DE2552331B2

DE2552331B2 - Abtastvorrichtung

Info

Publication number: DE2552331B2
Application number: DE19752552331
Authority: DE
Inventors: Erwin 8021 Icking Sick; Angelika 8000 Muenchen Staimer
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1975-11-21
Filing date: 1975-11-21
Publication date: 1979-05-10
Also published as: DE2552331A1; DE2552331C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung mit über Spiegelrad, Schwenkspiegel od. dgl. abgelenktem, zu einem Lichtfleck auf dem Abtastobjekt fokussierten Sendelichtstrahl und mit nach dem Autokoilimationsprinzip zurücklaufendem, geometrisch abgeteiltem Empfangslichtstra!'¹.

Bei einer bekannten Abtastvorrichtung dieser Art wird das Sendelicht über einen bogenförmigen Spiegel und eine Zylinderlinse auf dem Hbtas-'objekt fokussiert, während das Empfangslicht durch physikalische Strahlteilung einem Photoempfänger zugeführt wird. Es ist aber auch schon eine geometrische Abteilung des Empfangslichtstrahls bei einer derartigen Abtastvorrichtung bekannt.

Des weiteren ist es schon bekannt, die auf die Oberfläche eines Spiegelrades fokussierten Sende- bzw. Empfangslichtstrahlen dadurch zu entkoppeln, daß eine vor dem Spiegelrad angeordnete Linse in zwei Teillinsen unterteilt wird, denen ein Abstand quer zum Strahlengang gegeben wird. Hierdurch kommen die Fokussierungspunkte der beiden Sirahlen räumlich getrennt nebeneinander zu liegen, wodurch eine geometrische Trennung zwischen Sende- und Empfangslichtstrahl herbeigeführt wird. Das Spiegelrad muß jedoch eine solche Ausdehnung haben, daß Sende- und Empfangslichtstrahl räumlich getrennt nebeneinander Platz haben.

Bei einer Abtastvorrichtung mit durch Pupillenteilung geometrisch abgeteiltem Empfangslichtstrahl liegen die Sende- und Empfangslichtstrahlen auf dem Spiegelrad ebenfalls nebeneinander, so daß auch hier der Platzbedarf für das Spiegelrad relativ groß ist.

Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, eine Abtastvorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der die axiale Ausdehnung des Spiegelrades herabgesetzt werden kann und gleichwohl eine hohe Lichtausbeute und eine deutliche geometrische Strahlentrennung am Photoempfänger erzielt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß zwischen Abtastobjekt und Spiegelrad ein geknickter, Sende- und Empfangsstrahl unterschiedlich reflektierender Spiegel vorgesehen ist, der diese beiden bis dahin nebeneinander verlaufenden Strahlen zusammenführend auf dem Spiegelrad überlagert. Auf diese Weise werden gleiche Bereiche des Spiegelrades sowohl für das Sende- als auch für das Empfangslichtbündel ausgenutzt, so daß trotz kleinerer Ausbildung des Spiegelrades die Lichtausbeute am Empfänger hoch ist und in einem bestimmten Abstand vom Spiegelrad eine vollständige geometrische Trennung von Sende- und Empfangslichtstrahl vorliegt

Bevorzugt ist die Ausbildung so, daß zwischen dem geknickten Spiegel und dem Abtastobjekt bzw. einer

ίο gegebenenfalls vorgeschalteten Zylinderlinse ein bogenförmiger Spiegel für Sende- und Empfangsstrahl eingeschaltet ist In vorteilhafter Weise wird bei dieser Ausführungsform also der geknickte Spiegel zwischen dtm Spiegelrad und dem bogenförmigen Spiegel eingeschaltet

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der geknickte Spiegel gegenüber zwei getrennten Linsen ein sehr einfaches und wirtschaftliches Mittel zur Erzielung einer Strahlabknickung darstellt

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

F i g. 1 eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Abtastvorrichtung und
F i g. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht nach Linie H-II in Fig. 1, wobei die beiden an der Spiegelanordnung 14 abgeknickten Strahlengänge der einfachen Darstellung halber gestreckt wiedergegeben sind und die Spiegelanordnung 14 nur durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist

JO Nach der Zeichnung gelangt der von einem Laser :l 1 ausgesandte schmale und nur eine geringe Divergenz aufweisende Lichtstrahl über eine Zerstreuungs-Zylinderlinse 29 zu einem Spiegelrad 13. Die Zerstreuungslinse 29, die übrigens auch durch eine Sammel-Zylinder-

J5 linse ersetzt werden könnte, erteilt dem Laserstrahl eine relativ geringfügige Divergenz, wie sie aus F i g. 1 ersichtlich ist

Der Sendestrahl 17 fällt z. B. auf di.; eine Hälfte eines in der dargestellten Weise leicht gekippten Spiegelrades 13, wobei der Durchstoßpunkt der optischen Achse des Sendestrahles 17 bei 28 angedeutet ist.

Von dem leicht gekippten Spiegelrad 13 wird der Sendestrahl zu einem Planspiegel 14a reflektiert, welcher als Streifen ausgebildet ist, dessen Längsachse sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckt. Gemäß F i g. 2 muß die Länge des Spiegels 14a so groß sein, daß er alle innerhalb dss Abtastbereiches vom Spiegelrad 13 reflektierten Lichtstrahlen voll erfassen kann.

Von dem wiederum etwas gekippten Planspiegel 14/?

w wird der Sendestrahl 17 zu einem ersten bogenförmigen Spiegel 23a reflektiert, dessen Brennpunkt bzw. Brennlinie sich im wesentlichen auf der reflektierenden Oberfläche des Spiegelrades 13 befindet. Bevorzugt liegt die reflektierende Oberfläche des Spiegelrades 13

^r>5 jedoch etwas innerhalb der Brennweite des Spiegels 23a, derart, daß die vom Spiegel 23a reflektierten Strahlen eine geringe Divergenz aufweisen, wie das in F i g. 2 in der linken Hälfte angedeutet ist.

Unmittelbar vor der durch die Abtastvorrichtung auf

w Fehlstellen zu überwachenden Bahn M, welche sich in Richtung des Pfeiles P kontinuierlich bewegt, befindet sich nur in einer Richtung sammelnd ein optisches Element 15, dessen Achse parallel zu der mit A bezeichneten Abtastrichtung verläuft und welches ein paralleles Strahlenbündel auf der Materialbahn konzentriert.

Der Sendestrahl 17 fällt nur auf einen Teilbereich 15' des Elementes 15, innerhalb dessen die in Fig. 1

gestrichelt angedeutete zunächst vorhandene Krümmung einer Zylinderlinse abgeschliffen ist, derart, daß eine in ausgezogenen Linien dargestellte plane Oberfläche in diesem Bereich entsteht Der Sendestrahl 17 fällt also auf einen optischen Keil 15', dessen Keilwinkel mit α bezeichnet ist Der Keilwinkel entspricht der mittleren Steigung des weggeschliffenen gekrümmten Teils der zunächst vorhandenen Zylinderlinse.

Aufgrund des Keiles 15' wird der Sendestrahl 17 lediglich in der dargestellten Weise zum Abtastfeld F hin abgeknickt, ohne da3 eine Zusammenziehung des Strahles 17 erfolgt Es wird also ein länglicher Lichtfleck 16 im Abtastfeld F erzielt, was zur Erkennung von in Längsrichtung des Fleckes 16 verlaufenden Kratzern auf der Oberfläche zweckmäßig ist.

Aufgrund des Keilwinkels α erscheint jedoch der Lichtfleck 16 im Bereich der Brennlinie des sich an den Keil 15' stetig anschließenden Zylinderlinsenbereiches des Elementes 15, so daß das vom Lichtfleck 16 in den Zylindcriinscnbereich zurückgestreute Licht zu einem in der Ansicht nach F i g. 1 im wesentlichen fv-ralleien Empfangsstrahl vereinigt wird. Der Empfangsstrahl fällt auf einen weiteren bogenförmigen Spiegel 23b, welcher gegenüber dem Sendespiegel 23a um ein Stück d in Richtung der Zylinderlinse 15 versetzt ist. Der Empfangsspiegel 23b ist außerdem in der dargestellten Weise breiter als der Sendespiegel 23a ausgebildet, um so viel Licht wie möglich zu erfassen. Im übrigen sind die beiden Spiegel 23a, 236, was ihre Erstreckung senkrecht zur Zeichenebene in F i g. 1 und ihre Brennweite anbetrifft, gleich ausgebildet Bei der Versetzung d ist darauf zu achten, daß in der dargestellten Weise parallel auf die beiden Spiegel 23a, 236 auffallende Lichtbündel auch wieder parallel zueinander reflektiert werden.

Nach der Reflexion des Empfangsstrahles 25 am Spiegel 236 fällt dieses auf einen weiteren Planspiegel i4b, welcher wesentlich breiter als der Planspiegel 14a ausgebildet und gegenüber dem Planspiegel 14a um eine senkrecht auf der Zeichenebene der F i g. 1 stehende Achse 30 um ein bestimmtes Stück relativ zu diesem gekippt ist. Es wird somit ein aus den beiden Planspiegeln 14a, 146 bestehender geknickter Spiegel 14 geschaffen. Der Knickwinkel ist dabei so groß, daß der am Planspiegel 146 reflektierte Empfangsstrahl 25 möglichst vollständig auf die jeweils reflektierende Fläche des Spiegelrades 13 gerichtet wird. Der Empfangsstrahl 25 erfährt somit eine Versetzung in Richtung auf die Durchstoßstelle 28 der optischen Achse des Sendestahles 17 und überlagert diesen somit. Aufgrund des Knickwinkels zwischen den Planspiegeln w 14a, \4b wird der Empfangsstrahl 25 in der aus F i g. 1 ersichtlichen Weise am Spiegelrad 13 unter einem vom Einfallswinkel des Sendestrahles 17 verschiedenen Winkel reflektiert, so daß nach einer gewissen Strecke eine vollständige Trennung zwischen Sendestrahl 17 ·>-> und Empfangsstrahl 25 festzustellen ist. Nach der Trennungsstelle wird im Empfangsstrahl 25 eine Sammellinse 31 angeordnet, in deren Brennpunkt sich ein z. B. als Photovervielfacher ausgebildeter photoelektrischer Empfänger 19 befindet, an dessen Ausgang w> ein elektrisches Signal erscheint, welches für den Zustand des gerade abgetasteten Punktes im Abtastfeld F repräsentativ ist.

Der in Fig. 1 wiedergegebene Sendestrahlengang hat den Vorteil, daß die schmale Ausbildung des Laserstrahles unmittelbar <!ur Erzeugung des Lichtflekkes 16 ausgenutzt wird. Die von der Zylinderlinse 29 hervorgerufene Divergenz ist dabei derart gewählt, daß der Lichtfleck 16 in Bewegungsrichtung feine längliche Form hat Insbesondere ist der Lichtfleck 16 ein sich in Bewegungsrichtung /"erstreckender Strich, was z. B. zur Feststellung von Längskratzern in Blechoberflächen vorteilhaft ist

Anstelle der Zylinderlinse 29 können auch gekreuzte Zylinderlinsen 2t, 22 und ein Objektiv 12 vorgesehen werden. Diese Elemente sind in F i g. 1 gestrichelt und rein schematisch angedeutet

Die Zylinderlinse 29 ist so zu dimensionieren, daß der Sendestrahl 17 unter Berücksichtigung der Konvergenzeigenschaften des Spiegels 23a eine zur Bildung des länglichen Lichtflecks 16 ausreichende Divergenz erhält

Aus F i g. 2 ist die Wirkung der Versetzung d der beiden bogenförmigen Spiegel 23a, 236 zu ersehen. Diese Versetzung ist wichtig, um auch von den Randstrahlen 17' noch ein ausreichendes Rücksignal zu erhalten. In Fig.2 ist im Bereich de^r einen Gehäusewand 18 ein unmittelbar an der tVand gelegener Randstrahl 17' dargestellt welcher durch Reflexion des Sendestrahles 17 am Sendespiegel 23a in der dargestellten Weise erzeugt wird. Der Randstrahl 17' geiangt durch das sammelnde Element 15 hindurch auf die Oberfläche der Materialbahn M, wo ein Lichtfleck 16' erzeugt wird.

Es sei nun angenommen, daß die Oberfläche der Materialbahn M Reflexionseigenschaften hat, wie sie durch die Keule 24 schematisch angedeutet sind. Die Reflexionsintensität ergibt sich durch vom Lichtfleck 16' aus zu der Keule 24 in den einzelnen Richtungen gezogene Geraden. Die Länge der Geraden vom Fußpunkt bei 16' bis zum Rand der Keule ist ein Maß für die Reflexionsintensität Ersichtlich gehen beispielsweise vom Fleck 16' in der Richtung 25" zurückgeworfene Lichtstrahlen für die Auswertung verloren, da sie auf die Gehäusewand 18 treffen oder sogar außerhalb der Gehäusewand 18 vorbeilaufen. Hingegen gelangt beispielsweise ein weiter nach innen zurückgeworfener Emp^rangslichtstrahl 25' zurück zum Sendespiegel 23a. Aufgrund der gegenüber dem Randstrahl 17' anderen Neigung relativ zur Oberfläche der Bahn M würde dieser zurückgeworfene Strahl jedoch nicht mehr auf diejenige Fläche 13a des Spiegelrades 13 auftreffen, von der das Sendestrahlenbündel 17 reflektiert wurde. Vielmehr würde der bei 23a reflektierte Empfangslichtstrahl 25' in der gestrichelt dargestellten Weise sogar vollständig am Spiegelrad 13 vorbeigehen.

Versetzt man nun jedoch den Empfangsspiegel 23b um das Stück d in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen Eingangs- und Ausgangsstrahl, so wird der von der Oberfläche M zurückgestreute Empfangslichtstrahl 25' in der in ausgezogenen Linien angedeuteten Weise zur Fläche 133 des Spiegelrades 13 gelangen. Es steht somit Licht zur Verfügung, welches in der aus F i g. 1 ersichtlichen Weise zum photoelektrischen Empfänger 19 gelangt.

Die Versetzung <' von Sende- und Empfangsspiegel 23a, 23b ist auch wichtig, wenn man mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen nahtlos aneinandersetzen und eine Abtastlücke zwischen zwei aneinandergesetzten Vorrichtungen vermeiden will. Zu diesem Zweck wird nach der Darstellung in der linken Hälfte der F i g. 2 das Spiegelrad 13 etwas innerhalb der Brennweite des Sendespiegels 23a angeordnet, derart, daß insbesondere in den Randbereichen die Randstrahlen 17" eine gewisse Divergenz aufweisen, die zumindest so groß ist, daß der Abtastbereich geringfü-

gig breiter als das Gehäuse ist. Im Falle einer vollständig spiegelnden Oberfläche der Materialbahn M würde das Licht beispielsweise entlang der gestrichelten Linie 25'" außerhalb der Gehäusewand 20 reflektiert werden. Im Falle einer Oberfläche M mit einer Streukeule, wie sie rechts bei 24 dargestellt ist, würde jedoch auch Licht beispielsweise in Richtung der Linie 25"" in das Innere des Gehäuses 18,20 zurückgeworfen werden, wo es auf den Empfangsspiegcl 23b trifft und von dort auf die Fläche 136 des Spiegelrades 13 gelenkt wird, auf die auch das Sendestrahlenbündel 17 aufgetroffen ist. Man erkennt also, daß selbst bei Verwendung eines divergierenden Abtaststrahlenganges stets noch genügend Licht zu der vom Sendelichtstrahl 17 beaufschlagten Spiegclradfläche I3£> zurückgelangt. Voraussetzung ist allerdings, daß die Oberfläche der Materialbahn M nicht absolut spiegelnd ist, sondern einen gewissen Streubereich aufweist, wie er beispielsweise durch die geringer Ausschnitt einer derartigen Walze 26 schema tisch angedeutet. Befindet sich nun in der Papierbahi ein Loch 27, so wird durch dieses Loch auf di< Oberfläche der Walze 26 gelangendes Licht zumindes zu einem wesentlichen Teil auch dann noch zun Photoempfänger 19 zurückgelenkt, wenn sich das Locl 27, wie das in F i g. 2 angedeutet ist, ganz am Rande de Vorrichtung im Bereich einer der Wände 18,20 befindet Ein Loch 27 in der Papierbahn M führt somit zu einen

ίο Heil-Signal an der Photozelle 19. Eine dunkle Stelle au der Papierbahn M würde demgegenüber zu einen Dunkel-Signal führen. Die beschriebene Anord nung ermöglicht es also. Löcher und Dunkelstcllen au Papierbahnen auf einfache Weise zu unterscheiden

Ii Dabei ist es sogar noch möglich, zur Erfassung größere Papierbahnbreiten mehrere Abtastvorrichtungen un mittelbar aneinanderzureihen, indem die Wand 18 eine ersten Vorrichtung unmittelbar in Anlage an die Wane

jedoch bei Papierbahnen in jedem Fall und auch bei üblichen Metalloberflächen in Walzwerken allgemein vorhanden.

Besonders eignet sich die Abtastvorrichtung für die F.rmittlung von Löchern in Papierbahnen. In diesem Falle kommt es darauf an. daß man die Papierbahn M über eine beispielsweise aus Metall bestehende Walze 26 führt, deren Oberfläche sehr gut, jedoch nicht absolut spiegelnd reflektiert. Vorzugsweise sollte die Streucharakteristik einer derartigen Oberfläche etwa so wie die Streukeule 24 ausgebildet sein. In F i g. 2 ist nur ein τη „;„„.. ;,i„

2" usw. zur Anlage gebracht wird.

Die Größe der Verschiebung c/ist im wesentlichen st groß, daß die in sich zurückrefiektierten Randstrahlet 17', 17" als Empfangsstrahlen 25a gerade auf einen Endbereich (in Umfangsrichtung gesehen) der zugeord

-Ί neten Spiegelradfläche 13a. 136 auftreffen, wenn de Sendestrahl 17 auf dem anderen Endbereich de gleichen Fläche 13a bzw. 136 auftrifft, wie dies in F i g. Ά wiedergegeben ist. Dies ergibt eine optimale Ausleuch tung des Spiegelrades und damit eine optimale

i" Lichtausbeute.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Abtastvorrichtung mit über Spiegelrad, Schwenkspiegel od. dgl. abgelenktem, zu einem Lichtfleck auf dem Abtastobjekt fokussiert en Sendelichtstrahl und mit nach dem Autokollimationsprin- zifι zurücklaufendem, geometrisch abgeteiltem Empfangslichtstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Abtastobjekt (M) und Spiegelrad (13) ein geknickter. Sende- und Empfangsstrahl unterschiedlich reflektierender Spiegel (14) vorgesehen ist, der diese beiden bis dahin nebeneinander verlaufenden Strahlen zusammenführend auf dem Spiegelrad (13) überlagert

Z Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem geknickten Spiegel (14) und dem Abtastobjekt (M) bzw. einer gegebenenfalls vorgeschalteten Zylinderlinse (15) ein bogenförmiger Spiegel (23a, 13b) für Sende- und Ernpfängsstrahi eingeschaltet ist.