DE2532603B2

DE2532603B2 - Optische Vorrichtung zur Bestimmung des Lichtaustrittswinkels

Info

Publication number: DE2532603B2
Application number: DE2532603A
Authority: DE
Inventors: Erwin 8021 Icking 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: 1978-04-13
Also published as: GB1555236A; JPS5611084B2; SE430829B; CH608099A5; FR2319127B1; FR2319127A1; US4085322A; SE7608141L; IT1063714B; JPS5215358A; DE2532603A1; DE2532603C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur getrennten Erfassung von Lichtstrahlen, die unter verschiedenen Winkeln von einer mit einem Lichtpunkt abgetasteten Oberfläche ausgehen.

Es ist bereits bekannt (vergleiche DE-OS 21 15 979), 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 Richtungen 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 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 günstigen 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 meisten auf eine einzige oder allenfalls zwei Richtungen relativ zur Oberfläche beschränkt ist.

Den gleichen Nachteil weist auch eine Vorrichtung zur Prüfung und Sortierung von bahn- oder blattförmigen Erzeugnissen (DE-OS 15 73 496) auf. Hier werden zu flächenartigen Gebilden zusammengefaßte Lichtleiter mit ihrer Stirnseite in der Nähe einer zu überwachenden Bahn angeordnet. Für jeden Winkel, aus dem Licht empfangen werden soll, muß eine gesonderte Lichtleiteranordnung vorgesehen werden, was nicht nur aufwendig ist, sondern auch die Zahl der erkennbaren Winkelbereiche beschränkt.

Es ist auch schon bekannt (DE-OS 19 41 905), den auf den Mantel eines Lichtleitstabes auffallenden Lichtstrahlen eine Komponente in Längsrichtung des Stabes dadurch zu geben, daß an den Lichteintrittsstellen der Mantel in Längsrichtung sägezahnartig ausgebildet ist, so daß senkrecht auftreffende Strahlen durch die

Brechung an den hierdurch geschaffenen einzelnen Prismen eine Komponente in Längsrichtung des Stabes erhalten. Um die auftreffenden Strahlen jedoch so weit in Richtung der Längsachse des Lichtleitstabes zu brechen, daß diese unter Winkeln der Totalreflexion auf die gegenüberliegende Mantelfläche cts Lichtleitstabes auftreffen, sind Gläser mit besonders hohen Brechungsindizies erforderlich, so daß ein derartiger Lichtleitstab sehr aufwendig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute, wirtschaftlich herstellbare und dennoch betriebssicher arbeitende optische Vorrichtung zur getrennten Erfassung von Lichtstrahlen zu schaffen, die unter verschiedenen Winkeln von einem Abtastlichtpunkt auf einer Oberfläche ausgehen. 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.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

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

F i g. 1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung mit einem nur teilweise dargestellten Lichtleitstab,

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

Fig. Ib eine Abwandlung von Fig. 1,

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

F i g. 3 eine schematische Ansicht nach Linie III-III in Fig. l,und

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

Nach den F i g. 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 Pfeiles F nach Fig. 1 eine Abtastbewegung aus, so daß er nacheinander die Stellen 24', 24", 24'" usw. einnimmt, bis der Abtastzyklus wieder von vorne beginnt. Für die Abtastung wird im allgemeinen ein Spiegelrad verwendet.

Oberhalb der Oberfläche 11 ist parallel zu ihr und zur Abtastrichtung Feine 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 25 besteht, die bei der Ausführungsform nach F i g. 1 unverspiegelt sein können; bei der Ausführungsforni nach Fig. la reihen sich jedoch in entgegengesetzten Richtungen geneigte (>o Planspiegel 15 unmittelbar aneinander.

Die Neigung der Planspiegel 15 ist derart, daß die senkrecht von der Oberfläche 11 ausgehenden Strahlen in der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise schräg nach unten zu einem an der Stirnseite angeordneten Prisma 21 t>5 gelenkt werden, welches die von der Oberfläche 11 senkrecht ausgegangenen Lichtstrahlen parallel 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 11 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 austretende Strahlen beispielsweise dargestellt, von denen der eine oberhalb und der andere unterhalb des Brennpunktes 26 auf die Brennebene 18 fällt.

Nach F i g. 2 bewirkt die Zylinderlinse 23, daß 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 Querschnittsebene des Lichtleitstabes 12 auf die Stufenspiegelanordnung 14 auf, so daß sie nicht innerhalb der vertikalen Mittellängsebene des Lichtleitstabes 12, sondern so wie beispielsweise in F i g. 2 dargestellt reflektiert werden. Der in F i g. 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 F i g. 1 und 2 veranschaulichten Effekte können die Lichtstrahlen auch an beliebigen anderen Stellen neben dem Brennpunkt 26 konzentriert werden.

Bringt man nun gemäß F i g. 1 und 3 in der 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.

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 Feststellung bestimmter Abweichungen, d. h. einen vorbestimmten Wert überschreitenden Signalen an neben dem Brennpunkt 26 liegenden Photoempfängern ein Fehlersignal abgegeben wird.

F i g. 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 Empfangsrasters ist analog F i g. 3.

Die Totzonen 27 zwischen den Planspiegeln 15 werden umso kleiner, je steiler 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 be- ίο schränkt ist.

Fig. Ib 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 total reflektierten Strahlen zur Brennebene 18 gelangen. Durch den als Beispiel für einen von de Normalrichtung abweichenden Strahl eingezeichnete! gestrichelten Strahl soll veranschaulicht werden, dal auch für die total reflektierten Strahlen die gleiche: Regeln wie für die in Fig. 1 allein eingezeichnete: direkten Strahlen gelten, d. h. daß bei einer Abweichunj der von der Bahn 11 ausgehenden Strahlen von eine Normalrichtung der Bildpunkt in der Brennebene von Brennpunkt 26 nach einer von der Richtung de Abweichung abhängigen Seite auswandert. Es ist aucl möglich, die Strahlen aus dem Stab 12 unter einen Winkel zur Stabachse austreten zu lassen, wobei dam an der Stabstirnseite im Wege der Ausgangsstrahlei zwei Anordnungen aus einer Linse 16 und Photoemp fängern 19 vorzusehen sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur getrennten Erfassung von Lichtstrahlen, die unter verschiedenen Winkeln von einer mit einem Lichtpunkt abgetasteten Oberfläche ausgehen, dadurch gekennzeichnet, daß im Wege der von der Oberfläche (11) ausgehenden Lichtstrahlen (13) eine sich in Abtastrichtung (F) erstreckende streifenförmige Stufenspiegelanordnung (14) aus einzelnen parallel zueinander verlaufenden Planspiegeln (15) vorgesehen ist, die das auf sie auftreffende Licht zu einer Optik (16) umlenken, an deren Brennebene (18) ein flächenförmiger, sich senkrecht zur optischen Achse erstreckender Empfangsschirm (17) angeordnet ist. ι⁵

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangsschirm (17) aus einer Vielzahl von Photoempfängern (19) besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufenspiegelanordnung ^M (14) derart ausgebildet und angeordnet ist, daß senkrecht von der Oberfläche ausgehende Strahlen an den Planspiegeln (15) um etwa 60° 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 Lichtleitstabes (12) vorgesehen ist und die Planspiegel (15) derart zur Stabachse geneigt sind, daß von der Oberfläche (11) kommende, auftreffende Lichtstrahlen unter Totalreflexionswinkeln zu den Stabseitenflächen reflektiert werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Stirnseite des Lichtleitstabes (12), zu der das Licht reflektiert 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 auf den zwischen den Planspiegeln (15) der Stufenspiegelanordnung (14) befindlichen Flanken (25) ebenfalls zueinander parallele weitere Planspiegel (15) angeodnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, ^Μ 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 Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufenspiegelanordnung (14) im Verhältnis 1:5 bis 1:10 schmaler 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, ^b5 dadurch gekennzeichnet, daß die Photoempfänger (19) an eine Auswerteelektronik (22) angeschlossen sind, welche beim Erscheinen von einen bestimmten Wert überschreitenden Signalen an von außerhalb der Mitte der Brennebene (18) liegenden Empfängern ein Fehlersignal abgibt.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Oberfläche (11) und Stufenspiegelanordnung (14) eine Zylinderlinse (23) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitstab (12) im Querschnitt rund ist und die Stufenspiegelanordnung (14) einen schmalen Bereich der Mantelfläche des Stabes einnimmt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, 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 Stufenspiegelanoi dnung konzentriert wird.