DE2532603A1

DE2532603A1 - Optische vorrichtung zur bestimmung des lichtaustrittswinkel

Info

Publication number: DE2532603A1
Application number: DE19752532603
Authority: DE
Inventors: Erwin Sick
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1975-07-21
Filing date: 1975-07-21
Publication date: 1977-01-27
Also published as: JPS5611084B2; IT1063714B; FR2319127B1; CH608099A5; DE2532603B2; US4085322A; FR2319127A1; SE430829B; DE2532603C3; SE7608141L; GB1555236A; JPS5215358A

Description

PATENTANWÄLTE

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW

München, S/Sv-S 3111

Erwin Sick
Optik-Elektronik

7808 Waldkirch, An der Allee 7-9

Optische Vorrichtung zur Bestimmung des Lichtaustritt swinkels

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Bestimmung der Winkel, unter denen Licht von einem Abtastlichtpunkt auf einer Oberfläche ausgeht.

Es ist bereits bekannt, z.B. auf Fehler zu überwachende laufende Papier- oder Stoffbahnen mittels eines von einem Laser stammenden Lichtstrahls quer zu ihrer Laufrichtung fortwährend abzutasten. Auf der Bahn liegt also ein Lichtpunkt vor, von dem je nach Art der Oberfläche bzw. der Fehlerstelle Licht in unterschiedlichen Eichtungen zurückgeworfen wird. Insgesamt wird das vom Lichtpunkt ausgehende Licht in einem Raumwinkel zurückgeworfen, wobei die Intensität der Lichtstrahlen in den einzelnen Richtungen insgesamt .charakteristisch für den Zustand der Oberfläche ist. Es ist schon bekannt, daß die den

DR. G. MANlTZ · DIPL.-ING. M. FINSTERWAt-D DIPL.-ING. W. G R A M K O W ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

β MÜNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STHASSE I 7 STUTTGART SO (BAD CANNSTATT» MÜNCHEN. KONTO-NUMMER 7270

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Lichtpunkt überwachenden Empfangsanordnungen, welche meistens einen sich parallel zur Abtastrichtung erstreckenden Lichtleitstab sowie eine davor angeordnete Zylinderlinse umfaßt, unter verschiedenen Winkeln angeordnet werden kann, um die günstigsten Empfangsverhältnisse zu schaffen. Im allgemeinen wird die von der Empfangsanordnung aufgenommene Lichtintensität in Richtung des Reflexionswinkels am größten sein und unter davon abweichenden Winkeln mehr oder weniger abnehmen.

Der Nachteil aller bekannten Empfangsanordnungen für derartige Abtastlichtflecke besteht darin, daß der Empfang meistens auf eine einzige oder allenfalls zwei Richtungen relativ zur Oberfläche beschränkt ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute, wirtschaftlich herstellbare und dennoch betriebssicher arbeitende optische Vorrichtung zur Bestimmung der Winkel zu schaffen, unter denen Licht von einem Abtastlichtpunkt auf einer Oberfläche ausgeht. Die Vorrichtung soll dabei in jedem Augenblick zumindest einen erheblichen Teil des unter verschiedenen Winkeln von der Oberfläche ausgehenden Lichtes erfassen und innerhalb dieses Teils Winkelunterschiede zumindest in mehreren Winkelstufen festzustellen gestatten.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß im Bereich der von der Oberfläche ausgehenden Lichtstrahlen eine sich in Abtastrichtung erstreckende streifenförmige Stufenspie gel anordnung vorgesehen ist, deren einzelne Planspiegel parallel zueinander verlaufen und das auf sie auftreffende Licht zu einer Optik umlenken, an deren Brennebene ein flächenförmiges, sich senkrecht zur optischen Achse erstreckendes Empfangsraster angeordnet ist. Dabei ist die Anordnung vorzugsweise so, daß das bei einwandfreier_vOberflache, insbesondere senkrecht von dieser ausgehende Licht im Brennpunkt der Optik, die zweckmäßig aus einer einzigen Linse besteht, vereinigt wird. Von

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dieser Normalrichtung unter irgendeinem Winkel abweichendes Licht wird ebenfalls in der Brennebene konzentriert, jedoch an einer mehr oder weniger weit vom Brennpunkt seitlich entfernten Stelle. Im einfachsten Falle kann das Empfangsraster aus einer Mattscheibe bestehen, auf der eine für die Oberfläche charakteristische Lichtpunktverteilung erscheint, die durch einfache Beobachtung auf Abweichungen von einer Normalverteilung überwacht werden kann.

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Vorzugsweise/steht das Empfängeraster jedoch aus einer Vielzahl von Photoempfängern, die zweckmäßig an eine Auswerteelektronik angeschlossen sind, welche beim Erscheinen von einen bestimmten Wert überschreitenden Signalen an von außerhalb der Mitte liegenden Empfängern ein Fehlersignal abgibt. Durch geeignete Verfeinerung der Auswerteelektronik können praktisch beliebig feine Differenzierungen betreffend den Zustand eines bestimmten Oberflächenpunktes festgestellt und angezeigt werden.

Bevorzugt werden die senkrecht von der Oberfläche ausgehenden Strahlen an der Stufenspiegelanordnung um 90° abgelenkt.

Im einfachsten Fall kann die Stufenspiegelanordnung an der Außenseite eines relativ zur Oberfläche und zur optischen Achse schrägstehenden Stabes vorgesehen sein. Der Stab kann dabei beispielsweise unter einem Winkel mit einem (Tangens von 1/5 "bis 1/10 zur Oberfläche angeordnet werden. Je flacher der Stab angeordnet ist, umso weiter kann er sich in Abtastrichtung über die Oberfläche erstrecken und umso größer werdmn di· Totaonen zwischen den abgetasteten Punkten. Aus diesem Grunde sollten. Winkel mit einem Tangens von 1/10 nicht unterschritten werden.

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Relativ schmale Totzonen und ein sehr langer Meßbereich werden erzielt, wenn die Stufenspiegelanordnung an der Rückseite eines parallel zur Oberfläche verlaufenden Lichtleitstabes vorgesehen ist.· Aufgrund der in einem Lichtleitstab an den Wänden erfolgenden Totalreflexionen kann dieser sich ohne weiteres über die gesamte Breite der quer zu ihrer Bewegungsrichtung abgetasteten Bahn erstrecken, wobei dennoch die aufgefangenen Lichtstrahlen zu einer oder beiden Stirnseiten geleitet werden. Da es erfindungsgemäß Jedoch auf eine eindeutige Zuordnung zwischen unter einem bestimmten Winkel einfallenden Lichtstrahlen und Abbildungspunk bzw. -punkten in der Brennebene der Optik ankommt, muß der verwendete Lichtleitstab von optischer Qualität sein. Der Reflexionswinkel soll bei etwa 60 liegen.

Vorzugsweise ist an jeder Stirnseite des Lichtleitstabes, zu der das Licht reflektiert wird, ein Prisma vorgesehen, das die austretenden Lichtstrahlen, die senkrecht von der Oberfläche ausgehen, parallel macht. Hierdurch wird eine kompakte bauliche Anordnung verbunden mit einwandfreien optischen Verhältnissen erzielt.

Es ist auch möglich, die Stufenspiegelanordnung so auszubilden, daß beide Flanken zu jeweils entgegengesetzten Stirnseiten reflektieren. Aufgrund dieser vorteilhaften Weiterbildung werden jedwede Totzonen zwischen den einzelnen Planspiegeln ausgeschaltet, so daß eine stetige Abtastung gewährleistet ist. Bei dieser Ausführungsform muß allerdings entweder an beiden Stirnseiten eine Empfangsoptik mit Empfangsraster vorgesehen sein, oder die eine Stirnseite des Lichtleitstabes wird optisch einwandfrei und völlig eben verspiegelt, so daß auch die zunächst in entgegengesetzter Richtung reflektierten Strahlen schließlich zu der nur an einer Stirnseite vorgesehenen Empfangsoptik gelangen.

Aufgrund der erforderlichen eindeutigen Zuordnung von Lichtstrahl und Abbildungspunkten weist der Lichtleitstab vorteilhafterweise rechteckförmigen, vorzugsweise quadratischen Querschnitt auf.

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Die Stufenspiegelanordnung ist bevorzugt schmaler ausgebildet als die zugehörige Rechteckseite, wobei das Verhältnis der Breite der Stufenspiegelanordnung zur Breite des Rechtecks vorteilhafterweise 1:5 bis 1:10 beträgt. Aufgrund dieser Ausbildung können auch die seitlich der Stufenspiegelanordnung befindlichen Bereiche des rechteckförmigen Lichtleitstabes für Totalreflexionen ausgenutzt werden.

Um eindeutige Zuordnungen zu erzielen, sind die Planspiegel sämtlich gleich ausgebildet und haben gleichen Abstand.

Zweckmäßigerweise ist zwischen Oberfläche und Stufenspiegelanordnung eine Zylinderlinse angeordnet, welche sich parallel zu der Oberfläche erstreckt und das von dem Abtastlichtpunkt ausgehende Lichtbündel auf die streifenförmige Stufenspiegelanordnung konzentriert.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem nur teilweise dargestellten Lichtleitstab,

Fig. 1a eine spezielle Stufenspiegelanordnung, bei der beide Planken für Reflexionen ausgenutzt sind, so daß eine totzonenfreie Überwachung des Abtastlichtpunktes gewährleistet ist,

Fig.1b eine Abwandlung von Fig. 1

Fig. 2 einen schematischen Schnitt nach Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 5 eine schematische Ansicht nach Linie III-III in Fig. 1, und

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht einer vereinfachten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

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ffach den Pig. 1 bis 3 bewegt sich die Oberfläche 11 einer zu überwachenden Papier- oder Stoffbahn stetig in Richtung des Pfeiles f. Auf in der Zeichnung nicht dargestellte Weise wird z.B. mittels eines Lasers und einer geeigneten Optik ein Lichtpunkt 24 auf der Oberfläche entworfen. Der Lichtpunkt 24 führt in Richtung des Pfeife F nach Pig. 1 eine Abtastbewegung aus, so daß er nacheinander die Stellen 24', 24", 24"· usw. einnimmt, bis der Abtastzyklus wieder von vorne beginnt. Pur die Abtastung wird im allgemeinen ein Spiegelrad verwendet.

Oberhalb der Oberfläche 11 ist parallel zu ihr und zur Abtastrichtung P eine Zylinderlinse 23 und darüber ein Lichtleitstab 12 angeordnet, welcher gemäß Fig. 2 einen rechteckförmigen Querschnitt hat. Oben auf die Mitte des Lichtleitstabes 12 ist eine Stufenspiegelanordnung 14 aufgesetzt, z.B. aufgeklebt, welche aus Planspiegeln 15 und Zwischenstücken besteht, die bei der Ausführungeform nach Pig. 1 unverspiegelt sein können} bei der Ausführungsform nach Pig. 1a reihen sich jedoch in entgegengesetzten Richtungen geneigte Planspiegel unmittelbar aneinander.

Die Beigung der Planspiegel 15 ist derart, daß die senkrecht von der Oberfläche 11 ausgehenden Strahlen in der aus Pig. 1 ersichtlichen Weise schräg nach unten zu einem an der Stirnseite angeordneten Prisma 21 gelenkt werden, welches die von der Oberfläche 11 senkrecht ausgegangenen Lichtstrahlen pjcallel zur Stabachse richtet. Eine in diesem Strahlengang angeordnete Linse 16 vereinigt die Strahlen in ihrer Brennebene 18.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, vereinigt die Linse 16 diejenigen Lichtstrahlen 13» die nicht senkrecht von der Oberfläche ausgehen, an neben dem Brennpunkt 26 liegenden Stellen ebenfalls in der Brennebene 18. Beispielsweise sind von dem Punkt 24 ausgehend zwei nicht senkrecht von der Oberfläche 11 auftretende

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Strahlen beispielsweise dargestellt, von denen der eine oberhalb und der andere unterhalb des Brennpunktes 26 auf die Brennebene 18 fällt.

Nach Fig. 2 bewirkt die Zylinderlinse 23» cLaß das von dem Punkt 24 ausgehende Licht auf die Stufenspiegelanordnung 14 konzentriert wird. Die unter verschiedenen Winkeln vom Punkt 24 ausgehenden Lichtstrahlen 13 treffen jedoch auch unter verschiedenen Winkeln in der Querschnitt sebene des Lichtleitstabes 12 auf die Stufenspiegelanordnung 14 auf, so daß sie nicht innerhalb der vertikalen Mittellängsebene des Lichtleitstabes 12 sondern so wie beispielsweise in Fig. 2 dargestellt reflektiert werden. Der in Fig. 2 gestrichelt angedeutete Lichtstrahl würde genau in entgegengesetzter Weise an der Stufenspiegelanordnung 14 reflektiert werden. Aufgrund dieser Verhältnisse werden in der Querschnittsebene nach Fig. 2 nicht senkrecht von der Oberfläche 11 ausgehende Lichtstrahlen in der Brennebene 18 seitlich neben dem Brennpunkt 26 konzentriert.

Durch Überlagerung der in den Fig. 1 und 2 veranschaulichten Effekte können die Lichtstrahlen auch an beliebigen anderen Stellen neben dem Brennpunkt 26 konzentriert werden.

Bringt man nun gemäß Fig. 1 und 3 in cLer Brennebene 18 beispielsweise eine X-Y-Anordnung verschiedener Photozellen 19 an, so stellen die an den einzelnen Photozellen erscheinenden elektrischen Signale ein Maß für die Intensität des unter einem bestimmten Winkel von der Oberfläche 11 ausgehenden Lichtes dar. Die Photozellen 19 bilden also insgesamt ein Empfangsraster 17, mittels dessen die Lichtintensitäten in den verschiedenen Winkelbereichen bestimmt werden können.

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Je feiner das Raster 17 ist, umso geringere Winkelunterschiede können ermittelt werden. Im allgemeinen wird es jedoch genügen, wenn rund um den mittleren, im Brennpunkt 26 angeordneten Photoempfänger nur wenige weitere Photoempfänger 19 vorgesehen sind. Bereits dies würde einen wesentlichen Vorteil gegenüber bekannten Empfangsvorrichtungen darstellen, welche normalerweise nur das unter einem ganz bestimmten Winkel ausgehende Licht feststellen und messen können.

Durch Weitergabe der von den einzelnen Photoempfängern 19 abgegebenen elektrischen Signale an eine Auswerteelektronik 22 kann jede gewünschte Auswertung der Empfangssignale vorgenommen werden. Im einfachsten Falle wird man die Photozellen 19 so schalten, daß bei Peststellung bestimmter Abweichungen, d.h. einen vorbestimmten Wert überschreitenden Signalen an neben dem Brennpunkt 26 liegenden Photοempfängern ein Fehlersignal abgegeben wird.

Fig. 4 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform, bei der im Anschluß an die Zylinderlinse 23 ein gegenüber der Oberfläche 11 schräggestellter Stab 20 vorgesehen ist, der an seiner Unterseite die Stufenspiegelanordnung 14 trägt. Die Planspiegel 15 reflektieren die vom Lichtpunkt 24 ausgehenden Lichtstrahlen zu einer Optik 16, welche die Lichtstrahlen Je nach dem Austrittswinkel von der Oberfläche 11 an unterschiedliche Stellen ihrer Brennebene 18 lenkt. An den einzelnen Punkten des Empfangsrasters 17 sind wieder Photozellen 19 angeordnet. Die Draufsicht des Empfangerasters ist analog Fig. 3.

Die Totzonen 27 »wischen den Planspiegeln 15 werden umso kleiner, je steller der Stab gestellt ist. Im Grenzfall der Anordnung des Stabes 20 unter 45° zur Oberfläche 11 könnte ein einzelner Planspiegel vorgesehen sein, wobei jedoch die Abtastlänge beschränkt ist.

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- Sa-

Fig. 1b zeigt eine zu Fig. 1 analoge Ansicht, wobei durch die spezielle symmetrische Gestaltung des Prismas dafür gesorgt ist, daß auch die an den Wänden des Stabes 12 totalreflektierten Strahlen zur Brennebene 18 gelangen. Durch den als Beispiel für einen von der Normalrichtung abweichenden Strahl eingezeichneten gestrichelten Strahl soll veranschaulicht werden, daß auch für die totalreflektxerten Staa hlen die gleichen Regeln wie für die in Fig. 1 allein eingezeichneten direkten Strahlen gelten, d.h. daß bei einer Abweichung der von der Bahn 11 ausgehenden Strahlen von einer Normalrichtung der Bildpunkt in der Brennebene vom Brennpunkt 26 nach einer von der Richtung der Abweichung abhängigen Seite auswandert. Es ist auch möglich, die Strahlen aus dem Stab 12 unter einem Winkel zur Stabachse austreten zu lassen, wobei dann an der Stabstirnseite im Wege der Ausgangsstrahlen zwei Anordnungen aus einer Linse 16 und Photoempfängern 19 vorzusehen sind.

-Patentansprüche-

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Claims

AQ

Patentansprüche

(ΐ_·/Optische Vorrichtung zur Bestimmung der Winkel, unter denen Licht von einem Abtastlichtpunkt auf einer Oberfläche ausgeht, dadurch gekennzeichnet , daß im Bereich der von der Oberfläche (11) ausgehenden Lichtstrahlen (13) eine sich in Abtastrichtung (J¹) erstreckende streiffinförmige Stufenspiegelanordnung (14) vorgesehen ist, deren einzelne Planspiegel (15) parallel zueinander verlaufen und das auf sie auftreffende Licht zu einer Optik (16) umlenken, an deren Brennebene (18) ein flächenförmiges, sich senkrecht zur optischen Achse erstreckendes Empfangsraster (17) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfangsraster (17) aus einer Vielzahl von Photoempfängern (19) besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß senkrecht von der Oberfläche ausgehende Strahlen an der Stuf enspiegelanordnung (14-) um 60¹ abgelenkt werden.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Stufenspiegelanordnung (14) an der Außenseite eines relativ zur Oberfläche und zur optischen Achse schrägstehenden Stabes (20) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Stufenspiegelanordnung (14) an der Rückseite eines parallel zur Oberfläche (11) verlaufenden Lichtle^tstabes (12) vorgesehen ist.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Stirnseite des Lichtleitstabes (12), zu der das Lichixreflektiert wird, ein Prisma (21) vorgesehen ist, das die austretenden Lichtstrahlen, die senkrecht von der Oberfläche (11) ausgehen, parallel zur Stabachse macht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufenspiegelanordnung (14) so ausgebildet ist, daß "beide Hanken zu jeweils entgegengesetzten Stirnseiten reflektieren.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7» dadurch gekennzeichnet , daß der Lichtleitstab (12) rechteckförmigen, vorzugsweise quadratischen Querschnitt aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufenspiegelanordnung (14) schmaler als die zugehörige Rechteckseite ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufenspiegelanordnung (14) im Verhältnis 1»5 bis 1:10 Bchmaler als die Rechteckseite ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Planspiegel (15) sämtlich gleich ausgebildet sind und gleichen Abstand haben
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Photoempfänger (19) an eine Auswerte-•lektronik (22) angeschlossen sind, welche beim Erscheinen von einen bestimmten Wert überschreitenden Signalen an von außerhalb der Mitte liegenden Empfängern ein Fehlersignal abgibt.

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Al
13· Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen Oberfläche (11) und Stufenspiegelanordnung (14) eine Zylinderlinse (23) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Plaspiegel (15) derart zur Stabachse geneigt sind, daß von der Oberfläche (11) kommende, auftreffende Lichtstrahlen unter Totalreflexionswinkeln zu den Stabseitenflächen reflektiert werden.
15· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 his 7 und 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß der Lichtleitstab (12) im Querschnitt rund ist und die Stufenspiegelanordnung (14) einen schmalen Bereich der Mantelfläche des Stäben einnimmt.
16.Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß bei Bemessung der Zylinderlinse (23) die Brechwirkung des Lichtleitstabes (12) berücksichtigt ist, derart, daß alles von der Oberfläche zur Linse (23) gelangende Licht auf die Stufenspiegelanordnung konzentriert wird.

17· Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 1ß, dadurch gekennzeichnet , daß am Ende des Lichtleitstabes (12) nur eine Photozelle angeordnet ist, um lediglich ein relativ starkes Signal für den gesamten empfangenen Lichtstrom zu bilden.

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