DE2550814B2 - Zeilentastvorrichtung für Materialbahnen zur Fehlstellenermittlung - Google Patents
Zeilentastvorrichtung für Materialbahnen zur FehlstellenermittlungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Zeilentastvorrichtung für Materialbahnen zur Fehlstellenermittlung, bei der
eine Laserlichtquelle über ein Objektiv zur Erzeugung eines hauptsächlich parallelen Strahlenbündels, eine
Lichtablenkvorrichtung und eine Zylinderlinse auf einer parallel zu ihrer Oberfläche bewegten Maierialbahn
einen Lichtfleck hervorruft, welcher die Bahn senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung und parallel zu
ihrer Oberfläche periodisch abtastet, und bei der parallel
zu der Materialbahn in Abtastrichtung ein Lichtleitstab verläuft, an dessen Stirnseite wenigstens ein
Lichtempfänger angeordnet ist.
Bekannte derartige Vorrichtungen arbeiten entweder mit dem von der Materialbahn reflektierten oder
durch sie hindurchgehenden Licht. Die Lichtempfangsanordnung soll unter dem Reflexionswinkel des
auftreffenden Lichtes angeordnet werden, um eine möglichst große Lichtausbeute zu erzielen.
Die bekannten Zeilentastvorrichtungen haben jedoch den Nachteil, daß insbesondere auf Blechoberflächen
in Längsrichtung, d. h. in Transportrichtung der Bahn vorliegende Kratzer nur schwer erkannt
werden können und im übrigen der Anteil des zum Fotoempfänger gelangenden Lichtes sehr gering ist,
weil die Verluste bei der Steuerung und Totalreflexion
im Lichtleitstab relativ groß sind.
Aus diesem Grund wurde bereits vorgeschlagen, an einer Mantelseite des Lichtleitstabes eine Stufen- oder
Rasterspiegelanordnung vorzusehen, welche aus zahlreichen aneinandergesetzten und relativ zur Stabachse
um einen bestimmten Winkel gekippten Planspiegeln besteht. Der Winkel der Planspiegel zur optischen
Achse ist dabei derart, daß im wesentlichen senkrecht zur Stabachse von innen auf die Planspiegel
auffalendes Licht unter einem solchen Winkel zur gegenüberliegenden Stabseite reflektiert wird, daß der
Lichtstrahl innerhalb des Stabes totalreflektiert wird, und zwar so lange, bis er auf eine der Stirnseiten des
Stabes auf trifft, aus der er dann in den Fotoempfänger oder auf einen ihn in den Stab z.iiriiekrcHektierenden
Planspiegel gelangt.
Bei der vorgeschlagenen Anordnung kann es jedoch vorkommen, daß das einmal von der Stufenspiegelanordnung
reflektierte Lieht nach der Totalrellcxion
an der gegenüberliegenden Stabseite erneut aiii die Stulenspiegelanordniiiig trifft, was I icht\eiliiste
mit sich bringt und auch aus (Ii linden der I lomogcnität
unerwünscht ist.
Das Ziel tier vorliegenden lilindiing besieht somit
darin, eine /eilentastvonichiung der eingangs genanntcn
Galtimgzu schallen, bei der am I nlncmplän
gel eine hohe l.ichtausbeuk1 erzielt wird, glcklnvohl
aber zusät/lkhe Nachteile dinih I iiliKeiluste oilei
Inhomogenität vermieden weiden.
Zur I ösungdiescr Aufgabe sieht ilie litiiuliiiig \<
>i. daß der l.ichtlcitslab aiii seiner dem I iehteintiilt gegenüberliegenden
Mantelseite eine Slulenspiegelanordnung trägt und zwecks möglichster Vermeidung
wiederholten Auftreffens des Lichtes auf die Stufenspiegelanordnung
der Lichtleitstab gekrümmten Querschnitt hat und/oder ihm eine Zylinderlinse vorgeschaltet
ist und daß im Sendestiahlengang zwischen Lichtquelle und Objektiv ein lichtstreuendes Zylinderlinsenraster
mit in Abtastrichtung verlaufenden Linsenachsen angeordnet ist.
Aufgrund dieser Ausbildung wird der scharf gebündelte
Laserstrahl senkrecht zur Ablenkungsbewegungsrichtung derart aufgefächert, daß er das Objektiv
und die vorzugsweise als Spiegelrad ausgebildete Lichtablenkvorrichtung senkrecht zur Ablenkrichtung
voll und homogen ausleuchtet. Dies hat zur Folge, daß auch das unter dem Reflexionswinkel von
der Materialbahn zurückgeworfene Licht die Zylinderlinse der Empfangsanordnung bzw. den Lichtleitstab
homogen ausleuchtet. Das in den Lichtleitstab fallende Licht trifft somit unter verschiedenen Winkeln
zur Tangente des Lichtleitstabes auf die Stufenspiegelanordnung auf, so daß innerhalb des Lichtleitstabcs
totalreflektiertes Licht überwiegend nicht erneut auf die Stufenspiegelanordnung auftrifft.
Demnach kommt es zu keinen durch mehrmaliges Aultreffen des Lichtes auf die Stufenspiegelanordnung
bedingten Störungen und zu einer besseren Lichtausbeute.
Bevorzugt befindet sich das Zylinderlinsenraster etwas vor oder hinter dem Brennpunkt des Objektivs,
wobei der Abstand vom Brennpunkt zweckmäßig 5 bis 20%, vorzugsweise 10%, der Brennweite des Objektivs
beträgt. Bei dieser Ausführungsform erscheint auf der Materialbahn ein schmaler Lichtstrich, der sich
in Richtung der Bewegung der Materialbahn erstreckt. Dies ist besonders bei der Ermittlung von in
Bewegungsrichtung der Bahn verlaufenden Kratzern auf Blechoberflächen vorteilhaft, weil sich dann der
dünne Lichtstrich in der gleichen Richtung wie die ansonsten sehr schwer zu erkennenden Kratzer erstreckt.
Die betreffende Ausfiihrungsform eignet sich also besonders zur Ermittlung von Längskratzern auf
Blechoberflächen.
Vorzugsweise ist das Zylindcrlinscnraster in Richtung
der optischen Achse verschiebbar, so daß die optimale Länge des Lichtstriches auf der Maierialbahn
einstellbar ist.
Eine gute Homogenität verbunden mit einer großen l.ichtausbeute wird erzielt, wenn der Querschnitt des
auf das Zylinderünsenraster !reffenden Lichtstrahles
mindestens fünf nebeneinanderliegende negative Linsen des Zylinderlinsenrastcrs erlaßt.
Der Durchmesser des Lichtleitstabes soll mindestens fünf- bis zehnmal und vorzugsweise /wan/igmal
so groß sein wie die Breite der Stufenspiegelanordnung.
!•ine vorteilhafte Ausl'ühriingsl'orm kennzeichnet
sich dadurch, daß der l.khtstrahl durch eine Slrahlaufwcitiingsoptik
hindurchgeht, bevor er auf das Zylinileilinsenraster
iril'fl.
Voi teilhafte Wcilcihildungcn sind durch die Unterausprüche
ge kenn/eich net.
Die Erfindung wild im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben. Es /.eigen
Eig. I a, I bund 1 ceine schcinatischc Ansicht einer
bcMir/iiglcn Ausführimgsfoim der crl'indungsgeinäßcn
Zcilcnlastvorrichtung, wobei die drei Figuren an
den Stellen Λ und Ii aneinandergesel/t /u denken
sind.
Fig. Id eine Ansicht in Richtung des Pfeiles D in
Fig. Ta und
Fig. 2 eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht nach Linie H-II in Fig. Ic,
Nach Fig. 1 a und 1 d tritt der Lichtstrahl eines Lasers 11 durch eine Zylinderlinse 22 mit einer Brennweite
von z. B. 50 mm und eine dazu gekreuzt angeordnete weitere Zylinderlinse 32 mit einer Brennweite
von z. B. 5 mm in das Zylinderlinsenraster 21 ein, welches in einem etwas geringeren Abstand vom
Objektiv 12 als dessen Brennweite / angeordnet ist. Das Raster kann im Sinne des Doppelpfeiles P verschiebbar
sein, so daß es auch im Brennpunkt oder in definiertem Abstand von diesem liegen kann.
Nach Fig. Ib befindet sich hinter dem Objektiv 12
ein die Lichtablenkvorrichtung bildendes Spiegelrad 13, welches in Fig. la, Ib ebenfalls angedeutet ist,
um die Lage seiner Achse in bezug auf die Achsen der Zylinderlinsen 22, 32 zu definieren. Die Achse
ι des Spiegelrades 13 ist etwas gekippt, damit das reflektierte
Licht auf einen länglichen Planspiegel 14 fallen kann, welcher neben der Lichtsende-Anordnung
aufgestellt ist und sich senkrecht zur Zeichenebene über die gesamte Breite der Vorrichtung (entsprechend
der Breite der Materialbahn bzw. dem Abtastbereich des Spiegelrades) erstreckt. Aus Gründen
einer gedrängten zeichnerischen Darstellung ist die Kippung des Spiegelrades 13 in Fig. Ib stark
übertrieben dargestellt.
ι Das von dem streifenförmigen Planspiegel 14 reflektierte
Licht gelangt auf einen weiteren streifenförmigen Planspiegel 14' am anderen Ende der Vorrichtung
und von dort durch Reflexion schräg nach unten (eine Reflexion schräg nach oben wäre ebenso gut
) möglich) zu einem Kugel- oder Zylinderspiegel 14" mit in der Zeichenebene liegender Achse, dessen
Brennpunkt bzw. Brennlinie sich auf der beleuchteten Oberfläche des Spiegelrades 13 befindet. Das Objektiv
12 und der Zylinderspiegel 14" konzentrieren das
ι Licht zusammen mit einer unmittelbar vor der Materialbahn
M (Fig. 1 c) angeordneten Zylinderlinse 15. deren Achse senkrecht auf der Zeichenebene steht
und deren Brennlinie sich auf der Oberfläche der Materialbahn M befindet, auf eine Stelle 16. Ein exakter
ι Lichtfleck würde nur vorliegen, wenn das Zylinderlinsenraster
21 genau im Abstand der Brennweite j vom
Objektiv 12 (gestrichelte Darstellung in Fig. 1 d) angeordnet wäre, was durchaus möglich ist. Durch eine
definierte Verschiebung vom Brennpunkt gemäß Fig. Id entsteht ein Lichtstrich in Richtung des Pfeiles
/'auf der Materialbahn (Fig. 1 c). Der Lichtfleck
16 bzw. der Lichtstrich bewegt sich bei Drehung des Spiegelrades 13 in EMg. Ic senkrecht zur Zeichenebene
auf der Materialbahn M hin und her. Die Materialbahn Λ/ bewegt sich ihrerseits in Richtung des
Pfeiles /', d. h. senkrecht zur Abtastrichtung, welche in Fig. 2c durch einen Doppclpfeil ν angedeutet ist.
Vorzugsweise unter dem Reflexionswinkel /um Eintrittslichtstrahl ist eine Licht-Empfangsanordiuing
17 in der Nähe der Malerialbahii M vorgesehen, welche
aus einer sich parallel zur Zylinderlinse 15 erstreckenden weiteren Zylinderlinse 28 und einem l.ichtleitstab
18 besteht, dessen Achse ebenfalls parallel /u den Achsen der Zylinderlinsen 15, 23 verläuft. Die·
Brennweite der Zylinderlinse 28 ist unter Berücksichtigung der Brechkraft des Lichtleitstabes 18 so gewählt,
daß das Lichtbündel gemäß Fig. Ib auf einer der Lichteintrittsseite diametral eeeenüherliependen
Mantelseite angeordneten Stufcnspiegelanordnung
20 konzentriert wird, deren Aufbau im einzelnen aus Fig. 2 ersichtlich ist.
Die Stufenspiegelanordnung besteht aus einzelnen Planspiegeln 29, welche entweder gemäß der linken
Hälfte der Fig. 2 zu einer Sägezahnanordnung oder gemäß der rechten Hälfte der Fig. 2 in einer Dachanordnung
zusammengesetzt sind. In jedem Fall sind die Winkel der Planspiegel 29 relativ zur Achse des
Lichtleitstabes 18 so zu wählen, daß an ihnen reflektierte Lichtstrahlen unter dem Winkel der Totalreflexion
auf die gegenüberliegende Wand des Lichtleitstabes 18 auftreffen, so daß die in Fig. 2 gestrichelt
wiedergegebenen Strahlenverläufe erzielt werden.
Am in Fig. 2 rechten Ende des Lichtleitstabes befindet sich eine Verspiegelung 27, während an der linken
Stirnseite eine Ulbrichtsche Kugel 26 vorgesehen ist, an deren Innenwand das eintretende Licht in der
gestrichelt angedeuteten Weise gestreut wird. Unter einem rechten Winkel zur Lichteintrittsseite 30 ist in
einer z. B. quadratischen öffnung 31 die lichtempfindliche Oberfläche eines Fotoempfängers 19 angeordnet.
Zwischen Lichteingang 30 und Lichtausgang 31 befindet sich eine Blende 25, die den direkten
Lichtübergang vom Eingang zum Ausgang verhindert.
Nach den Fig. Ic und 2 ist zwischen der Materialbahn
M und der Zylinderlinse 28 ein weiteres Zylinderlinsenraster 23 angeordnet, dessen einzelne negative
Zylinderlinsen 24 mit ihren Achsen senkrecht zur Achse des Lichtleitstabes 18 stehen.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Zeilenabtastvorrichtung ist wie folgt:
Ohne das Zylinderlinsenraster 21 nach Fig. la, Id
würde der Strahlengang des Lasers 11 das Objektiv 12 und die gerade reflektierende Fläche des Spiegelrades
13 in Richtung der Spiegelradachse nicht gleichmäßig ausleuchten. Das Strahlenbündel würde beispielsweise
so verladen, wie das in den Fig. Ib und 1 c in gestrichelten Linien dargestellt ist. Insbesondere
bei weitgehend spiegelnder Reflexion an der Materialbahn M wird ein recht schmales Lichtbündel auf
die Stufenspiegelanordnung 20 auffallen, so daß das innerhalb des Stabes totalreflektierte Licht zwei- oder
mehrfach auf die Spiegelanordnung 20 fällt, was unerwünscht ist.
Aufgrund der Anordnung des Zylinderlinsenrasters
21 wird jedoch der aufgefächerte Strahlengang erzielt,
der in ausgezogenen Linien in Fig. 1 wiedergegeber ist. Wie sich insbesondere aus Fig. 1 c ergibt, fällt aufgrund
dieser Ausbildung das Licht auf die Stufenspicgelanordnung 20 unter sehr verschiedenen Winkelr
■'> relativ zur Tangente an den Stab 18 am Orte der Stufenspiegelanordnung
20, so daß reflektiertes und totalreflektiertes Licht weitgehend nicht mehr auf die
Stufcnspiegelanordnung 20 zurückgelangt und se durch mehrfache Totalreflexion zum Stabende gern
langt, wo die Messung (oder Reflexion) erfolgt.
Die Wirkung des weiteren Zylindcrlinsenrastcrs 23 ergibt sich besonders anschaulich aus Fig. 2. Während
ohne dieses zusätzliche Zylinderlinscnrastcrs 23 im wesentlichen der vom Lichtfleck 16 nach oben ausgc-
i"> hendc gestrichelt dargestellte Lichtstrahl mit dei
Breite α vorliegen würde, fächert das Zylinderlinsenraster
23 das Lichtbündel derart auf, daß es z. B. mil der Breite b auf die Stufenspiegelanordnung 20 auffällt.
Die Breite b ist so gewählt, daß auf jeden Fall
■?<> zwei oder vorzugsweise noch mehr Planspiegel 29
gleichzeitig von dem Bündel beaufschlagt werden. Auf diese Weise wird der Einfluß der Grundfrequenz des
Spiegelrasters bei der Abtastung weitgehend ausgeschaltet.
2") Die durch die unregelmäßigen Reflexionen innerhalb
des Lichtlcitstabes 18 bedingten Unregelmäßigkeiten an den Stirnseiten des Lichtleitstabes 18 werden
durch die Anordnung der Ulbrichtschen Kugel 26 ausgeschaltet, welche das aus der Stirnseite des
in Lichtleitstabes 18 austretende Licht an jedem Auftreffpunkt
in alle Richtungen streut, so daß bis zum Erreichen des Fotoempfängers 19 eine weitgehende
Homogenisierung erzielt ist.
Die Erfindung führt demnach nicht nur zu einer
j) sehr erheblichen Lichtausbeute, sondern vermeidet
auch gleichzeitig die nachteiligen Einflüsse von Inhomogenitäten. Als besonders vorteilhaft ist herauszustellen,
daß durch eine geringe Verschiebung des Zylinderlinsenrasters 21 in Richtung des Objektivs 12
in aus dem Brennpunkt heraus auf der Materialbahn M
ein Lichtstrich in Bewegungsrichtung P erhalten wird, welcher sich zu einer empfindlichen Wiedergabe von
Längskratzern im am Ausgang des Fotoempfängers 19 erhaltenen elektrischen Signal eignet.
ι -, Eine vereinfachte Ausführungsform kann bei noch
ausreichender Empfindlichkeit auch ohne das Linsenraster arbeiten, wobei dann jedoch die gekreuzten Zylinderlinsen
22, 32 von besonderer Bedeutung sind.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (12)
1. Zeilentastvorrichtung für Materialbahnen zur Fehlstellenermittlung, bei der eine Laserlichtqueile
über ein Objektiv zur Erzeugung eines hauptsächlich parallelen Strahlenbündels, eine
Lichtablenkvorrichtung und eine Zylinderlinse auf einer parallel zu ihrer Oberfläche bewegten Materialbahn
einen Lichtfleck hervorruft, welcher die Bahn senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung und
parallel zu ihrer Oberfläche periodisch abtastet, und bei der parallel zu der Materialbahn in Abtastrichtung
ein Lichtleitstab verläuft, an dessen Stirnseite wenigstens ein Lichtempfänger angeordnet
ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleitstab (18) auf seiner dem Lichteintritt
gegenüberliegenden Mantelseiie eine Stufenspiegelanordnung
(20) trägt und zwecks möglichster Vermeidung wiederholten Auf treffens des Lichtes
auf die Stufenspiegelanordnung der Lichtleitstab (18) gekrümmten Querschnitt hat und/oder ihm
eine Zylinderlinse (28) vorgeschaltet ist und daß im Sendestrahlengang zwischen Lichtquelle (11)
und Objektiv (12) ein lichtstreuendes Zylinderlinsenraster (21) mit in Abtastrichtung verlaufenden
Linsenachsen angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Zylinderlinsenraster
(21) etwas vor oder hinter dem Brennpunkt des Objektivs (12) befindet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand vom Brennpunkt
5 bis 20%, vorzugsweise 10%, der Brennwehe des Objektivs (12) beträgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zylinderlinsenraster (21)
in Richtung der optischen Achse verschiebbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Querschnitt des auf das Zylindcrlinsenraster (21) treffenden Lichtstrahls mindestens fünf ncbeneinanderliegende
negative Linsen des Zylinderlinsenrasters (21) erfaßt.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Lichtleitstabs (18) mindestens
fünf- bis zehnmal und vorzugsweise zwanzigmal so groß ist wie die Breite der Stufenspiegelanordnung
(20).
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Lichtstrahl durch eine Strahlaufweitungsoptik hindurchgeht, bevor er auf das Zylinderlinsenraster
(21) trifft.
K. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufwcitungsoptik zwei gekrcu/.te
/.ylindcrlinsen (22, 32) umfaßt.
'). Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Achse der ersten Zylinderlinse (22) senkrecht zur Spiegelradachse verläuft.
10. Vorrichtung nach Anspruch H oder '·>, dadurch
gekennzeichnet, daß die Brennweite der ersten und /weiten /ylindeilinse (22, 32) sich etwa
wie 10:1 \ et halten.
I I. Voi richtung nach einem der Ansprüche S
oder'',dadurch gekennzeichnet, daß die Brennlinie
der zweiten Zylinderlinse (32) mir. dem Brenn
punkt des Objektivs (12) zusammenfällt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zylinderlinse
(22) in Achsrichtung verstellbar oder z. B. mittels Revolver austauschbar ist.
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