DE2550814C3

DE2550814C3 - Zeilentastvorrichtung für Materialbahnen zur Fehlstellenermittlung

Info

Publication number: DE2550814C3
Application number: DE2550814A
Authority: DE
Inventors: Erwin 8021 Icking Sick
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1975-11-12
Filing date: 1975-11-12
Publication date: 1979-08-09
Also published as: SE7612568L; CH608298A5; GB1543329A; SE408823B; FI59488C; DE2550814A1; FR2331788B1; JPS6212462B2; FI763193A; FR2331788A1; CA1078488A; DE2550814B2; US4116566A; JPS5260681A; FI59488B

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 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.

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 auftrifft, aus der er dann in den Fotoempfänger oder auf einen ihn in den Stab zurückreflektierenden Planspiegel gelangt.

Bei der vorgeschlagenen Anordnung kann es jedoch vorkommen, daß das einmal von der Stufenspiegelanordnung reflektierte Licht nach der Totalreflexion an der gegenüberliegenden Stabseite erneut auf die Stufenspiegelanordnung trifft, was Lichtverluste mit sich bringt und auch aus Gründen der Homogenität unerwünscht ist.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Zeilentastvorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der am Fotoempfänger eine hohe Lichtausbeute erzielt wird, gleichwohl aber zusätzliche Nachteile durch Lichtverluste oder Inhomogenität vermieden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der Lichtleitstab auf seiner dem Lichteintritt gegenüberliegenden Mantelseite eine Stufenspiegelanordnung 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 Sendestrahlengang zwischen Lichtquelle und Objektiv ein lichtstreuer<des 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 verzugsweise 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 Lichtleitstabes totalreflektiertes Licht überwiegend nicht erneut auf die Stufenspiegelanordnung auftrifft. Demnach kommt es zu keinen durch mehrmaliges Auftreffen 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 Ausführungsform eignet sich also besonders zur Ermittlung von Längskratzern auf Blechoberflächen.

Vorzugsweise ist das Zylinderlinsenraster in Richtung der optischen Achse verschiebbar, so daß die optimale Länge des Lichtstriches auf der Materialbahn einstellbar ist.

Eine gute Homogenität verbunden mit einer großen Lichtausbeute wird erzielt, wenn der Querschnitt des auf das Zylinderlinsenraster treffenden Lichtstrahles mindestens fünf nebeneinanderliegende negative Linsen des Zylinderlinsenrasters erfaßt.

Der Durchmesser des Lichtleitstabes soll mindestens fünf- bis zehnmal und vorzugsweise zwanzigmal so groß sein wie die Breite der Stufenspiegt'anordnung.

Eine vorteilhafte Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, daß der Lichtstrahl durch eine Strahlaufweitungsoptik hindurchgeht, bevor er auf das Zylinderlinsenraster trifft.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 a, 1 bund 1 ceine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zeilentastvorrichtung, wobei die drei Figuren an den Stellen A und B aneinandergesetzt zu denken sind.

ίο

Fig. Id eine Ansicht in Richtung des Pfeiles D in Fig. la 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 Hegen kann.

Nach Fig. Ib befindet sich hinter dem Objektiv 12 ein die Lichtablenkvorrichtung bildendes Spiegelrad 13, welches in Fig. 1 a, 1 b ebenfalls angedeutet ist, um die Lage seiner Achse in bezug auf die Achsen der Zylinderlinsen 22, 32 zu definieren. Die Achse 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.

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 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 Lichtfleck würde nur vorliegen, wenn das Zylinderlinsenraster 21 genau im Abstand der Brennweite / vom Objektiv 12 (gestrichelte Darstellung in Fig. Id) angeordnet wäre, was durchaus möglich ist. Durch eine definierte Verschiebung vom Brennpunkt gemäß Fig. 1 d entsteht ein Lichtstrich in Richtung des Pfeiles P auf der Materialbahn (Fig. 1 c). Der Lichtfleck

16 bzw. der Lichtstrich bewegt sich bei Drehung des Spiegelrades 13 in Fig. Ic senkrecht zur Zeichenebene auf der Materialbahn M hin und her. Die Materialbahn M bewegt sich ihrerseits in Richtung des Pfeiles P, d. h. senkrecht zur Abtastrichtung, welche in Fig. 2c durch einen Doppelpfeil s angedeutet ist.

Vorzugsweise unter dem Reflexionswinkel zum Eintrittslichtstrahl ist eine Licht-Empfangsanordnung

17 in der Nähe der Materialbahn M vorgesehen, welche aus einer sich parallel zur Zylinderlinse 15 erstrekkenden weiteren Zylinderlinse 28 und einem Lichtleitstab 18 besteht, dessen Achse ebenfalls parallel zu den Achsen der Zylinderlinsen IS, 23 verlauft. Die Brennweite der Zylinderlinse 28 ist unter Berücksichtigung der Brechkrafl des Lichtleitsiabes 18 so gewählt, daß das Lichtbündel gemäß Fig. Ib auf einer der Lichteintrittsseite diametral eeeeuiiberliesenden

Mantelseite angeordneten Stufenspiegelanordnung

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 uer 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. 1 c 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 Richtungder Spiegelradachse nicht gleichmäßig ausleuchten. Das Strahlenbündel würde beispielsweise so verlau/en, 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 auf grund dieser Ausbildung das Licht auf die Stufenspiegelanordnung 20 unter sehr verschiedenen Winkelr relativ zur Tangente an den Stab 18 am Orte der Stufenspiegelanordnung 20, so daß reflektiertes und to talreflektieites Licht weitgehend nicht mehr auf die Stufenspiegelanordnung 20 zurückgelangt und se durch mehrfache Totalreflexion zum Stabende gelangt, wo die Messung (oder Reflexion) erfolgt.

Die Wirkung des weiteren Zylinderlinsenrasters 22 ergibt sich besonders anschaulich aus Fig. 2. Wahrem ohne dieses zusätzliche Zylinderlinsenrasters 23 irr wesentlichen der vom Lichtfleck 16 nach oben ausgehende gestrichelt dargestellte Lichtstrahl mit dei Breite α vorliegen würde, fächert das Zylinderlinsenraster 23 das Lichtbündel derart auf, daß es z. B. mi der Breite b auf die Stufenspiegelanordnung 20 auffällt. Die Breite b ist so gewählt, daß auf jeden FaI zwei oder vorzugsweise noch mehr Planspiegel 2i gleichzeitig von dem Bündel beaufschlagt werden. Au! diese Weise wird der Einfluß der Grundfrequenz de! Spiegelrasters bei der Abtastung weitgehend ausge schaltet.

Die durch die unregelmäßigen Reflexionen inner halb des Lichtleitstabes 18 bedingten Unregelmäßig keiten an den Stirnseiten des Lichtleitstabes 18 werden durch die Anordnung der Ulbrichtschen Kuge 26 ausgeschaltet, welche das aus der Stirnseite de: Lichtleitstabes 18 austretende Licht an jedem Auf treffpunkt in alle Richtungen streut, so daß bis zurr Erreichen des Fotoempfängers 19 eine weitgehend« Homogenisierung erzielt ist.

Die Erfindung führt demnach nicht nur zu einei sehr erheblichen Lichtausbeute, sondern vermeide auch gleichzeitig die nachteiligen Einflüsse von Inho mogenitäten. Als besonders vorteilhaft ist herauszu stellen, daß durch eine geringe Verschiebung des Zy linderlinsenrasters 21 in Richtung des Objektivs 11 aus dem Brennpunkt heraus auf der Materialbahn Λί ein Lichtstrich in Bewegungsrichtung P erhalten wird welcher sich zu einer empfindlichen Wiedergabe vor Längskratzern im am Ausgang des Fotoempt anger 19 erhaltenen elektrischen Signal eignet.

Eine vereinfachte Ausführungsform kann bei nocl ausreichender Empfindlichkeit auch ohne das Linsen raster arbeiten, wobei dann jedoch die gekreuzten Zy linderlinsen 22, 32 von besonderer Bedeutung sind

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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 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 Mantelseite 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 Brennweite 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 Zylinderlinsenraster (21) treffenden Lichtstrahls mindestens fünf nebeneinanderliegende 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.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufweitungsoptik zwei gekreuzte Zylinderlinsen (22, 32) umfaßt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die /\chse der ersten Zylinderlinse (22) senkrecht zur Spiegelradachse verläuft.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite der ersten und zweiten Zylinderlinse (22, 32) sich etwa wie K): 1 verhalten.

1 I. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 (ider 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennlinie der zweiten Zylinderlinse (32) mit 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.