DE2550815B2 - Optisches Abtastsystem - Google Patents

Description

gelanordnung auftriifft, wodurch es für die Auswertung verloren gehen würde. Trotz entfernter Anordnung von dem Abtastfeld wird somit eine hohe Lichtausbeute am Lichtempfänger erzielt.

Bevorzugt weisen die Brennweiten des ersten und zweiten Hohlspiegels ein Verhältnis von 2:1 bis 8:1, vorzugsweise 4 :1 auf. Dies läuft auf tine Verkleinerung der Breite des Abtastlichtfeldes hinaus, so daß trotz Beibehaltung einer hohen Lichtausbeute ein kürzerer zweiter Hohlspiegel und ein kürzerer Lichtleitstab verwendet werden können. Insbesondere bei dieser Ausführurigsform genügt es, wenn die Stufenspiegelanordnung nur einen Teil, vorzugsweise die Hälfte der Länge des Lichtleitsubes einnimmt. Auf jeden Fall sollte die Stufenspiegelanordnung symmetrisch zur Stabmitte angeordnet sein. Auf diese Weise wird nur derjenige Teil des Lichtleitstabes, auf den Strahlen von außen auffallen, mit der Stufenspiegelanordnung versehen, während der restliche Teil des Lichtleitstabes als reiner Lichtleiter wirksam ist. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Beschränkung der Länge der Stufenspiegelanordnung auf die tatsächlich erforderliche Länge eine wirtschaftlichere Herstellung erlaubt und in den glatten Endteilen des Lichtleitstabes Probleme mit dem Auftreffen /on Lichtstrahlen auf die Stufenspiegelanordnung na ^h einer Totalreflexion überhaupt nicht mehr auftreten können.

Bei der bevorzugsten Anwendung des Abtastsystems mit einem wandernden Abtastlichtfleck reflektiert der erste streifenförmige Hohlspiegel vorzugsweise gleichzeitig in einem Teilbereich den den Lichtfleck ergebenden, von der Lichtablenkeinrichtung kommenden Sendestrahl. Dieses Empfangselement ist somit einer doppelten Ausnutzung zugeführt.

Vorteilhaft ist die Ausbildung dabei so, daß das Sendelichtbündel zwischen der Lichtablenkeinrichtung und dem ersten streifenförmigen Hohlspiegel über einen ersten Planspiegel und das Empfangslichtbündel über einen zwischen den beiden streifenförmigen Hohlspiegeln angeordneten, gegen den ersten geneigten Planspiegel geleitet wird. Es wird so gewährleistet, daß nicht wie bei dem bekannten Abtastsystem das Empfangslicht auf die Lichtablenkeinrichtung fällt, sondern zu dem erfindungsgemäß vorgesehenen zweiten Hohlspiegel gelenkt wird. Durch die beiden Planspiegel findet somit eine wirksame Bündeltrennung statt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen dem zweiten Planspiegel und dem zweiten streifenförmigen Hohlspiegel im Bereich des Brennpunktes bzw. der Brennlinie ein dritter Planspiegel angeordnet ist, der an den den Zeilenenden entsprechenden Rändern mehr oder weniger abdeckbar ist. Hierdurch wird insbesondere bei stark lichtstreuendem Abtastfeld gewährleistet, daß der zweite streifenförmige Hohlspiegel in jeder Phase der Abtastung das gesamte vom Planspiegel reflektierende Licht erfaßt.

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

F i g. 1 eine schematische Ansicht einer bevorzugten erfindungsgemäßen Zeilentastvorrichtung mit Quasi-Autokollimations-Empfangsstrahlengang,

F i g. 2 einen schematischen Schnitt entlang der Mittelachse des Empfangslichtbündels nach F i g. 1 gemäß Linie H-II, wobei die durch Reflexionen an Planspiegeln entstandenen geknickten Strahlengänge zur Vereinfachung gestreckt dargestellt sind,

Fig.3 eine schematische Ansicht in Richtung der Linie III-III in Fi g. 1.

F i g. 4 eine Ansicht des Sendestrahlenganges bis zum Spiegelrad in Richtung des Pfeiles IV in F i g. 1 und

F i g. 5 eine Ansicht nach Linie V-V in F i g. 1.

Nach F i g. 1 und 4 wird der sehr schmale und kohärente Lichtstrahl eines Lasers 11 durch gekreuzte Zylinderlinsen 21, 22 deren Brennweiten etwa im Verhältnis 1:10 stehen, aufgefächert, so daß ein Objektiv 12 ausgeleuchtet wird. Die Achsen der Zylinderlinsen stehen zu dem Spiegelrad 13 so wie in F i g. 1 dargestellt. Das Objektiv 12 ist mit seinem Brennpunkt etwa am Ort der Brennlinle der Zylinderlinse 21 angeordnet, so daß es in der Ebene der F i g. 4 ein paralleles Lichtbündel erzeugt, das auf ein mit seiner Achse gemäß F i g. 1 schräggestelltes Spiegelrad 13 fällt. Es entsteht so ein Sendelichtbündel 17. Das Sendelichtbündel 17 wird vom Spiegelrad 15 zu einem Planspiegel 14a gelenkt, welcher in seiner senkrecht zur Zeichenebene stehenden Erstreckung streifenförmig ausgebildet ist. Der Planspiegel 14a reflektiert das Sendelichtbündel 17 zu einem Hohlspiegel 23, dessen Brennpunkt auf der Oberfläche des Spiegelrades 13 liegt und welcher das Sendelicht zusammen mit dem Objektiv 12 und einer Zylinderlinse 15 an einer unmittelbar vor einer Materialbahn M liegenden Stelle 26 vereinigt. Der Spiegel 23 kann ein Kugel- oder Zylinderspiegel mit einer senkrecht auf der Ebene der F i g. 2 stehenden Achse sein, zu der die Achse der Zylinderlinse 15 senkrecht steht.

Aufgrund dieser Ausbildung erzeugt der Laser 11 auf der Materialbahn einen Lichtstrich 16, welcher bei Drehung des Spiegelrades 13 gemäß F i g. 3 in Richtung des Doppelpfeiles das lineare Feld F auf der Materialbahn M quer zu seiner Längserstreckung abtastet. Die Materialbahn kann sich dabei in Richtung des Pfeiles P nach F i g. 1 bewegen, so daß eine zellenförmige Abtastung und damit eine kontinuierliche Fehlererkennung gewährleistet ist. Der Lichtstrich weist also in Richtung der Laufrichtung Pder Bahn.

Der Empfangsstrahlengang 25 beginnt am Lichtstrich 16. Das von diesem Fleck ausgehende, etwa ²/₃ des Strahlengangquerschnittes einnehmende Empfangs lichtbündel 25 wird über den Hohlspiegel 23 zu einem weiteren Planspiegel 146 gelenkt, der mit dem Spiegel 14a eine Knickspiegelanordnung 14 bildet, d. h. der Planspiegel 14a ist erfindungsgemäß gegenüber dem Planspiegel 14a um eine senkrecht auf der Zeichnungsebene in F i g. 1 stehende Achse gekippt, so daß das Empfangslichtbündel 25 nicht zum Spiegelrad 13, sondern über einen weiteren Planspiegel 14' zu einem weiteren Hohlspiegel 24 gelenkt wird.

Gemäß F i g. 1 und 2 fällt der Brennpunkt bzw. die Brennlie des Hohlspiegels 24 mit dem Brennpunkt bzw. der Brennlinie des Hohlspiegels 23 zusammen. Diese Stelle liegt beim Ausführungsbeispiel am Planspiegel 14'. Vom Hohlspiegel 24 wird somit das Empfangslichtbündel 25 als im wesentlichen paralleles Bündel reflektiert, das gegebenenfalls über eine weitere Zylinderlinse 28 auf die Mantelfläche eines Lichtleitstabes 18 auftrifft. Der Hohlspiegel 24 und gegebenenfalls die Zylinderlinse 28 können dabei so angeordnet sein, daß das auch vom Lichtleitstab 18 gebrochene Lichtbündel auf eine Stufenspiegelanordnung 20 konzentriert wird, die an der der Lichtauftreffseite gegenüberliegenden Mantelfläche angeordnet ist und sich in Längsrichtung des Lichtleitstabes 18 erstreckt. Die Stufenspiegelanordnung 20 reflektiert das auffal-

!ende Licht derart, daß es durch Totalreflexion im Lichtleitstab i8 zu den Stirnenden geleitet wird. An der einen Stirnseite ist eine Verspiegelung 27 vorgesehen, welche auf [reffendes Licht in den Stab zurückreflektiert. An der anderen Stirnseite befindet sich ein Fotovervielfacher 19, der ein der auftreffenden Lichtintensität entsprechendes elektrisches Signal abgibt, das beispielsweise zur Fehlerauswertung herangezogen werden kann.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist wie folgt:

Das von dem linearen Feld F ausgehende gestreute Licht wird zu einem großen Teil von der Zylinderlinse 15 und dem Hohlspiegel 23 erfaßt. Durch Auslenkung des Empfangsüchibündels 25 mittels des gekippten streifenförmigen Planspiegels 14i wird das einmal erfaßte Licht weiKgehend vollständig zum Hohlspiegel 24 geleitet, der das Licht dann ebenfalls weitgehend vollständig in den Lichtleitstab 18 gelangen läßt.

Um eine gewisse Homogenisierung des zum Fotoempfänger 19 gelangenden Lichtes zu erzielen, ist gemäß F i g. 2 nur der mittlere Teil des Lichtleitstabes 18 mit der Stufenspiegelanordnung 20 versehen, während die Enden zur Homogenisierung des Lichtes zur Verfügung stehen. Am Fotoempfänger liegt somit eine zur Bildung eines weit über dem Grundrauschen liegenden elektrischen Signals ausreichende Lichtintensität selbst dann vor, wenn es sich bei der Materialbahn um Papier oder Stoff handelt, welches im Gegensatz zu Metall nur einen relativ geringen Teil des auftreffenden Lichtes zurückstreut. Auch bei Metall arbeitet di< Vorrichtung einwandfrei, wobei der Lichtstrich K besonders vorteilhaft ist.

Vorzugsweise wird ein Spiegelrad mit 16—2( Spiegelflächen benutzt.

Fig.5 zeigt daß der Spiegel 14' beidseits durch irr Sinne der Doppelpfeile verschiebbare Blenden 3C begrenzt ist; hierdurch wird insbesondere bei stark lichtstreuenden Materialbahnen dafür gesorgt, daß dei streifenförmige Hohlspiegel 24 in jeder Phase der Abtastung das gesamte vom Spiegel 14' reflektierte Licht erfaßt.

Die optischen Elemente 14,14', 23, 24 sind sämtlich in Abtastrichtung mehr oder weniger länglich bzw streifenförmig.

Die Telezentrizität des optischen Systems aus den Spiegeln 23, 24 ist im allgemeinen nicht kritisch. Entscheidend ist, daß das Licht vom Hohlspiegel 24 auch bei Abweichungen von der exakten Parallelität noch unter solchen Winkeln auf die Stufenspiegelanordnung fällt, daß die reflektierten Strahlen im Stab 18 noch unter den Winkeln der Totalreflexion auf die Wand auftreffen. Eine gewisse Abweichung von der genauen Telezentrizität mit einer Strahlendivergenz von etwa 10—15° hat sogar den Vorteil, daß mehrere Vorrichtungen lückenlos in einer Reihe nebeneinander angeordnet werten können. Will man allerdings auch Löcher in ein'ir Papierbahn, die über eine spiegelnd reflektierende Oberfläche läuft, erkennen, kommt es auf einen exakt telezentrischen Strahlengang an.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Optisches Abtastsystem, beispielsweise zur Untersuchung einer Materialbahn, bei dem von einem wandernden Abtastlichtfleck oder einem Lichtband ausgehendes Licht auf einem Lichtempfänger konzentriert wird unter Verwendung eines streifenförmigen Hohlspiegels mit parallel zum Abtastfeld verlaufender Scheiteltangente, dadurch gekennzeichnet, daß der (erste) streifenförmige Hohlspiegel (23) von dem Abtastfeld (F) ausgehende parallele Lichtstrahlen nach Durchlaufen des Brennpunktes bzw. der Brennlinie auf einen zweiten streifenförmigen, im wesentlichen telezentrisch angeordneten Hohlspiegel (24) wirft, der seinerseits die Lichtstrahlen im wesentlichen zueinander parallel auf einen parallel zum Abtastfeld (F) verlaufenden Lichtleitstab (18) wirft, der an der dem Lichteinfall diametral gegenüberliegenden Mantellinie eine Stufenspiegelanordnung (20) zur Strahlumlenkung bis zum stirnseitigen Lichtempfänger (19) trägt.

2. Abtastsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweiten (71, /2) des ersten und zweiten Hohlspiegels (23, 24) ein Verhältnis von 2:1 bis 8:1, vorzugsweise 4:1, aufweisen.

3. Abtastsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufenspiegelanordnung (20) nur einen Teil, vorzugsweise die Hälfte der Länge des Lichtleitstabes (18) einnimmt.

4. Abtastsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufenspiegelanordnung (20) symmetrisch zur Stabmitte angeordnet ist.

5. Abtastsystem nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen Hohlspiegel (23, 24) als Zylinderspiegel ausgebildet sind, wobei nahe dem Abtastfeld (F) und dem Lichtleitstab (18) je eine Zylinderlinse (15, 24) angeordnet ist, oder daß die streifenförmigen Hohlspiegel (15, 24) entsprechend doppelt gekrümmt sind.

6. Abtastsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wanderndem Abtastlichtfleck, dadurch gekennzeichnet, daß der erste streifenförmige Hohlspiegel (23) gleichzeitig in einem Teilbereich den den Lichtfleck (16) ergebenden, von der Lichtablenkeinrichtung (13) kommenden Sendestrahl (17) reflektiert.

7. Abtastsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendelichtbündel (17) zwischen der Lichtablenkeinrichtung (13) und dem ersten streifenförmigen Hohlspiegel (23) über einen ersten Planspiegel (14a,) und das Empfangslichtbündel (25) über einen zwischen den beiden streifenförmigen Hohlspiegeln (23, 24) angeordneten, gegen den ersten geneigten Planspiegel (14Z^geleitet wird.

8. Abtastsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem zweiten Planspiegel (14Λ) und dem zweiten streifenförmigen Hohlspiegel (24) im Bereich des Brennpunktes bzw. der Brennlinie ein dritter Planspiegel (14') angeordnet ist, der an den den Zeilenenden entsprechenden Rändern mehr oder weniger abdeckbar ist.

Die Erfindung betrifft ein optisches Abtastsystem, beispielsweise zur Untersuchung einer Materialbahn, bei dem von einem wandernden Abtastlichtfleck oder einem Lichtband ausgehendes Licht auf eiiiem Lichtempfänger konzentriert wird unter Verwendung eines streifenförmigen Hohlspiegels mit parallel zum Abtastfeld verlaufender Scheiteltangente.

Es ist bereits eine photoelektrische Abtastvorrichtung für laufende Bahnen bekannt, bei der das von dem Hohlspiegel reflektierte Empfangslicht über ein Spiegelrad zu einem Lichtempfänger gelangt. Insbesondere bei stark lichtstreuendem Bahnmaterial geht bei dieser Anordnung ein großer Teil des von der Bahn zurückgestreuten Lichtes für den Empfang verloren, weil die Apertur des Spiegelrades sehr begrenzt ist. Bei mehr gerichtet reflektierendem Bahnmaterial besteht das Problem, daß schon bei geringen Fehlausrichtungen der Materialbahn relativ zu der Empfangsanordnung das Empfangslicht weitgehend am Spiegelrad vorbeigelenkt wird.

Weiter ist es bereits bekannt, das von der Materialbahn ausgehende Licht über eine Zylinderlinse unmittelbar auf einem nahe der Bahn angeordneten Lichtleitstab zu konzentrieren, welcher an einem oder beiden Enden einen Lichtempfänger aufweist. Bei dem bekannten Abtastsystem besteht jedoch einmal das Problem, daß der Lichtleitstab nahe dem Abtastfeld angeordnet sein muß, wo er häufig aus Platzgründen stört. Zum anderen geht ein erheblicher Anteil des durch Streuung in den Lichtleitstab gelangenden Empfangslichtes für die Auswertung verloren, weil es nicht unter Winkeln der Totalreflexion in den Lichtleitstab hineingelenkt wird.

Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, ein Abtastsystem der eingangs genannten Gattung zu schaffen, welches die Anordnung des Lichtempfängers in beträchtlichem Abstand von dem Abtastfeld gestattet, ohne daß die Lichtausbeute wesentlich gemindert wird und eine übermäßig genaue Justierung erforderlich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der (erste) streifenförmige Hohlspiegel von dem Abtastfeld ausgehende parallele Lichtstrahlen nach Durchlaufen des Brennpunktes bzw. der Brennlinie auf einen zweiten streifenförmigen, im wesentlichen telezentrisch angeordneten Hohlspiegel wirft, der seinerseits die Lichtstrahlen im wesentlichen zueinander parallel auf einen parallel zum Abtastfeld verlaufenden Lichtleitstab wirft, der an der dem Lichteinfall diametral gegenüberliegenden Mantellinie eine Stufenspiegelanordnung zur Strahlumlenkung bis zum stirnseitigen Lichtempfänger trägt. Auf diese Weise wird erreicht, daß in einem beliebigen Abstand von dem Abtastfeld ein paralleles Lichtbündel hoher Intensität auf den Mantelbereich des im allgemeinen rund ausgebildeten und/ oder mit einer davor angeordneten Zylinderlinse versehenen Lichtleitstab auftrifft, in dem es auf die Stufenspiegelanordnung konzentriert wird. Es wird somit nicht nur das von der nahe dem Abtastfeld angeordneten Zylinderlinse erfaßte Empfangslichtbündel weitgehend vollständig bis zur Mantelfläche des Lichtleitstabes geleitet, sonders es wird darüber hinaus durch die konvergente Zusammenführung des parallel auftreffenden Lichtbündels auch noch erreicht, daß das von der Stufenspiegelanordnung unter Winkeln der Totalreflexion in das Innere des Lichtleitstabes umgelenkte Empfangslicht nach einer ersten Totalreflexion möglichst weitgehend nicht erneut auf die Stufenspie-