DE2559882C3

DE2559882C3 - Optical device with light beam moved back and forth like a curtain

Info

Publication number: DE2559882C3
Application number: DE19752559882
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: 1981-06-04
Also published as: DE2559882B1

Description

Die t.rfindung betrifft eine optische Vorrichtung mit vorhangartig hin- und herbewegtem Lichtstrahl, der vom Ahfastobjekt durchgelassen oder reflektiert wird und in einen in Abtastrichtung verlaufenden Lichtleitstab gelangt, der auf der der Einfallsmantellinie gegenüberliegenden Seite zick-zack-förmig aneinander gereihte unter mindestens dem Totalreflexionswinkel ablenkende Spiegelflächen aufweht, nach Patent 25 08 ibb.The invention relates to an optical device Light beam moved back and forth like a curtain, which is transmitted or reflected by the fast object and into a light guide rod extending in the scanning direction reaches each other in a zigzag shape on the side opposite the incidence surface line Lined up under at least the total reflection angle deflecting mirror surfaces blowing up, according to patent 25 08 ibb.

Durch die Ansprüche 23 bis 25 des P tentes 25 08 3bb wird erstmals ein neuartiger Lichtleitstab unter Schutz gestellt, welcher eine besonders hohe Lichtausbeute gewährleistet. Das im wesentlichen senkrecht zur Stab.ii.hse einfallende Vorhanglicht wird durch eine auf der der Lichteinfallsseite diametral gegenüberliegenden Mantelfläche vorgesehene, im Vergleich zum Stabquerschnitt schmale Spiegelanordnung von auf einer achsparallelen Geraden liegenden, gleichen Einzelspiegeln unter einem solchen Winkel zur Stabachse reflektiert, daß die reflektierten Lichtstrahlen unter einem unterhalb des Totalreflexionsgrenzwinkels lie genden Winkel zur Stabachse reflektiert werden. Auf diese Weise wird praktisch das gesamte in den Lichtleitstab eintretende Empfangslicht zu dem an der Stirnseite des Lichtleitstabes vorgesehenen Photoempfänger geleitet.Through the claims 23 to 25 of P tentes 25 08 3bb, a novel light guide rod is under protection for the first time provided, which ensures a particularly high light output. That is essentially perpendicular to the Stab.ii.hse incident curtain light is triggered by an on the circumferential surface provided diametrically opposite the incident side, compared to the rod cross-section Narrow mirror arrangement of the same individual mirrors lying on a straight line parallel to the axis reflected at such an angle to the rod axis that the reflected light rays below a below the total reflection limit angle lying lowing angle to the rod axis are reflected. on in this way, practically all of the received light entering the light guide rod becomes that at the Front side of the light guide rod provided photoreceiver passed.

Insbesondere bei schürf gebündelten Empfangslichtstrahlen kann es jedoch vorkommen, daß das von den einzelnen Spiegelflächen reflektierte Licht mit einer der Größe der einzelnen Spiegel entsprechenden Grundfrequenz moduliert ist.Particularly when the received light beams are focused However, it can happen that the light reflected from the individual mirror surfaces with one of the Size of the individual mirror corresponding basic frequency is modulated.

Demgemäß will die Erfindung die optische Vorrich lung nach dem älteren Patent bezüglich des Empfangs lichtleitstabes so verbessern, daß die durch die Spiegclflächenanordnung bedingte Modulation weitgehend beseitigt wird.Accordingly, the invention wants the optical Vorrich treatment according to the prior patent with respect to reception Improve the light guide rod so that the modulation caused by the mirror surface arrangement is largely is eliminated.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß zwischen Abtastobjekt und Lichtleitstab ein zu demselben paralleles Zylinderlinsenraster angeordnet ist, das das verhältnismäßig schlanke Lichtbündel in Richtung der Längsachse des Lichtleitstabes über wenigstens zwei Spiegelflächen sich erstreckenc! aufweitet. Diese Maßnahme hat zusätzlich den Vorteil, daßTo solve this problem, the invention provides that between the object to be scanned and the light guide rod to a the same parallel cylinder lens grid is arranged that the relatively slim light beam in The direction of the longitudinal axis of the light guide rod extends over at least two mirror surfaces! expands. This measure has the additional advantage that

aufgrund der Verteilung des Empfangslichtes auf einen größeren Längenbereich Inhomogenitäten des Lichtleitstabes und seiner Oberfläche einen wesentlichen herabgesetzten Einfluß auf das Empfangssignal haben.Inhomogeneities of the light guide rod due to the distribution of the received light over a larger length range and its surface have a substantially reduced influence on the received signal.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn zu dem Zylinderlinsenraster eine dazu parallele Zylinderlinse mit zum Lichtleitstab paralleler Achse gehört. Hierdurch wird in der zu der Wirkrichtung des Zylinderlinstnrasters senkrechten Richtung eine besonders wirkungsvolle Konzentration des Empfangslichtes auf den hintereinander angeordneten Spiegelflächen erreicht, was nicht nur die Lichtausbeute begünstigt, sondern darüber hinaus aufgrund der sehr unterschiedlichen Einfallswinkel des Lichtes innerhalb jeder Radialebene dazu führt. dai¹ einmal an der StaDwand total reflektiertes Licht beim erneuten Auftreffen auf die Stabwand außerhalb des Bereiches der Stafenspiegelanordnung fällt.It is particularly advantageous if the cylinder lens grid has a parallel cylinder lens with an axis parallel to the light guide rod. In this way, a particularly effective concentration of the received light on the mirror surfaces arranged one behind the other is achieved in the direction perpendicular to the effective direction of the cylinder lens grid, which not only benefits the light yield, but also leads to it due to the very different angles of incidence of the light within each radial plane. that ¹ light, which is once totally reflected on the stad wall, falls outside the area of the pole mirror arrangement when it hits the stave wall again.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben: in dieser /eigenThe invention is exemplified below described on the basis of the drawing: in this / own

I if. la Ib u lc eine iehemiMische Ansicht einer bevorzugten AiisfiihninpsfMrm Hc er'in<!iingsgern;(Ri»n Zeileniastvorrivhiung. wobei die drei Figuren an den Stellen A und ßaneinandeigeset/; /u denken sind.I if. ! iingsgern la Ib and Ic a iehemiMische view of a preferred AiisfiihninpsfMrm Hc er'in <(R i 'n Zeileniastvorrivhiung the three figures at the points A and ßaneinandeigeset /;. / u are thinking.

Fig. Id eine Ansicht in Richtung des Pfeiles D in F ι g. la. undFig. Id a view in the direction of arrow D in F ι g. la. and

F ι g. 2 eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht nach Linie 11-11 η F ig Ic.Fig. 2 is a schematic, partially sectioned View along line 11-11 η Fig Ic.

Nach F ig. la und Id tritt der Lichtstrahl eines LasersAccording to Fig. la and id enters the beam of light from a laser

11 durch eine Zylinderlinse 22 mit einer Brennweite von z.B. 50mm und eine da/u gekreuzt angeordnete weitere Zylinderlinse 32 mit einer Brennweite von /. B. 5 mm in das crfindungsgemaü vorgesehene ZvI .lderlinsenraster 21 ein. welche¹- in . -iom etwas geringeren Abstand vom Objektiv 12 aK dessen Brennweite f angeordnet i,t. Das Rasier kann im Sinne des Doppelpfeiles P verschiebbar sein, so daß es auch im Brennpunkt :>der in definiertem Abstand von diesem hegen kann11 by a cylinder lens 22 with a focal length of 50 mm, for example, and a further cylinder lens 32 arranged in a crossed manner with a focal length of /. B. 5 mm into the ZvI .lderlinsenraü 21 provided according to the invention. which ¹ - in. -iom a slightly smaller distance from the lens 12 aK whose focal length f is arranged i, t. The razor can be displaceable in the sense of the double arrow P so that it can also be in the focal point:> which can be at a defined distance from it

Nach Fig. Ib befindet sich hinter der· Objektiv 12 ein die Lichtablenkvnrrichtung bildendes Spiegelrad 13. welches in Fig. la. b ebenfalls angeduitet ist. um die erfindungswesentliche Lage seiner Achse in bezug auf die Achsen der Zylinderlinsen 22, 32 /u definieren. Die Achse des Spiegelrades 13 ist etwas gekippt, damit das reflektierte Licht a>■' einen länglichen Planspiegel 14 fallen kann, welcher neben der Lichtsende-Anordnung aufgestelh ist und sich senkrecht zur Zeichenebene über die gesamte Breite der Vorrichtung (entsprechend de> Breite der Materialba4tn bzw. dem Abiastbereich des Spiegelrades) erstreckt. Aus Gründen einer gedrängten zeichnerischen Darstellung ist die Kippung des Spiegelrades 13 in Fi g ID s'ark übertrieben dargestelltAccording to FIG. 1b, there is a lens 12 behind mirror wheel 13 forming the direction of light deflection. which in Fig. la. b is also indicated. to the Define the position of its axis, which is essential to the invention, in relation to the axes of the cylinder lenses 22, 32 / u. the The axis of the mirror wheel 13 is tilted a little so that the reflected light a> ■ 'an elongated plane mirror 14 can fall, which is placed next to the light-emitting arrangement and perpendicular to the plane of the drawing the entire width of the device (corresponding to the width of the material bar or the abiast area of the Mirror wheel) extends. For the sake of a crowded graphic representation is the tilting of the mirror wheel 13 shown in an exaggerated manner in FIG

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 ObjektivThat of the strip-shaped plane mirror 14 reflected light arrives at a further strip-shaped plane mirror 14 'at the other end of the device and from there by reflection obliquely downwards (a reflection obliquely upwards would be just as good possible) to a spherical or cylindrical mirror 14 "with an axis lying in the plane of the drawing, its focal point or focal line is located on the illuminated surface of the mirror wheel 13. The objective

12 und der Zylinderspiegel 14" konzentrieren das Licht zusammen mit einer unmittelbar vor der Materialbahn M(Fig. Ic)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 genau12 and the cylindrical mirror 14 'to focus the light, together with a immediately before the web of material M (ig F. Ic) arranged cylindrical lens 15, whose axis is perpendicular to the drawing plane is and whose focal line is located on the surface of the material web M, to a point 16 An exact light spot would only be present if the cylindrical lens grid 21 is accurate

im Abstand der Brennweite / vom Objeitiv 12 (gestrichelte Darstellung in Fig. Id) angeordnet wäre, was durchaus möglich ist. Durch eine definierte Verschiebung vom Brennpunkt gemäß Fig. Id entsteht ein Lichtstrich in Richtung des Pfeiles P auf der ί Materialbahn. was durch den strichpunktiert dargestellten Strahlengang angedeutet ist. Der Lichtfleck 16 b/vv. 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 in bewegt sich ihrerseits in Richtung des Pfeiles P, d. h. senkrecht zur Abtastnchtuig, weiche in F i g. 2 durch einen Doppelpfeil s angedeutet ist.at the distance of the focal length / from the lens 12 (dashed illustration in Fig. Id) would be arranged, which is entirely possible. A defined shift from the focal point according to FIG. Id creates a line of light in the direction of arrow P on the ί material web. which is indicated by the ray path shown in phantom. The light spot 16 b / vv. the line of light moves back and forth on the material web M when the mirror wheel 13 is rotated in FIG. The material web M in, in turn, moves in the direction of the arrow P, ie perpendicular to the scanning notch, which is shown in FIG. 2 is indicated by a double arrow s.

Vorzugsweise unter dem Reflexionswinkel /um Eintrittslichistrahl ist eine Licht-Empfangsanordnung 17 ι '< in der Nähe der Materialbahn M vorgesehen, welche aus einer sich parallel zur Zylinderlinse 15 erstreckenden weiteren geteilten Zylinderlinse 28 und einem Lichtleitstab 18 besteht, dessen Achse ebenfalls parallel zu den Achsen der Z>linderlinse 15 verläuft. Die Brennweite > <i der Zylinderlinse 28 ist unter Berück»ichtiung der Brechkraft des Lichtleitstabs 18 so gewählt, d; i das Lichtbündel gemäß F ι g. I b auf einer der Lichteinmtts- »eite diametral gegenüberliegenden Mantelseite angeordneten Stufenspiegelanordnung 20 konzentriert >"> wird. iJeren Aufbau im einzelnen au*· F ι g. 2 ersichtlich ist. A light receiving arrangement 17 '' is preferably provided in the vicinity of the material web M under the reflection angle / around the entrance light beam, which consists of a further divided cylindrical lens 28 extending parallel to the cylindrical lens 15 and a light guide rod 18, the axis of which is also parallel to the axes the Z> linder lens 15 runs. The focal length><i of the cylindrical lens 28 is selected taking into account the refractive power of the light guide rod 18, d; i the light beam according to FIG. I b is concentrated on a stepped mirror arrangement 20 arranged diametrically opposite the shell side from the light center side. The structure of which is shown in detail in FIG. 2.

Die Stufenspiegela.iordnung besieht aus einzelnen Planspiegeln 29. welche entweder gemäß der linken Hälfte der F i g. 2 zu einer Sägezahnanordnung oder κι gemäß der rechten Hälfte der F i g. 2 zu einer Dachanordnung zusammengesetzt sind. In jedem Fall lind die Winkel der Planspiegel 29 relativ zur Achse des Lichtleitstabs 18 so zu wählen, daß an ihnen reflektiertes Licht unter dem Winkel der Totalreflexion auf die r> gegenüberliegende Wand des Lichtleitstabs 18 auftrifft. $o daß die in F ι g. 2 gestrichelt wiedergegebenen Strahlcnverläufe erzielt werden.The Stufenspiegela.iordnung consists of individual Plan mirrors 29. which either according to the left half of FIG. 2 to a sawtooth arrangement or κι according to the right half of FIG. 2 are assembled to form a roof arrangement. In any case lind to choose the angle of the plane mirror 29 relative to the axis of the light guide rod 18 so that what is reflected on them Light at the angle of total reflection on the r> opposite wall of the light guide rod 18 meets. $ o that the in F ι g. 2 shown in dashed lines Ray paths can be achieved.

Am in F i g. 2 rechten Ende des Lichtleitstabes befindet sich e^-ne Verspiegelung 27, während an der linken Stirnseite eine Ulbricht'sche Kugel 26 vorgesehen ist. an deren Innenwand das eintretende Licht in der gestrichelt angedeuteten Weise gestreut wird. Unter einem rechten Winkel zur Lichteintrittsseite JO ist in einer z. B. quadratischen Öffnung 31 die lichtempfindli- ■"> ehe Oberfläch·· eines Fotoempfängers '9 angeordnet. Zwischen Lichteingang 30 und Lichtausgang 31 befindet sich eine Blende 25, die den direkten Lichtübergang vom Eingang zum Ausgang verhindert.On in Fig. 2 the right end of the light-conducting rod is e ^- ne mirror coating 27, while an Ulbricht sphere 26 is provided at the left end side. the incoming light is scattered on the inner wall in the manner indicated by dashed lines. At a right angle to the light entry side JO is in a z. B. square opening 31, the lichtempfindli- ■ "> before superficiality ·· a photoreceptor '9 are arranged. Intermediate light input 30 and output light 31 is located a shutter 25 which prevents direct light transmission from input to output.

Nach den F ι g. Ic und 2 ist 'wischen der Materialbahn so bund der Zylinderlinse 28 ein weiteres Zylimlerlinsenraitcr 23 angeordnet, dessen einzelne negative Zylinderlinsen 24 mit ihren Achsen senkrecht zur Achse des Lichtleitstabes 18 stehen.According to the FIG. Ic and 2 is arranged between the material web so b and the cylinder lens 28, a further Zylimlerlinsenraitcr 23, whose individual negative cylinder lenses 24 are perpendicular to the axis of the light guide rod 18 with their axes.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Zeilen « abtastvorrichtung ist wie folgt;The mode of action of the lines according to the invention scanning device is as follows;

Ohne das Zylinderlinsenraster 21 nach Fig. la. d würde der Strahlengang des Lasers Il das Objektiv 12 und die gerade reflektierende Fläche des Spiegel rades 13 in Richtung der Spiegelradachse nicht gleichmäßig ausleuchten. Das Strahlenbündel würde beispielsweise so verlaufen, wie das in den Fig. la und Ib 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 Stapels totalreflektierte Licht zwei- oder mehrfach auf die Spiegelanordnung 20 fällt, was unerwünscht ist.Without the cylindrical lens grid 21 according to FIG. La. d, the beam path of the laser II would not illuminate the lens 12 and the straight reflective surface of the mirror wheel 13 in the direction of the mirror wheel axis. The beam would run, for example, as shown in Fig. La and Ib in dashed lines. Particularly in the case of a largely specular reflection on the material web M , a very narrow beam of light will fall on the stepped mirror arrangement 20, so that the light totally reflected within the stack falls two or more times on the mirror arrangement 20, which is undesirable.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung des Zylinderlinsenrasters 21 wird jedoch der aufgefächerte Strahlengang erzielt, der in ausgezogenen Linien in Fig. 1 wiedergegeben ist. Wie sich insbesondere aus Fig. Ic ergibt, fällt aufgrund dieser Ausbildung das Licht auf die Stufenspiegelanordnung 20 unter sehr verschiedenen Winkeln relativ zur Tangente an den Stab 18 am Orte der Stufenspielanordnving 20. so daß reflektiertes und totalreflektiertes Licht weitgehend nicht mehr auf die Stufenspiegelanordnung 20 zurückgelangt un.1 so durch mehrfache Tot.-'-eflexion zum Stabende gek'ngt. wo die Messung {οι·:τ Reflexion) erfolgt.Due to the inventive arrangement of the cylindrical lens grid 21, however, the fanned out Achieved beam path, which is shown in solid lines in FIG. How in particular from Fig. Ic shows, falls due to this training Light on the stepped mirror assembly 20 at very different angles relative to the tangent to the Bar 18 at the location of the stage game arrangement 20. so that reflected and totally reflected light largely no longer reaches the stepped mirror arrangement 20 un.1 so by multiple Tot. -'- eflexion zum The end of the rod is knitted. where the measurement {οι ·: τ reflection) he follows.

Die Wirkung aes weiteren Zvlinderlmsenrasters 23 ergibt sich besonders anschaulich aus I ι g 2 Wahrt;id ohne dieses zusätzliche Ahnderlinsenraster 23 im wesentlichen der vom lichtfleck Ib nach oben ausgehende gestrichelt dargestellte Lichtstrahl nvt der Breite a vorliegen wurde, fächert das Alinderlinsenra sier 23 das Lichtbundol derjn auf. daß js / B. mit der Breite b auf die Stufenspiegeianordnung 20 auifallt. Die Breite b ist so gewählt. daU auf jeden Fall zwei oder vorzugsweise noch mehr Planspiegel 29 gleichzeitig von dem Bündel beaufschlagt werden Auf diese Weise wird der F.influß der Grjndfrequenz des Spiegelrasters bei der Abtastung weitgehend ausgeschaltet.The effect of a further cylindrical lens raster 23 results particularly vividly from I ι g 2 True; id without this additional adapter lens raster 23 essentially the light beam emanating from the light spot Ib upwards, shown as a dashed light beam of width a, would be present, the Alinder lens razor 23 fans out the light bundle on. that js / B. falls on the stepped mirror arrangement 20 with the width b. The width b is chosen in this way. that in any case two or preferably even more plane mirrors 29 are acted upon by the bundle at the same time. In this way, the influence of the basic frequency of the mirror raster is largely eliminated during scanning.

Die durch die unregelmäßigen Reflexionen innerhalb des Lichtleitstabes 18 bedingten Unregelmäßigkeiten an den Stirnseiten des Lichtleitstabes 18 werden durch die Anordnung der Ulbricht'schen Kugel 26 ausgeschaltet, welche das aus der Stirnseite des Lichtle:tstabes 18 austre'ende Licht an jedem Auftreffpnnkt in alle Richtungen streut, so daß bis zum Erreichen des Fotoempfängers 19 eine weitgehende Homogenisierungerzielt ist.Due to the irregular reflections within of the light guide rod 18 caused irregularities on the end faces of the light guide rod 18 are through the The arrangement of the integrating sphere 26 is switched off, which the light emanating from the end face of the light rod 18 at each point of incidence in all Directions scatters, so that until reaching the photo receiver 19 is largely homogenized is.

Die Erfindung führt demnach nicht nur ζί einer sehr erheblichen Lichtausbeute, sondern vermeidet auch gleichzeitig die nachteiligen Einflüsse von Inhomogeni täten. Als besonders vorteilhaft ist herauszustellen, daß durch eine geringe Verschiebung des Zylinderlmsenrasters 21 in Richtung des Objektives 12 aus dem Brennpunkt heraus aaf der Materialbahn M ein Lichtstrich in Bewegungsrichtung P erhalten wird, welcher sich zu einer ernpiindlichen Wiedergabe von Längskrfatzern im am Ausgang des Fotoempfängers 19 erhaltenen elektrischen Signal eignet.The invention therefore not only leads to a very considerable light yield, but also avoids the disadvantageous effects of inhomogeneities at the same time. To be particularly advantageous that is from the focal point out of the material web M AAF a light stroke in the direction of movement P obtained by a small displacement of the Zylinderlmsenrasters 21 in the direction of the lens 12 which is received into a ernpiindlichen reproducing Längskrfatzern in the output of the photo receiver 19 Notably, electrical signal.

Eine vereinfachte Ausführungsform kann bei noch ausreichender Empfindlichkeit auch ohne das Linsenraster arbeiten, wobei dann jedoch die gekreuzten Zylinderlinsen 22,32 von besonderei Bedeutung sind.If the sensitivity is still sufficient, a simplified embodiment can also be carried out without the lenticular lens work, but then the crossed cylinder lenses 22,32 are of particular importance.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Optical device with a light beam moved back and forth like a curtain, which is transmitted or reflected by the object being scanned and which arrives in a light guide rod running in the scanning direction, which is lined up in a zigzag shape on the side opposite the incidence surface line under at least the angle of total reflection! having deflecting mirror surfaces, according to patent 25 08 366, characterized in that a cylindrical lens grid (23) parallel to the same is arranged between the scanning object (M) and the light guide rod (18), which extends the relatively slim bundle of light in the direction of the longitudinal axis of the light guide rod (18) at least two mirror surfaces (24) widen in an extending manner.

2. Device according to claim 1, characterized in that that to the cylinder lens grid (23) a da / u parallel cylinder lens (28) with the light guide (18) par.nlu-ier axis belongs