich bekanntes Spiegelrad 43 angeordnet, dessen Drehachse 44 im wesentlichen senkrecht zu der durch die um 90° abgelenkten Strahlen definierten Ebene verläuft. Die Achse ist jedoch etwas nach unten gekippt, derart, daß das vom Spiegelrad reflektierte Licht 45 auf einen oberhalb der optischen Sendeanordnung befindlichen Planspiegel 46 fällt, dessen Längserstreckung mit der Abtastrichtung des Spiegelrades 43 zusammenfällt. Von dem Planspiegel 46 wird das Licht nach unten auf einen weiteren Planspiegel 47 (Fig. 3) gelenkt, welcher sich über im wesentlichen die gesamte Breite der Vorrichtung erstreckt. Vom Planspiegel 47 wird das Licht erneut schräg nach oben zu einem streifenförmig ausgebildeten Hohlspiegel 48 reflektiert, dessen Brennpunkt am Ort des Spiegelrades 43 liegt und welcher den Sendelichtstrahl schließlich auf die auch in der Parallelanmeldung dargestellte Zylinderlinse 11 lenkt, und zwar nur in die eine Hälfte von deren Apertur. Der Hohlspiegel 48 richtet das von einem Punkt des Spiegelrades 43 kommende Licht parallel.

Die Zylinderlinse 11 zieht das parallel einfallende Sendelicht 15 senkrecht zur Abtastrichtung F auf einenPunkt26der Materialbahn 12 zusammen, andern sich beispielsweise eine zu analysierende Fehlerstelle befinden möge. In Abtastrichtung F ist die Zylinderlinse 11 unwirksam.

Der Sendelichtstrahl 15 tastet die Materialbahn senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung, d. h- in Richtung des Doppelpfeils F nach Fig. 2 und 3 kontinuierlich ab.

Die in Fig. 3 rechts liegende Hälfte der Zylinderlinse 11 dient dazu, von der Materialbahn 12 remittiertes Licht 17 zu empfangen und parallel zu richten. Die Zylinderlinse wird also durch Pupillenteilung für das Sende- und Empfangslicht ausgenutzt.

In Richtung des remittierten Lichts oberhalb der Zylinderlinse 11 ist eine weitere Zylinderlinse 20 parallel zu der erstgenannten angeordnet, welche das mit ihrem gesamten Querschnitt empfangene parallele Lichtbündel auf den streuend ausgebildeten Mantelempfangsbereich eines Lichtleitstabes 14 konzentriert. Durch Streuung und Totalreflexion innerhalb des Lichtleitstabes 14 gelangt das auf den Mantelbereich aufgetroffene Licht so auf zwei an den Stirnseiten angeordnete photoelektrische Vorrichtungen 19, 18, welche z. B. Photovervielfacher sein können. Zwischen den Stirnseiten des Lichtleitstabes 14 und den Photovervielfachern 18, 19 sind Farbfilter 21, 22 angeordnet.

Es sei angenommen, daß der Sendelichtstrahl unter dem Winkel α auf die Materialbahn 12 auf trifft; dann wird unter dem entgegengesetzt gleichen Winkel α relativ zur Senkrechten auf der Materialbahn 12 eine weitere optische Empfangsvorrichtung angeordnet, die den reflektierten Anteil 16 des auftreffenden Lichtes empfängt. Diese Vorrichtung besteht aus einer Zylinderlinse 23, die parallel zu den beiden anderen Zylinderlinsen 11, 20 verläuft und das reflektierte Licht 16 auf den ebenfalls streuend ausgebildeten Mantelempfangsbereich eines weiteren Lichtleitstabes 13 lenkt. Dieser ist analog dem Lichtleitstab 14 ausgebildet und trägt gemäß Fig. 3 an seinen Stirnseiten ebenfalls Farbfilter 27,29 und Photovervielfacher 28, 30. Zur Darstellung der Zylinderlinse 23 ist in Fig. 3 der Photovervielfacher 30 nur durch strichpunktierte Linien angedeutet.

Während die Photovervielfacher 18, 19 am Lichtleitstab 14 ein Maß für das Remissionsvermögen der vom Sendelichtstrahl getroffenen Fehlerstelle 26 der Materialbahn 12 liefern, kann von den photoelektrischen Vorrichtungen 28, 30 an den Stirnseiten des .Lichtleitstabes 13 ein Signal abgenommen werden, das für das Reflexionsvermögen der Stelle 26 repräsentativ ist.

Die gesamte Anordnung ist in einem Gehäuse 49 untergebracht, das die aus Fig. 3 ersichtliche Formgebung hat, jedoch zur Darstellung der im Innenraum angeordneten Teile aufgebrochen gezeigt ist.

Wie besonders deutlich aus Fig. 1 hervorgeht, wird der schmale parallel gerichtete Laserstrahl durch die senkrecht zu der obenerwähnten Zylinderlinse 11 wirksame Zylinderlinse 38 zu einem schmalen Fächer aufgeweitet. Der schmale aufgefächerte Strahl fällt auf den Innenteil des Kreuzspiegels 36. Mit d ist die dünnste Einschnürung des Laserstrahls in der Brennlinie der Zylinderlinse 38 bezeichnet.

Die Lichtröhre der Xenonlampe 33 hat dagegen eine größere Querschnittsfläche, welche in die Blendenöffnung 40 abgebildet wird. Die Höhe des Öffnungsspaltes 40 ist mit α bezeichnet.

Der Ort der kleinsten Einschnürung d und der Blende 41 ist so gewählt, daß optisch der gleiche Abstand vom Objektiv 42 vorliegt.

Das Objektiv 42 und der Hohlspiegel 48 bilden gemeinsam die Abmessungen a, d gemäß Fig. 2 als Längenausdrehnungen a' bzw. d' in der Abtastebene (Materialbahn) 12 vergrößert ab.

Die auf die Breitenabmessungen des Laserstrahls

zurückgehende beleuchtete Breite D auf dem Spiegelrad 43 bzw. die axiale Länge b der von der Xenonlampe allseitig überstrahlten Fläche des Spiegelrades 43 werden durch den Hohlspiegel 48 und die Zylinderlinse 11 als Abmessungen D' bzw. b' auf der Materialbahn 12 verkleinert abgebildet.

Auf diese Weise entstehen von der Laserquelle 32 ein kleiner Lichtfleck 34 und von der Xenonlampe 33 ein großer Lichtfleck 35. Auf Grund der Zusammenziehung der Abmessungen D bzw. b durch die Zylinderlinse 11 ist die Abbildung der rechteckförmigL-n Blendenöffnung 40 im Lichtfleck 35 im wesentlichen quadratisch, während der Lichtfleck 34 die dargestellte elliptische Form hat.

Besonders bevorzugt sind die Abmessungen des größeren Lichtflecks 35 wie folgt: a' = 2 mm; b' = 2 mm. Vorteilhafte Abmessungen für den Laserlichtfleck sind: d' = 0,2 mm; D' = 2 mm. Der Laserlichtfleck 34 ist annähernd elliptisch und liegt zentrisch in dem Fleck 35 der Xenonlampe. Änderungen dieser Verhaltnisse können je nach dem anstehenden Problem vorgenommen werden.

In Fig. 4 ist mit 33' das Spektrum der Xenonlampe 33 bezeichnet. Die Filter 22, 29, 37 haben den durch die betreffende Kurve wiedergegebenen Reintransmissionsgrad. Auf diese Weise wird von dem Licht der Xenonlampe nur der in ausgezogenen Linien dargestellte Spektralbereich zu den Photovervielfachern 19 bzw. 30 durchgelassen, welcher etwa zwischen 200 und 700 nm liegt. Die andere Filterkurve in Fig. 4 gibt den Reintransmissionsgrad der Rotfilter 21, 27 wieder, woraus sich ergibt, daß diese Filter die bei 633 nm liegende Strahlung eines He-Ne-Lasers im wesentlichen durchlassen. Auf diese Weise ist dafür gesorgt, daß die Phtotovervielfacher 19, 30 nur Licht des ausgewählten Spektralbereiches der Xenonlampe 33 erhalten, während an den Photoverfielfachern 18, 28 nur Laserlicht ankommt.

Die an den Photovervielfachern 18 und 28 ankommenden Signale ermöglichen es so, ganz kleine Fehler, z. B. Kratzer zu erkennen. Die Photovervielf acher 19, 30 gestatten es weiter, nur größere (farbige) Fehler zu erkennen. Die Unterscheidung von remittiertem Licht (Lichtleitstab 14) und reflektiertes Licht (Lichtleitstab 13) ermöglicht zusätzlich noch eine weitere Differenzierung, da unterschiedliche Fehler Lieh; unterschiedlich remittieren bzw. reflektieren.

Eine vereinfachte Ausführungsform sieht vor, daß der Lichtleitstab 14 und die Zylinderlinse 20 fortgelassen werden. Das remittierte Mischlicht aus Laserlicht und Xenonlicht wird dann über die gesamte Apertui der Zylinderlinse 11, den Hohlspiegel 48, das Objektiv 42, den Kreuzspiegel 36 und einen am Ort der Blende 41 befindlichen Umlenkspiegel 50 auf einen Photovervielfacher 31 gelenkt, welcher dann ebenfalls die Erkennung von farbigen Fehlern gestattet. Fig. 5 zeigt, wie die spektrale Empfindlichkeit der verwendeten Photovervielfacher bei den verschiedenen beschriebenen Fällen aussehen sollte. Die Empfindlichkeitskurve 51 sollte für den Photovervielfacher 31 und den Photovervielfacher 19 gelten. Der betreffende Photovervielfacher ist also besonders für den Empfang von Mischlicht aus Xenonlicht und Laserlicht geeignet.

Die spektrale Empfindlichkeitskurve 52 sollte für die Photo vervielfacher 18, 28 gelten, die das Laserlicht empfangen. Die das Xenonlicht empfangenden Photomultiplier können ebenfalls eine spektrale Empfindlichkeitskurve 51 aufweisen.
Die Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Nach Einschalten der Lichtquellen 32, 33 werden die Lichtflecke 34, 35 gemäß Fig. 2 in der Materialbahn 12 abgebildet. Durch Drehen des Spiegelrades 43 erfolgt ein fortlaufendes Abtasten der Materialbahn in Richtung des Doppelpfeiles F von einer Seite zur anderen. Gleichzeitig bewegt sich die Materialbahn 12 in Richtung des Pfeiles / vor. An den Photovervielfachern 18,19,28 30 entstehen dann insgesamt vier Ausgangssignale, die in irgendeiner gewünschten Weise elektrisch kombiniert werden können, um ein für den abgetasteten Fehler 26 charakteristisches Signal abzugeben. Die vier erhaltenen Signale können aber auch getrennt ausgewertet werden. Die Fehlerfeststellungsvorrichtung kann somit nicht nur das Vorliegen eines Fehlers überhaupt anzeigen, sondern ist darüber hinaus noch in der Lage, vier Meßgrößen zu liefern, die auch Rückschlüsse auf den Charakter bzw. die Natur des festgestellten Fehlers zulassen, wobei die unterschiedliche Reaktion der einzelnen Fehlerstellen auf remittiertes bzw. reflektiertes Licht und auf Licht verschiedener Spektralbereiche ausgenutzt wird.

Es ist noch wesentlich darauf hinzuweisen, daß das Xenonlicht die gerade beaufschlagte Fläche des Spiegelrades allseitig überstrahlt, während der auf das Spiegelrad treffende Laserstrahl nur in Umfangsrichtung eine größere Ausdehnung hat als die Spiegelfläche, in Axialrichtung jedoch wesentlich schmaler als

so dieselbe ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Überwachung einer bewegten Materialbahn auf Fehlstellen mit einer ersten Lichtquelle, mit Einrichtungen zur Erzeugung eines über die Materialbahn quer zu deren Bewegungsrichtung wandernden ersten Abtastlichtflecks, die eine das Licht der Lichtquelle auf die Materialbahn konzentrierende Zylinderlinse umfassen, mit einem Lichtleitstab zur Aufnahme des von der Materialbahn zurückgeworfenen Lichts, mit zwei jeweils an den Stirnseiten des Lichtleitstabes angebrachten und auf einen bestimmten Spektralbereich abgestimmten Photoempfängern, dadurch gekennzeichnet, daß

a) eine zweite Lichtquelle (33) mit einer anderen spektralen Charakteristik als die erste Lichtquelle (32) vorgesenen ist,

b) Einrichtungen (11, 36, 40-48) zur Erzeugung eines zweiten Abtastlichtflecks (35) aus dem Licht der zweiten Lichtquelle (33) vorgesehen sind, der eine von der Form des ersten Abtastlichtflecks (34) abweichende geometrische Form hat, den ersten Abtastlichtfleck zumindest teilweise überlappt und mit diesem über die Materialbahn (12) wandert, und

c) die beiden Photoempfänger (21, 22) auf jeweils unterschiedliche, den Spektren der beiden Lichtquellen (32, 33) entsprechende Spektralbereiche abgestimmt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste I ichtquelle (32) in einem sehr schmalen Spektralbereich und die zweite Lichtquelle (33) in einem breiten Spektralbereich emittiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schmalhandige erste Lichtquelle ein Laser (32) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (32) ein He-Ne-Gaslaser ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die breitbandige iweite Lichtquelle eine Xenon-Hochdrucklampe

(33) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Lichtfleck (34) kleiner als der zweite Lichtfleck (35) und in diesem vollitändig enthalten ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Lichtfleck (35) im wesentlichen rechteckförmig und vorzugsweise quadratisch ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Lichtfleck

(34) im wesentlichen elliptisch ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die große Ellipsenachse (D') etwa gleich lang wie die Quadratseite (b¹) ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Quadratseiten und Ellipsenachsen einander parallel sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der beiden Lichtquellen (32, 33) von entgegengesetzten Seiten auf eine Spiegelanordnung

(36) aus zwei gekreuzten Spiegeln fällt.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitstab (14) zur Aufnahme des von der Materialbahn (12) remittierten Lichts angeordnet ist und daß zur Aufnahme des reflektierten Lichts ein weiterer Lichtleitstab (13) mit zwei weiteren an seinen Stirnflächen angebrachten und jewe'ls auf den Spektren der Lichtquellen entsprechende unterschiedliche Spektralbereiche abgestimmten Photoempfängern (28, 30) vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden der Lichtleitstäbe (13,14) vorzugsweise Farbfilter (21,27, 22, 29) zur Abstimmung der Photoempfänger (18,19, 28,30) auf die unterschiedlichen Spektralbereiche vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß an der Xenonhochdrucklampe (33) ein Farbfilter (37) angeordnet ist, das nur einen Spektralbereich von 200 bis 700 nm durchläßt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbfilter (21, 27) an den einen Enden der Lichtleitstäbe (13, 14) das Licht der Xenon-Lampe (33) wegfiltern und nur das Laserlicht durchlassen.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbfilter (22,29) an den anderen Enden der Lichtleitstäbe (13, 14) das Laserlicht vom Xenoniicht trennen und nur letzteres durchlassen.