DE2727927A1

DE2727927A1 - Vorrichtung zur unterscheidung bestimmter winkelbereiche bei von einer oberflaeche ausgehendem licht

Info

Publication number: DE2727927A1
Application number: DE19772727927
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Phys Dr Hartmann; Heinz Dipl Ing Henneberger; Erwin Sick
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1977-06-21
Filing date: 1977-06-21
Publication date: 1979-01-11
Also published as: IT7824266A0; US4200397A; DE2727927B2; IT1095198B; JPS548582A; GB1598245A; DE2727927C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Unterscheidung bestimmter Bereiche von V/inkeln, unter denen Lichtstrahlen von einem Punkt einer Oberfläche in einer Ebene ausgehen, mit einem Lichtleitstab, der parallel zu der Ebene angeordnet ist, mit seiner Mantelfläche die Lichtstrahlen empfängt und gegenüber der Lichteintrittsseitc;· eine am Mantel parallel zur Stabachse angeordnete Stufonspiegelanordnung trägt, welche das auffallende Licht unter Winkeln der Totalreflexion in das Stabinnere zurückwirft, so daß es zu einer Stirnseite des Lichtleitstabe:: gelangt, wo es auf unter unterschiedlichen '.Vinkeln zur Stabachse angeordnete photoelektrische Wandler trifft, deren elektrische Ausgnngssignale ein Maß für den Winkel sind, unter dem das auftroffende Licht von dem Punkt ausgegangen ist, wobei der Abstand der photoelektrischen Wandler von der Lichtaustritts-Stirnflache des Lichtleitstabos so groß ist, daß die Lichtbündel aus den zu unterscheidenden Winkelbereichen räumlich voneinander ge trennt sind.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DT-OS 25 32 6O3) wird insbesondere ein Lichtleitstab mit rechteckigem Querschnitt verwendet, um eine eindeutige Zuordnung zwischen Eintrittswinkeln und beaufschlagtem photoeloktrischem Wandler zu erzielen. Aufgrund der räumlichen Ausdehnung der einzelnen Photowandler besteht keine strenge Zuordnung zwischen Wandlern und Winkeln sondern lediglich bestimmten Winkelbereichen, deren Größe von der Ausdehnung der photoelektrischen Wandler und

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deren Abstand von der Stirnfläche des Lichtleitstabes abhängt. Bei der bekannten Vorrichtung sind die photoelektrischen -Vandler in Form einer Flächenmatrix angeordnet, um eine Unterscheidung nach möglichst vielen in unterschiedlichen Ebenen liegenden Winkeln zu ermöglichen. Die Schaffung einer eindeutigen Zuordnung zwischen Winkelbereichen und den flächenartig angeordneten Wandlern bedingt jedoch hohe Anforderungen an die Qualität des mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt versehenen Lichtleitstabes. Schon geringe Ungenauigkeiten der die Totalreflexion bewirkenden Oberflächen sowie Schlieren und eventuelle Lufteinschlüsse können die beabsichtigte eindeutige Zuordnung e pfindlich stören. Je weiter entfernt von der Lichtaustrittsfläche des Lichtleitstabes das Licht in die Mantelfläche des' Lichtleitstabes eintritt, umso kritischer wird die Zuordnung zwischen dem Winkel, unter dem das Licht von der betrachteten Oberfläche austritt, und einem photoelektrischen Wandler der V/andlermatrix.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine einfach aufgebaute,. wirtschaftlich herstellbare Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, welche durch Beschränkung auf die Unterscheidung nur weniger Bereiche von Winkeln, die alle in einer vorzugsweise die Stabachse enthaltenden Ebene eine eindeutige Zuordnung zwischen den Winkelbereichen und den photoelektrischen Wandlern auch dann noch gestattet, wenn der Lichtleit-

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stab nicht den höchsten optischen Anforderungen genürt. Insbesondere soll statt eines eckigen ein kreisrunder
Lichtleitstab verwendet werden, welcher wesentlich wirtschaftlicher herstellbar ist als ein Lichtleitstab ait
rechteckigem oder quadratischem Querschnitt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß von konzentrisch zur Achse des kreiszylinderischen Licht]eitstabes angeordneten, einander nicht überlappenden Ringen unterschiedlichen Durchmessers empfangenes Licht jeweils eine dem betreffenden Ring zugeordnete, photoelektrinche Wandleranordnung beaufschlagt. Hierbei ist vorausgesetzt, daß das in den Lichtleitstab eintretende Licht zumindest größtenteils unter solchen Winkeln in einer Ebene senkrecht zur Stabachse auf die Einzelspiegel der Stufenspiegelanordnung auftrifft, daß von den Einzelspiegeln reflektiertes Licht nach einmaliger Totalreflexion an der V/and des Lichtleitstabes nicht erneut auf die Stufenspiegelanordnung auftrifft. Diese Voraussetzung kann entweder durch einen schräg auf die Stufenspiegelanordnung auftreffenden scharf gebündelten Lichtstrahl oder durch ein die gesamte Apertur des Lichtleitstabes ausnützendes, auf die Stufenspiegelanordnung konzentriertes Lichtbündel oder auch dadurch erfüllt werden, daß in der Ebene senkrecht zur Stabachse
konvex gekrümmte Einzelspiegel verwendet werden.

Der Grundgedanke der Erfindung ist also darin zu sehen, daß durch Beschränkung auf die Feststellung von l'/inkelbereichen in einer die Stabachse enthaltenden Ebene und Verelendung

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eines Lichtleitstabes mit kreisförmigem Querschnitt auf einfache Weise eine eindeutige Zuordnung zwischen wenigen benachbarten Winkelbereichen und' entsprechend wendeln photoelektrischen Wandleranordnungen erzielt werden kann. Diese eindeutige Zuordnung ist unverändert gegeben, ob der in den Lichtleitstab einfallende Lichtstrahl nahe oder fern von der Lichtaustrittsfläche des Lichtleitstabes eintritt.

Die bevorzugte Anwendung der Erfindung erfolgt bei der Fehlerüberwachung von Materialbahnen, insbesondere mit einer reflektierenden Oberfläche, die eine Indikatrix mit ausgeprägter Reflexions-Hauptkeule und schwachen Reflexions-Nebenzipfeln besitzt. Es kann sich hierbei um kupferkaschierte Leiterplatten, Laminate oder Bleche handeln, die auf Fehlstellen überwacht werden sollen. Derartige Bahnen werden vorzugsweise von einem scharf gebündelten Laser-Lichtstrahl quer zu ihrer Vorschubrichtung abgetastet. Das reflektierte Licht wird von einem parallel zur Abtastrichtung angeordneten Lichtleitstab empfangen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet es hierbei, von der normalen Reflexion der ebenen Bahnoberfläche abweichende Reflexionswinkel festzustellen und daraus Schlüsse auf den Charakter des betreffenden Fehlers zu ziehen. Des weiteren gestattet es die erfindungsgemäße Vorrichtung, bestimmte Fehler überhaupt festzustellen. Insbesondere spricht die erfindungsgemäße Vorrichtung auf Erhebungen oder Eindrückungen der Materialoberfläche an, bei denen stetig gekrümmte Flanken vorliegen. An diesen Flanken wird der auftreffende, scharf gebündelte Strahl in einer anderen Richtung reflektiert als an dor ungestörten ebenen Oberfläche, was zu einer ausgeprägten Anzeige durch die erfindungsgemäße Vorrichtung führt.

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Für die Lösung der Erfindungsaufgabe sind bevorzugt zwei bis vier und insbesondere drei konzentrische Ringe vorgesehen. Die Anordnung ist dabei zweckmäßigerweise so, daß der mittlere der drei konzentrischen Ringe das normal an der ebenen Oberfläche reflektierte Licht empfängt, während die beiden benachbarten konzentrischen Ringe normalerweise kein oder nur geringes Streulicht empfangen. Wird jedoch das auftreffende Licht von der Planke einer Erhebung oder Vertiefung reflektiert, so erhält auch einer der beiden benachbarten Ringe Licht, was zu einer ausgeprägten Signalanzeige am Ausgang der zugeordneten photoelektrischen Wandleranordnung führt, da die beiden dem mittleren Ring benachbarten konzentrischen Ringe im Dunkelfeld arbeiten. Im einfachsten Fall würden für die betreffende Fehlererkennung auch zwei konzentrische Ringe ausreichen, Vielehe jedoch in radialer Richtung einen solchen Abstand voneinander haben sollen, daß sie kein normal reflektiertes Licht empfangen, sondern im Dunkelfeld arbeiten.

Zwischen den Ringen und der Stirnfläche des Lichtleitstabes können lichtstreuende Mittel derart angeordnet sein, daß ohne Beseitigung der eindeutigen Zuordnung zwischen Winkelbereichen und Ringen eine Auffächerung der einzelnen Lichtstrahlen erfolgt. Dies ist dann zweckmäßig, wenn die den einzelnen Ringen zugeordneten Lichtstrahlen zu prägnant sind, um ein möglichst gleichförmiges elektrisches Ausgangssignal zu liefern. Durch die lichtstreuenden Mittel kann eine gewisse Vergleichmäßigung dös elektrischen Ausgangssignals erzielt werden. Die lichtstreuenden Mittel werden vorzugs weise durch ein Linsenraster gebildet, dessen Streuwirkung nicht zu groß ist, so daß die eindeutige WinkelZuordnung erhalten bleibt.

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Im einfachsten Pall kann die Erfindung dadurch verwirklicht werden, daß auf den Ringen jeweils zu einer ein einziges elektrisches Ausgangssignal abgebenden photοelektrischen Wandleranordnung zusammengeschaltete Einzelwandler in einer die Ringfläche möglichst voll erfassenden Weise angeordnet sind. Insbesondere bei dieser Ausführungsform ist es zweckmäßig, die lichtstreuenden Mittel vorzusehen, um eine zu punktuelle Beaufschlagung der Einzelwandler durch aus dem Lichtleitstab austretende Lichtstrahlen zu vermeiden.

Eine wesentliche Signalvergleichmäßigung kann dadurch erzielt werden, daß auf den Ringen die Stirnflächen von konzentrischen, transparenten Hohl- bzw. Voll-Kreiszylindern angeordnet sind, an deren anderen Stirnflächen jeweils eine photoelektrische Wandleranordnung vorgesehen ist. Innerhalb der einzelnen Zylinder wird das Licht durch Totalreflexion an den Wänden fortgeleitet, wobei aufgrund von in diesem Fall durchaus erwünschten optischen Unregelmäßigkeiten der transparenten Hohlzylinder ein Verschmierungseffekt erzielt wird, so daß die beim Eintritt ausgeprägten Einzellichtstrahlen zu einem weitgehend vergleichmäßigten Lichtband am Austritt aufgefächert werden.

Der innerste der zueinander konzentrisch angeordneten Ringe kann auch ein Kreis mit der Stabachse als Mittelpunkt sein, falls auch sehr kleine Winkel relativ zur Stabachse erfaßt werden sollen. Dementsprechend wäre der innerste der konzentrischen Hohl-Zylinder als Voll-Kreiszylinder auszubilden.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind auf den Ringen die Stirnflächen von konzentrischen, transparenten Hohl- bzw. Vollkreiskegelstumpfen angeordnet, an deren anderen Stirnflächen jeweils eine photoelektrische Wandleranordnung vorgesehen ist. Während die äußeren Kreiskegel-

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stumpfe hohl sind, um übereinandergeschichtet werden zu können, kann der am weitesten innenliegende Kegelstumpf auch voll ausgebildet sein, falls auch sehr kleine Winkel relativ zur Stabachse erfaßt werden sollen. Auch bei diener Ausführungsform ist darauf zu achten, daß das in die Stirnflächen eintretende Licht im Innern der Kegelstumpfο durch Totalreflexion zu der anderen Stirnfläche fortgeleitet wird. Hierzu ist die abt/echselnde Reflexion zwischen den gegenüberliegenden Wänden eines hohlen Kegelstumpfes besonders geeignet, so daß auch der am weitesten innenliegende Kegelstumpf hohl ausgebildet sein sollte.

Die Länge jedes Zylinders oder Kegelstumpfes soll auf jeden Fall so groß sein, daß das an der einen Stirnfläche eintretende Licht wenigstens einmal an einer der Innenwände totalreflektiert wird»

Die Ausführungsform mit transparenten Hohl-Kegelstümpfen hat gegenüber der Ausführung mit transparenten Hohl-Zylindcrn den weiteren Vorteil, daß nicht nur das Eintrittslicht vorschmiert und damit vergleichmäßigt wird, sondern daß zusätzlich das Licht entlang von Kreisringen von verringertem Durchmesser austritt. Auf diese Weise kann mit v/es ent lieh kleinflächigeren photoelektrischen Wandleranordnungen gearbeitet werden.

Die photoelektrischen Wandleranordnungen können wieder jeweils aus zusammengeschalteten, die zugeordnete Stirnfläche insgesamt möglichst voll erfassenden Einzelwandlern bestehen, deren Zahl jedoch wesentlich reduziert werden kann.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn auch die Längen der Kegelstümpfe von außen nach innen derart abgestuft geringer werden, daß die den einzelnen Kegelstümpfen zugeordneten

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Wandleranordnungen axial hintereinander anzuordnen sind. Aufgrund dieser Ausbildung wird auch der Platzbedarf für die Wandleranordnungen in radialer Richtung herabgesetzt.

Indem jede Wandleranordnung in einem axialen Abstand von der zugeordneten Stirnfläche angeordnet ist, kann eine derartige Lichtkonzentration auf einen kleinen KLächenbereich bewirkt werden, daß jede Wandleranordnung nur noch aus einem Einzelwandler zu bestehen braucht. Hierdurch wird eine sehr wesentliche Vereinfachung und Verbesserung der Punktionsfähigkeit erzielt.

Um möglichst viel Licht auf die derart angeordnete photoelektrische Wandler anordnung zu lenken, ist nach einer v/eiteren vorteilhaften Ausführungsform die Innenwand der Kegelstümpfe von der Stirnfläche des nächstinneren Kegelstumpfes bis zu ihrer eigenen Stirnfläche mit einer Verspiegelung versehen. Die Außenfläche des äußersten Kegelstumpfes soll dabei durch eine die Kegelstumpfform fortsetzende, eine InnenverSpiegelung tragende Wand bis zur zugeordneten Wandleranordnung verlängert sein.

Eine baulich sehr kompakte, gleichwohl aber auch optisch voll v/irksame Anordnung wird geschaffen, indem die einem Kegelstumpf zugeordnete Wandleranordnung jeweils innerhalb des Stirninnenrandes des nächstäußeren Kegelstumpfes angeordnet ist. Die an die Außenfläche des äußersten Kegelstumpfes anschließende Wand soll dabei so lang sein, daß ihr Stirnimienrand gleich dem Stirninnenrand der Kegelstümpfe dimensioniert ist.

Insbesondere bei dieser Ausführungsform können alle Einzelwandler gleich dimensioniert und ausgebildet sein. Bei der

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bevorzugten Ausführungsform mit drei zueinander konzentrischen IIohl-Kegelstümpfen sind also lediglich drei Einzelhändler erforderlich, welche in Form von Photodioden .",ehr preisgünstig zur Verfügung stehen. Durch die Konzentrat j on dec auf einem Ring relativ großen Durchmessers c::ipfan:;onon Lichtes auf den relativ kleinen Flächenbereich einer Photodiode erübrigt sich insbesondere der Einsatz der in vieler Hinsicht nachteiligen Photoelektronen-Vervielfacher (Photomultiplier) .

Von besonderern Vorteil ist es, wenn auf den Rinnen die Stirnflächen von sich verjüngenden, transparenten Lichtl ei. Lern angeordnet sind, an deren anderen Stirnseiton sich in optischem Kontakt die photoelektrischen V/andleranordnunren befinden. Besonders vorteilhafte '.Veiterbildungen dieser Ausführungsform sind in den Ansprüchen 16 bis ZC, definiert.

Um die Größe der zueinander konzentrischen Ringe zu begrenzen, möglichst viel Licht auf diese Ringe zu lenken und die Gesamtanordnung möglichst kompakt zu halten, ist zwischen den Ringen und der Stirnfläche des Lichtleitstabes vorzugsweise ein Linsensystem angeordnet, welches das unter bestimmten Winkeln zur Achse aus dem Lichtlcitstab austretende Licht auf die einzelnen Ringe konzentrieren soll. Dabei ist zweckmäßigerweise darauf zu achten, daß das Linsensystem das Licht unter einem möglichst geringen Winkel zum Mantel der Zylinder bzw. Kegelstümpfe bzw. Lichtleiter nuf deren Stirnflächen lenkt. Hierdurch wird eine besonders verlustfreie Lichtleitung herbeigeführt.

Die konzentrische Anordnung von Lichtempfangs-Ringflächen ermöglicht eine einwandfreie Winkelbereichszuordnung auch dann noch, wenn nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform die Stufenspiegelanordnung aus in einer Ebene

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senkrecht zur ßtabachse konvex gekrümmten Einzelspiegeln besteht, deren konvexe Krümmung vorzugsweise derart ist, daß ein auf die Einzelspiegel auftreffendes paralleles Lichtbündel nach der Reflexion in der Krümmungsebene auf 10° bis 90°, vorzugsweise 50° aufgefächert ist. Die Auffächerunr: erfolgt also in einer Ebene, die senkrecht zu der Ebene verläuft, in der die zu bestimmenden Winkelbereiche liegen.

Aus diesem Grunde wirkt sich die Auffächerung nicht nachteilig für die eindeutige Zuordnung zwischen V/inkelboreichen und photoelektrischen V/andleranordnungen aus. Andererseits gewährleistet aber die starke Auffächerung des Einfalls]ichtes durch die konvex gekrümmten Einzelspiegel der Stufencpiegelanordnung eine außerordentliche Vergleichmäßigung des schließlich auf die photoelektrischen Wandleranordnungen treffenden Lichtes. Außerdem wird der die Lichtleitung im Lichtleitstab störende Einfluß der Stufenspiegelanordnung durch die Verwendung der konvex gekrümmten Einzelspiegel erheblich gemildert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich besonders zur Erkennung von Fehlstellen auf einem reflektierenden Material mit einer Indikatrix mit ausgeprägter Reflexions-Hauptkeule und schwachen Reflexions-Nebenzipfeln, bei der ein scharfgebündelter Lichtstrahl die Materialoberfläche kontinuierlich abtastet, der Lichtleitstab parallel zur Bahnoberfläche und zur Abtastrichtung angeordnet ist und mit seiner Mantelfläche das von der Oberfläche reflektierte Licht zumindest teilweise erfaßt. Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform ist die Schaltung der photoelektrischen V/andleranordnungen so wie in den Ansprüchen 37 bis /+3 beschrieben.

Bei einer zweiten vorteilhaften Verwirklichung der Erfindung ist die Schaltung der Wandleranordnungen so ausgeführt,

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wie das in den Ansprüchen l±k bis 52 im einzelnen definiert ist.

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

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Lichtempfangsanordnung, bei der ein in die erfindungsgemäße Vorrichtung eingebauter Lichtleitstab verwendet wird,

Fig. 2 einen Schnitt nach Linie II-II in Fig. 1 ,

Fig. 3 eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht einer sehr einfachen Verwirklichung der Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. /f eine Ansicht nach Linie IV-IV in Fig. 3,

Fig. 5 eine teilweise geschnittene schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 eine Ansicht nach Linie VI-VI in Fig. 5,

Fig. 7 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 8 eine Ansicht nach Linie VIII-VIII in Fig. 7,

Fig. 9 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer weiteren, ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung,

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Fig. 10 eine perspektivische Darstellung des Lichtkonzentrationsteils der Ausführungsform noch Fig. 9,

Fig. 11 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles XI in Fig. 10, wobei jedoch die gesamte Lichtkonzentrationsanordnung dargestellt ist,

Fig. 12 eine schematische Veranschaulichung des Anschlusses der Austrittsstirnflächen der Lichtleiter über Lichtleitfasern an einen ;;omeinsamen photoelektricchen V/andler,

Fig. 13 eine bevorzugte Schaltungsanordnung für eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit drei photoelektrischen Wandleranordnungen,

Fig. 1 if eine weitere bevorzugte Schaltungsanordnung für eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit drei photoelektrischen V/andleranordnungen,

Fig. 15 eine bevorzugte Signalverarbeitungscchaltung fur die Signale der einzelnen photoelektrischen V/andleranordnungen und

Fig. 16 ein schematisches Diagramm des zeitlichen Verlaufs des am Eingang der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ^L; anstehenden Video-Signals bei Annahme von znui entgegengesetzte Ausschläge hervorrufenden Fehlern.

Nach den Fig. 1 und Z wird eine mit einer reflektierenden Oberfläche versehene Bahn oder Platte 37, z.B. eine kupferkaschierte Leiterplatte in Richtung des Pfeiles F kontinuierlich bewegt. Ein auf nicht dargestellte V/eise erzeugter

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Laserstrahl 38 fällt in einer die Fortpflanzungsrichtung F enthaltenden Ebene unter einem Winkel oc auf die Oberfläche der Bahn 37 auf. Nach Fig. 2 führt der Laserstrahl 38 iu Richtung des Doppelpfeiles f eine periodische Abtastbewegung über die gesamte Breite der Bahn 37 aus. Die Abtastgeschwindigkeit ist dabei so hoch, daß unter Berücksichtigung der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Bahn 37 in Richtung des Pfeiles F eine lückenlose zeilenweise Abtastung der Bahn erfolgt. Abtastrichtung f und Fortpflanzungsrichtung F der Bahn 37 stehen senkrecht aufeinander.

Das Licht des Laserstrahls 38 wird unter dem Reflexionswinkel iX von der Oberfläche der Bahn 37 zu einer Zylinderlinse 39 reflektiert, die sich parallel zur Abtastrichtung f und zur Bahn 37 relativ nahe an dieser erstreckt. Da es sich jedoch bei der Oberfläche der Bahn 37 nicht um einen Spiegel sondern um eine reflektierende Oberfläche mit einer Reflexions-Hauptkeule und schwachen lieflexions-Nebenzipfein handelt, geht von dem Auftreffpunkt P ein Lichtbündel aus, wie das in Fig. 1 veranschaulicht ist. Die Zylinderlinse 39 konzentriert das empfangene Lichtbündel auf die Apertur eines parallel zu ihr angeordneten Lichtleitstabes 12 mit parallel zur Zylinderlinse 39 angeordneter Achse 11. An der der Lichteintrittsmantelseite gegenüberliegenden Fläche weist der Lichtleitstab 12 eine Stuf enspiegelanordnung 27 auf, deren Einzelspiegel einen solchen Winkel mit der Stabachse 11 einschließen, daß auf die auftreffendes Licht unter Winkeln der Totalreflexion in das Innere des Lichtleitstabes 12 zurückgeworfen werden. Nach Fig. 1 sind die Stufenspiegel in Ebenen senkrecht zur Stabachse 11 konvex gekrümmt, so daß ein parallel auftreffendes Lichtbündel nach der Reflexion auf einen Winkel ¥ aufgefächert ist. Dadurch, daß das Licht gemäß Fig. 1 unter unterschiedlichen

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V/inkeln auf die Stufenspiegelanordnung 27 auftrifft und gegebenenfalls durch die konvexe Krümmung der Einzelspiegel 27 noch zusätzlich aufgefächert wird, ist vermieden, daß das reflektierte Licht nach einer Totalreflexion an den Wänden des Lichtleitstabes 12 erneut auf die Stufenspiegelanordnung 27 auftrifft. Aufgrund des konvergierenden Verlaufs des nach Fig. 1 in den Stab 12 eintretenden Lichtbiindels wird jedoch auch schon ohne die konvex gekrümmten Einzelspiegel eine gewisse Auffächerung nach der Reflexion erzielt.

Unterhalb der Bahn 37 ist ein weiterer Lichtleitstab 12 veranschaulicht, welcher im Falle eines Loches in der Bahn 37 Licht empfängt. Da in diesem Fall ein scharf gebündelter paralleler Lichtstrahl in den Stab einfällt, muß der eintretende Lichtstrahl so weit von der Stabachse 11 entfernt sein, daß das an der Stufenspiegelanordnung 17 reflektierte Licht nach einer Totelreflexion an den V/änden des Lichtleitstabes 12 nicht erneut auf die Stufenspiegelanordnung 17 fällt, wie das in Fig. 1 veranschaulicht ist. Die Ausführungsform mit Durchlicht könnte dann von Bedeutung sein, wenn damit zu rechnen ist, daß in der Bahn 37 vorgesehene Löcher bzw. sonstige Unregelmäßigkeiten den Austrittswinkel des Laserstrahls 38 beeinflussen. Zu denken wäre hier auch an transparente Folien, in denen Schlieren vorhanden sind, die den durch sie hindurchgehenden Lichtstrahl abknicken. Auch derartige Abknickungen könnten mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelt werden.

In Fig. 2 sind zwei Fehlstellen 1+0, Zf 1 schematisch wiedergegeben, von denen die eine eine Ablenkung des reflektierten Strahls nach rechts unter einem Winkeioc , die andere eine Ablenkung des reflektierten Strahls nach links unter einem

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Winkel^ ρ bewirken möge. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, treten die an den Fehlstellen ^O, ifi unterschiedlich reflektierten Lichtstrahlen unter unterschiedlichen V/inkeln ß. bzw. ß^ aus dem Lichtleitstab aus. Diese Tatsache vjird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Fehlererkennung auegenutzt. Durch die Auffächerung des Eintrittslichtstrahlc in der Ebene der Fig. 1 werden die Austrittswinkel ,->.., 2 relativ zur Stabachse 11 nicht verändert. Sie liegen aber in unterschiedlichen parallel zur Achse 11 verlaufenden Ebenen. Das unter einem bestimmten Winkel(z.B. <χ., ;%p) in der Ebene der Fig. 2 in den Lichtleitstab 12 eintretende Licht verläßt also die Stirnseite des Stabes stets unter dem gleichen Winkel zur Stabachse 11, so daß dieses Licht in einem gewissen axialen Abstand von der Stirnseite auf zur Stabachse 11 konzentrischen Ringen verteilt wird. Jeder Ring, dessen Breite von dem Stabdurchmesser abhängt, ist einem Winkel (#,, Dtp) zugeordnet.

Zum Empfang des zu den einzelnen Ringen gelangenden Lichtes sind nach den Fig. 3 und ^ in einem bestimmten Abstand von der Stirnfläche 15 des Lichtleitstabes 12 entlang von zueinander und zum Stab 12 konzentrischen, einand-er nicht überlappenden Ringen 13a, 13b, 13c photoelektrische Wandleranordnungen 1*ta, 1/fb, 14c vorgesehen. Der innere Ring kann gemäß der Darstellung in den Fig. 3 und ^ auch als Vollkreis IZfC ausgeführt sein.

Jede Wandleranordnung 1^a, 1^b bzw. 1*fC besteht aus gleichen photoelektrischen Einzelwandlern 18, die elektrisch derart zusammengeschaltet sind, daß jede Wandleranordnung ein einziges elektrisches Ausgangssignal liefert, das dem insgesamt von dem zugeordneten Ring empfangenen Lichtstrom entspricht. Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung liegen also drei elektrische Ausgänge if2, k5> bzw. ^Zf vor.

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Bevorzugt werden die in der Ebene der Fig. 3 parallelen Bündel durch eine im Abstand ihrer Brennweite von den Ringen 13a, 13b bzw. 13c angebrachte Linse 26 bzw. ein Linsensystem auf die V/andleranordnungen li|a, 1Vb bzw. 1/fC konzentriert, was in Fig. 3 durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Hierdurch wird die V/inkeltrennung wesentlich verbessert, weil einem Einfallswinkel (Oc, , Οίρ) eine zur Stabachse 11 konzentrische Lichtlinie in der Ebene der Ringe 13a, 13b bzw. 13c entspricht. Dies gilt übrigens für alle Ausführungsformen.

Zwischen der Stirnfläche 15 und den Ringen 13 kann auch noch eine Lichtstreuanordnung 16 beispielsweise in Form eines Linsenrasters angeordnet sein, und zwar insbesondere dann, wenn auch die Linse 26 votgesehen ist. Bei Vorhandensein der Linse 26 empfängt jeder der konzentrischen Ringe 13a, 13b bzw. der Innenkreis 13c Licht aus einem vorbestimmten Winkelbereich in der Ebene der Fig. 2. Der Kreis 13c nach Fig. 3 und /f empfängt dabei das gemäß Fig. 2 am meisten nach rechts reflektierte Licht (Fehlstelle '+O), während der äußere Ring 13a das gemäß Fig. 2 am weitesten nach links abgelenkte Licht aufnimmt (Fehlstelle ^fI). Der mittlere Ring 13b empfängt Licht, sofern sich keine Fehlstelle an der Oberfläche der Bahn 37 befindet.

Auf diese V/eise empfängt bei fehlerfreier Oberfläche nur der Ring 13b Licht, während die Ringe bzw. der Kreis 13a, 13c dunkel sind. Der Ring 13b arbeitet somit im Hellfeld, der Ring 13a bzw. der Kreis 13c im Dunkelfeld.

In den weiteren Ausführungsbeispielen bezeichnen gleiche Bezugszahlen entsprechende Teile wie in den Fig. 1 bis /(..

Nach den Fig. 5 und 6 sind im Bereich der Lichtempfangsringe 13a, 13b bzw. des Lichtempfangskreises 13c die Stirn-

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flächen 19 von zueinander konzentrischen, transparenten Hohlzylindern 20a, 20b bzw. eines Vollzylinders 20c angeordnet. An den Austritts flächen der Zylinder 20 befinden sich analog wie bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und if die aus Einzelwandlern 18 bestehenden photoelektrischen Wandleranor'dnungen 1^a, Hb bzw _t IZfC. Zwischen der Stirnfläche 15 des Lichtleitstabes 12 und den Stirnflächen 19 der Zylinder 20 kann wieder eine Lichtstreuanordnung 16 vorgesehen sein.

Die Einschaltung der Zylinder 20 zwischen die konzentrischen Lichtempfangsringe 13a, 13b, 13c führt zu einer Vergleichmäßigung des Lichtstroms, so daß die Wandleranordnungen 1/fa, 1ifb und life einen gleichmäßigeren Lichtstrom erhalten.

Die Länge der Zylinder 20 soll so groß sein, daß das eintretende Licht zwischen den Stirnflächen 19, 21 wenigstens einmal an einer der Wände totalreflektiert wird.

Durch Einschaltung der gestrichelt dargestellten Linse 26 wird wieder bevorzugt eine Konzentration des unter gleichen Winkeln aus dem Lichtleitstab 12 austretenden Lichtes auf die zugeordneten Stirnflächen 19 erzielt werden. Hierdurch wird insbesondere eine schärfere Trennung der einzelnen Winkelbereiche erreicht.

Bei der besonders bevorzugten Ausführungsform nach der Fig. ? wird das aus dem Lichtleitstab 12 austretende Licht durch ein Linsensystem 26 und gegebenenfalls eine Lichtstreuanordnung 16 auf die Stirnseiten 19 von konzentrisch zueinander angeordneten, ineinandergeschachtelten, transparenten Kegelstümpfen 22a, 22b, 22c unterschiedlicher Länge gerichtet. Das Linsensystem 26 sorgt dabei nicht nur für eine Konzentration des Lichtes auf den

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Stirnflächen 19, sondern auch dafür, daß die Lichtbündel unter einem relativ kleinen Winkel zum Mantel der Kegelstümpfe 22 auftreffen. Eine derartige optische Lenkung des Lichtes durch das Linsensystem 26 ist auch bei der Ausführungsform nach den Fig. 5 und 6 vorteilhaft.

Die einzelnen Kegelstümpfe 22a, b, c leiten das einfallende Licht durch Totalreflexion an ihren gegenüberliegenden Wänden zu den gegenüberliegenden Stirnflächen 21, welche sich aufgrund der unterschiedlichen Länge der einzelnen Kegelstümpfe in gleichem radialen Abstand von der Achse 11 befinden. Die Länge der Kegelstümpfe ist derart, daß innerhalb des Stirninnenrandes der Kegelstümpfe 22a, 22b nur wenige Einzelwandler 18 angeordnet zu werden brauchen, die das gesamte, aus dem nachstinnenliegenden Kegelstumpf austretende Licht empfangen. Eine Innenverspiegelung 2i\ zwischen der Stirnfläche 21 des nachstinnenliegenden Kegelstumpfes und der Stirnfläche 21 gewährleistet, daß aus den Stirnflächen 21 austretendes Licht durch Reflexion an dieser Innenverspiegelung 2if vollständig zu den zugeordneten photoelektrischen Wandlern 18 gelangt. Die Wandler können aber auch analog Fig. 5 unmittelbar an den Stirninnenrändern der Kegelstümpfe angeordnet sein.

Die Außenfläche des äußersten Kegelstumpfes 22a ist durch eine Wand 25 verlängert, welche so lang ist, daß ihr Stirninnenrand mit den Stirninnenrändern der übrigen Kegelstumpf e 22 gleich dimensioniert ist. Auch das Innere der Wand 25 ist mit einer Innenverspiegelung 2Zf versehen. An ihrem Ende befindet sich ein weiterer Einzelwandler 18.

Die sechs aus Fig. 7 ersichtlichen Einzelwandler 18 sind also auf der Achse 11 hintereinander angeordnet und empfangen jeweils das Licht aus einem der drei ineinandergeschach-

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telten Kegelstümpfe. Es ist also nur die Zusammenschaltung von weniger Einzelwandlern 18 zu einer photoelektrischen Wandleranordnung als bei den vorangegangenen Ausfiihrungsbeispielen nach den Fig. 3 bis 6 erforderlich. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird überdies eine sehr kompakte, räumlich wenig aufwendige Anordnung erzielt. Der Kegelwinkel der Kegelstümpfe ist so zu wählen, daß unter Berücksichtigung des Lichteinfallswinkels eine einwandfreie Weiterleitung des eingefallenen Lichtes durch Totalreflexion erzielt wird.

Die Innenöffnung des inneren Kegelstumpfes 22c kann durch eine nicht undurchlässige Wand 23 abgeschlossen sein, um unterhalb eines bestimmten Winkels aus dem Lichtleitstab 12 austretendes Licht von der inneren photoelektrischen Wandleranordnung 1/fC fernzuhalten.

Eine ganz besonders bevorzugte Ausführungsform zeigen die Fig. .9 bis 12. Die das Licht von den Ringen 13a, 13b bzw. 13c konzentrierende Vorrichtung besteht hier aus einzelnen Lichtleitern, die in der insbesondere aus den Fig. Io und 1 Γ ersichtlichen Weise aufgebaut und zusammengefaßt sind. Jeder Lichtleiter weist eine Stirnfläche 19 auf, die in Form eines Kreisringausschnittes ausgebildet ist und einen entsprechenden Teil der Fläche der Ringe 13a, 13b bzw. 13c einnimmt. Die einzelnen Lichtleiter sind zu Ringanordnungen *f8a, /f8b bzw. Zf8c zusammengefaßt.

Auf einem Umfang befinden sich jeweils sechs Lichtleiter.

Erfindungsgemäß verjüngt sich jeder Lichtleiter von der Eintrittsstirnfläche 19 aus bis auf eine relativ kleine Fläche 51, an der gemäß Fig. 9 jeweils zwei Einzelwandler 18 angebracht sind.

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Zwischen benachbarten Eintrittsstirnflächen 19 befinden sich Zwickel 50, die bei dem vorliegenden Ausführungcbeispiel einen öffnungswinkel von ca. 15° aufweinen.

Sämtliche Einzelwandler 18 jeder Ringanordnung '+8a, Z*8b bzw. J+8c sind analog wie bei den vorangegangenen Ausführungs formen zu photoelektrischen V/andleranordnungen 1^a, 1/fb bzw. 1 ^c zusammengeschlossen, so daß wieder drei jeweils ein elektrisches Ausgangssignal liefernde Ausgänge i\Z, Zf3* Vf vorliegen.

Wie insbesondere aus den Fig. 1Φ und Ii ersichtlich ist, bilden die Innenflächen der Lichtleiter 'f9a, 49b, /f9c Krciszylinderausschnitte. Die Außenflächen verjüngen sich von der Eintrittsstirnseite 19 zur Austrittsstirnseite 51 geringfügig konisch.

Im Schnitt entlang einer Umfangsfläche ist die Verjüngung jedoch wesentlich ausgeprägter. Hierdurch wird berücksichtigt, daß das Licht in den Umfangsflächen relativ parallel einfällt, so daß trotz relativ starker Konizität das bei 19 eintretende Licht bei 51 weitgehend vollständig austritt. In den radialen Ebenen fällt das Licht aufgrund der Anwesenheit der Linse bzw. des Linsensystems 26 unter relativ un_T terschiedlichen Winkeln ein, so daß eine Lichtleitung bis zu den Austrittsstirnflächen 51 nur bei relativ schwacher Konizität gewährleistet ist. Die unterschiedlichen Winkel, unter denen das Licht in die Stirnflächen 19 in Radialebenen eintritt, sind aus Fig. 9 deutlich ersichtlich.

Die kronenartige Anordnung der Lichtleiter nach den Fig. 9 bis 12 trägt also den Lichteintrittsverhältnissen bei der erfindungsgemäßen Anordnung optimal Rechnung. Insgesamt sind die Verjüngungswinkel danach zu wählen, daß

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an der Stirnseite 19 eintretendes Licht vollständig bei vi austritt und nicht durch zu starke Verjüngunrcwinkel letztlich in sich zurückreflektiert wird. Bei SI ist jeweils ein optischer Kontakt mit dem Wandler erforderlich.

Ein besonderer Vorteil der kronenartigen Ausbildung der Lichtkonzentrationsvorrichtung nach den Fig. 9 bis 12 besteht darin, daß an die relativ kleinen Stirnflachen \A auch normale Lichtleiterfasern angesetzt werden können, mittels deren das Licht an beliebige Stellen weitertransportiert und insbesondere an beliebigen Stellen beispielsweise auf eine einzige Photodiode konzentriert werden kann. Durch die vorhandenen Lücken zwischen den einzelnen Lichtleitern können auch die angesetzten normalen, faserförinigen Lichtleiter ohne weiteres nach außen geführt werden. Dies gilt auch für die inneren Ringanordnungen if8b und /+8c.

Anhand von Fig. 12 ist beispielsweise veranschaulicht, wie von den Austrittsstirnseiten 51 der äußeren Lichtleiter >\')n Lichtleitfasern 7k zu jeweils einem Einzelwandler 18 geführt werden können. Grundsätzlich können sämtliche, von einer Ringanordnung if8 ausgehende Lichtleitfasern einem einzigen kleinen Multiplier zugeführt werden. Bevorzugt ist es jedoch, wenn mehrere parallel geschaltete Einzelwandler (Dioden) 18 vorgesehen sind, jeder von denen eine Lichtleitfaser '/h zugeordnet ist.

Bei der Anordnung nach den Fig. 9 bis 12 waren also insgesamt dreimal sechs Lichtleitfasern erforderlich. Der Vorteil einer derartigen Anordnung würde in einer wesentlichen Vorbesserung des Homogenisierungseffektes des Austrittslichtes bestehen. Dies ist besonders wichtig bei der Verwendung von inhomogenen oder unterschiedlich empfindlichen Zellen oder auch eines einzigen kleinen Multipliers.

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V/citer ist es erforderlich, daß an den Stirnseiten ^l zwischen den dort direkt angeordneten photoelektrischen Wandlern 18 oder den Lichtleitern Ii+ ein optischer Kontakt vorliegt. Durch die Anordnung nach den Fig. 9 bis 12 erfolgt eine echte Lichttransformation. Bei der V/ahl des Verjüngungswinkels ist auf die bekannte Beziehung

2 2

F.sin u = F¹. sin u¹ = const.

zu berücksichtigen, wobei F die Eintrittsfläche des Lichtleiters und u der Eintrittswinkel und F¹ die Austrittsfläche sowie u^f der Austrittswinkel des Lichtes sind.

Die Ausgänge 1+2., 1+3 44 der photoelektrischen Wandleranordnungen 14a, 14b bzw. 14c sind nach Fig. 13 an Verstärker 29 angeschlossen, deren Verstärkung einstellbar oder automatisch regelbar sein kann.

Die Verstärker 29 der beiden äußeren Wandleranordnungen 14a, 14c sind an eine Differenzbildungsstufe 28 angeschlossen, deren Ausgangssignal einem Video-Subtraktions-Filter 30 zugeführt ist. An dieses schließt sich ein Analog-Digital-Wandler 31 an.

Die verstärkten Signale der Wandleranordnungen 14a, 14c sind außerdem an eine Summierungsstufe 33 angelegt, welche gegebenenfalls über ein Dämpfungsglied 45 an eine weitere Differenzbildungsstufe 32 angeschlossen ist, deren anderem Eingang das verstärkte Ausgangssignal der inneren photoelektrischen Wandleranordnung 14b zugeführt ist.

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ORiGlNAL INSPECTED

Das Ausgangssignal der Differenzbildungsstufe 32 wird wieder über einen Video-Subtraktions-Filter J>h an einen weiteren Analog-Digital-Wandler 35 angelegt.

Die Differenzbildung in den Stufen 28, 32 dient der Eliminierung des Einflusses von Streu- oder Grundlicht. In den Video-Subtraktions-Filtern 30, 3k wird der Mittelwert dec Eingangssignals über einen vorbestimmten Zeitraum von dem Momentansignal subtrahiert, wodurch der Gleichanteil aus dem Signal entfernt wird. In dem Analog-Digital-Wandler 31 bzw. 35 kann beispielsweise eine 1-Bit-Quantisierung erfolgen, um im Falle bestimmter Lichtablenkungen ein Alarmsignal zu erzeugen.

Die Ausgänge der beiden Analog-Digital-Wandler sind an die beiden Eingänge eines ODER-Gatters 36 angelegt, an dessen Ausgang ein in gewünschter Weise weiterzuverarbeitendes Fehlersignal bei allen auf einer reflektierenden Oberfläche vorkommenden Fehlern erscheint.

Trifft der Laserstrahl 38 beispielsweise auf einen nichtreflektierenden Fleck auf der reflektierenden Oberfläche der Bahn 37, so verschwindet der Lichtstrom an der mittleren Wandleranordnung 1/fb und am Ausgang des Wandlers 35 entsteht ein Fehlersignal, das über das ODER-Gatter 36 abgenommen werden kann. Tritt aufgrund einer Vertiefung oder Erhebung auf der Oberfläche der Bahn 37 eine zeitweise Veränderung des Reflexionswinkels auf, so erhält entweder die Wandleranordnung Ufa oder die Wandleranordnung 1 ifc Licht, was zu einem Fehlersignal am Ausgang des Wandlers 31 führt, das ebenfalls über das ODER-Gatter 36 abnehmbar ist. Falls erwünscht können bei Jf6, k7 die der Dunkelfeldanordnung bzw. Hellfeldanordnung entsprechenden Signale gesondert abgenommen werden.

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Fig. \l\ zeigt eine weitere mögliche Zusammenschal tun.··; dor Ausgangssignale der photoelektrischen V/andlerimordnungcn. Die Ausgänge ^2, if3, ΑΛ sind über V/iderstände an eine Mischstufe 52 angelegt, welche eine beliebige Mischung der Signale, vorzugsweise jedoch ihre Addition vornehmen kann, über einen Trennverstärker 53 wird dann das Fehlersignal gebildet.

Fig. 15 zeigt eine bevorzugte Signalverarbeitungsschal tun:;, welche die Ausgangssignale der Wandleranordnungen 1^a, b bzw. c in geeigneter V/eise verarbeitet, bevor sio den Eingängen /f2, /|3, kh' der Schaltung nach Fig. M\ zugeführt worden.

Nach Fig. Γ; ist der Ausgang der V/andleranordnungcn 1^a, b oder c an den Eingang eines Verstärkers 5^ angelogt, dessen Ausgang mit dem einen Eingang einer Differenzbildungsstufe 55 verbunden ist. Der andere Eingang der Stufe 55 steht mit einem geerdeten Speicherkondensator 75 in Verbindung, der über einen Schalter 69 und einen Umschalter 73 wahlweise vom Ausgang des Verstärkers 54 oder von einem Mittolwertsignal M aufladbar ist, dessen Bildung im folgenden noch beschrieben wird.

An die Differenzbildungsstufe schließt sich ein Trennverstärker 56 und ein Tiefpaß 57 mit umschaltbaror Zeitkonstante an. Der Ausgang dieses Tiefpasses ist mit dem einen Eingang einer weiteren Differenzbildungsstufe 58 verbunden, deren anderer Eingang über ein Potentiometer 59 am Eingang des Tiefpasses 57 liegt. Die Schaltglieder 57, 58 bilden zusammen ein Video-Subtraktionsfilter, dessen Grenzfrequenz

Frequenzkleiner oder gleich der im Video-Signal enthaltenen Aleriiiccho ist. In diesen Stufen wird der Gleichanteil des Videosignals eliminiert, d.h. daß am Ausgang nur noch die relevante Varianz im Signal vorhanden ist.

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Der Ausgang der Differenzbildungsstufe 58 ist über einen Trennverstärker 60 an eine erste Video-Ausgangsklemme. 01 angelegt, welche das subtrahierte Video-Si/jnal abgibt, das insbesondere die Polaritätsinformation enthält.

Die erste Video-Ausgangsklemme ist weiter über eine Syinmetrierstufe 62 und einen Gleichrichter 63 sowie einen weiteren Trennverstärker 6^ an eine zweite Video-Ausgangsklenime 65 angelegt, welche den Hauptausgang der Schaltung bildet und ein gleichgerichtetes Video-Signal liefert, dar: an die Eingänge l\Z, ^3 bzw. l+l± der Schaltung nach Fig. I^ angelegt wird.

Von dem Ausgang der Differenzbildungsstufe /+5 führt eine weitere Zweigleitung über einen Trennverstärker 66 zu einer dritten Video-Ausgangsklemme 67, an die eine Steuerstufe 68 angeschlossen ist. Die Steuerstufe 68 liefert die Steuersignale TP für den Tiefpaß 57 sowie s für den Schalter 69.

Der Ausgang des Trennverstärkers 66 ist außerdem über einen Schalter 72 und einen Integrator 70 an eine vierte Video-Ausgangsklemme 71 angeschlossen, welche das Langzeit-Mittelwertsignal M für die Differenzbildungsstufe 55 liefert.

Nach Fig. 16 entsteht am Beginn einer Abtastperiode zunächst ein Dunkelimpuls 76, dem sich durch am Rand des abzutastenden Materials angeordnetes retroreflektierendes Material ein Heil-Impuls 77 anschließt. Anschließend folgt dann die Materialabtaststrecke 78, innerhalb der zwei Fehlstellen 79, 8o angezeigt werden mögen. Am Ende der Bahn folgt wieder ein durch retroreflektierendes Material hervorgerufener Heil-Impuls 81 und ein Dunkelimpuls 82.

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Die Steuerstufe 68 schließt während der Zeit 83 den Schalter69 zur Bildung der ßezugsspannung für die Differenzbildungcstufe 55. Die Aufladung des Kondensators 75 kann entweder durch den Verstärker 3h oder die Ausgangsklemme 71 erfolgen, was durch entsprechende Stellung des Umschalters 73 festgelegt wird.

Die Hellsignale 77, 81 am Beginn und Ende der Abtastperiode bewirken aufgrund der Schaltung nach Fig. 15, daß am Ausgang 65 nur das eigentliche Meßsignal erscheint, das sowohl von Umlichteinflüssen als auch von Gleichanteilen befreit ist.

Bei einem Lichtleitstabdurchmesser von 30 bis 70 mm und insbesondere 50 mm beträgt der mittlere Durchmesser der konzentrischen Ringe 13a, 13b, 13c bei Abbildung mittels eines Linsensystems 26 von 30 bis 55, 55 bis 80 bzw. 80 bis 105 mm. Die Breite der Ringe soll vorzugsweise 10 bis 20 und insbesondere 12,5 mm betragen. In diesem Falle ist die Länge der Zylinder 20a, 20b, 20c bzw. Kegelstümpfe 22a, 22b, 22c zweckmäßigerweise 100 bis 200 mm.

Hat die Reflexions-Hauptkeule des Materials einen öffnungswinkel von normalerweise größer als 2 und im Mittel 5 , so soll der dem mittleren Ring 13b zugeordnete Winkelbereich 2 bis 10 betragen, wobei die obere Grenze bevorzugt ist. Bei einer derartigen Ausbildung ist die Empfindlichkeit der Vorrichtung noch ausreichend,ohne daß sie gegen normale, zugelassene Toleranzen der Bahnoberfläche oder gegen gewisse Justierungenauigkeiten zu empfindlich ist.

Mit besonderem Vorteil läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in Kombination mit einer Vorrichtung gemäß der

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gleichzeitig eingereichten Anmeldung mit dem Titel "Vorrichtung zur Ermittlung von Fehlstellen auf der reflektierenden Oberfläche einer Bahn" (unser Aktenzeichen: S 3330) anwenden, weil hierdurch unterschiedliche Winkelbereiche in senkrecht aufeinanderstellenden Ebenen berücksichtigt werden können, die Aussagekraft der kombinierten Vorrichtung also wesentlich erhöht ist.

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Le

erseife

Claims

MANITZ, FINSTERWALD & CRÄMKOW

München, den 21.6.1977 S/Co-S 3351

ERWIN SICK GMDH
Optik-Elektronik

An der Allee 7-9,7808 Waldkirch

Vorrichtung zur Unterscheidung bestimmter Winkelbereiche bei von einer Oberfläche ausgehendem Licht

ί 1 ._; Vorrichtung zur Unterscheidung bestimmter Bereiche von ./inkeln, unter denen Lichtstrahlen von einem Punkt einer Oberfläche in einer Ebene ausgehen, mit einem Lichtleitstab, der parallel zu der Ebene angeordnet ist, mit seiner Mantelfläche die Lichtstrahlen empfängt und gegenüber der Lichteintrittsseite eine nm Kantel parallel zur Stabachse angeordnete Stufenspiege]anordnung trägt, welche das auffallende Licht unter Winkeln der Totalreflexion in das Stabinnere zurückwirft, so daß es zu einer Stirnseite des Lichtleitstabes gelangt, wo es auf unter unterschiedlichen Winkeln zur Stabachse angeordnete fotoelektrische Wandler auftrifft, deren elektrische Ausgangssignale ein Maß für den Winkel sind, unter dem das auftreffende Licht von dem Punkt auegegangen ist, wobei der Abstand der fotoelektrischen Wandler von der Lichtaustritts-Stirnfläche des Lichtleitstabes so groß ist, daß die Lichtbündel aus den zu unterscheidenden Winkelbereichen räumlich voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß von konzentrisch zur Achse (11) des kroiszylindrischen Lichtleitstabes (12) angeordneten, einander nicht überlappenden Ringen (13a,b,c) unterschiedlichen Durchmessers empfangenes Licht jeweils eine dem betreffenden Ring zugeordnete, fotoelektrische Wandleranordnung (1/fa,b,c) beaufschlagt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei bis vier und vorzugsweise drei konzentrische Ringe (13a,b,c) vorgesehen sind.

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DB. C. MANITZ · D1PL.-INC. M. FINSTERWALD DIPL. -INC. W. GRAMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

β MÖNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STRASSE I 7 STUTTGART SO I BAD CANNSTATTI MÜNCHEN. KONTO-NUMMER 7570

TEL. CO891 224211. TELEX 05 - 296 7 1 PATMF SEELBERGST*. S 3/25. TEL. (07 IIIS6 7 2 61 POSTSCHECK: MÜNCHEN 77O62-BO5

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3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η n zei cn net, daß zwischen den .Ringen (13a, b, c) mio. dor Stirnfläche (15) des Lichtleitstabes (12) licht streu -rule Mittel (16) derart angeordnet sind, dab ohne i3esoiti₍,ί.γπ; ; der eindeutigen Zuordnung zwischen Winkclbereichmi und. Ringen (1^a, t>, c) eine Auffächerung der oi au ein«.; η J.ioJiL-strahlen erfolgt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Ringen (13a, b, c) jeweils zu einer ein einziges elektrisches Ausgangssignal abgebenden fotoelektrischen Wandleranordnung (14a, b, c) zusarainengeschaltete Einzelwandler (18) in einer die Ringflache möglichst voll erfassenden Weise angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e kennzei chnet, daß auf den Ringen (13a, b, c) iliu Stirnflächen (19) von konzentrischen transparenten Hohl- bzw. Voll-Krois-Zylindern (20a, b, c) angeordnet sind, an dccuii anderen otirnflächen (21) jeweils eine fotoelektrische l/andleranordnung (14-a, b, c) vorgesehen ist.
G. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrischen Wandleranordnungen (14a, b, c) jeweils aus zusammengeschalteten, die zugeordnete Ütirni'lächo (21) insgesamt möglichst voll erfassenden tiinzclwandloru (18) besteht»
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e kennzeichnet, daß auf den Ringen (13a, b, c) die Stirnflächen (19) von konzentrischen, transparenten Hohl- bzw. Voll-Kreiskcgelstümpfen (22a, b, c) angeordnet sind, an deren anderen Stirnflächen (21) jeweils eine fotoelektrisch'; Wandleranordnung (14a, b, c) vorgesehen ist.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch g e Ic e η η. ζ c i c h net, daß die Längen der Kegelstumpfe (22a, h, c) von au^en nach innen derart abgestuft geringer sind, dal; die den einzelnen Kegel stumpf en (22a, b, c) zugeordneten Wandloranordnungen (14a, b, c) axial hi nt er ei nand er anzuordnen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch. 8, dadurch g ο k c η τι. ν. >.: i c U η e t, daß jede Wandleranordnung (14a, b, c) in einem axialen Abstand (A) von der zugeordneten Stirnfläche (21) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9» dadurch g e k e υ η zeichnet, daß jede Wandler anordnung (14.U, b, c; aus nur einem oder zwei Einzelhändlern (18) besteht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch g e k e η η ζ e ic h η e t, daß die Innenwand der Kegel stumpfe (22a, o) von der Stirnfläche (21) des nächstinneren Kegelstumpfej (22b, c) bis zu ihrer eigenen Stirnfläche (21) mit einer Verspiegelung (24) versehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch g e k e η η ζ e i c h net, daß die Außenfläche des äußersten Kegelstumpfes (22a) durch eine die Kegelstumpfform fortsetzende, eine Innenverspiegelung (24) tragende Wand (25) bis zur zugeordneten Wandleranordnung (14a) verlängert ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch g e kennzei chnet, daß die einem Kegelstumpf (22a, b,

c) zugeordnete Wandleranordnung (14a, b, c) jeweils innerhalb des Stirninnenrandes des nächstäußeren Kegelstumpfes (22a, b) angeordnet ist.

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14· Vorrichtung nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (25) so lang ist, daß ihr Stirninnenrand gleich dem Stirninnenrand der Kegelstümpfe (22a, b, c) dimensioniert ist,
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Ringen (13a,

b, c) die Stirnflächen von sich verjüngenden, transparenten Lichtleitern (49a, b, c) angeordnet sind, an deren anderen Stirnseiten sich.die fotoelektrischen Wandleranordnungen befinden.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (19) Kreisringausschnitte sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedem Ring (13a, b, c) vier bis acht, vorzugsweise sechs gleichmäßig auf dem Umfang verteilte Lichtleiter (49a, b, c) angeordnet sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (49a, b, c) auf der Lichteintrittsseite innen aneinander angrenzen.
19· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (49a, b, c) auf der Lichteintrittsseite außen einen Abstand aufweisen.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 und I9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den auf einem Umfang liegenden Lichtleitern ein Zwickel von vorzugsweise etwa vorliegt.

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21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (If9a_t b, c) sich im radialen Schnitt wesentlich weniger als im Schnitt entlang einer Umfangsebene verjüngen.
22.Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche der Lichtleiter (if9a, b, c) Kreiszylinderausschnitte sind.
23. Vorrichtung nach Anspruch ZZ, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche der Lichtleiter 0t9a, b, c) leicht konisch auf vorzugsweise die Hälfte der ursprünglichen radialen Stärke zusammenläuft.
Zi\. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis ZZ₁ dadurch gekennzeic hnet, daß die Stirnfläche (19) der Lichtleiter (if9a_t b, c) Kreisringausschnitte sind.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis Zl^₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (*t9a, b, c) sich im Schnitt entlang einer ümfangsflache auf 1/3 bis 1/7_t vorzugsweise 1/5 der ursprünglichen Breite der Eintrittsfläche (19) verjüngen.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 2/f, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung in beiden Ebenen unter Berücksichtigung der Länge gerade so groß gewählt ist, daß die an der Eintrittsstirnseite (I9) eintretenden Lichtstrahlen bei optischem Kontakt mit den Fotowandlern (18) weitgehend vollständig an der anderen Stirnseite austreten.
27. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Einzelwandler (18) gleich dimensioniert und ausgebildet sind.

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28. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ringen (1.3a, b, c) und der Stirnfläche (15) des Lichtleitstrahl: (12) ein Linsensystem (26) angeordnet ist.
29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem (26) das unter bestimmten Winkeln zur Achse (11) aus dem Lichtleitstab (12) austretende Licht auf die einzelnen Ringe (13a, b, c) konzentriert.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 27 und Anspruch 17, dadurch ge kennzeichne t, daß das Linsensystem (26) das Licht unter einem möglichst geringen Winkel zum Mantel der Zylinder (20a, b, c) bzw. Kegelstürnpfe (22η, b, c) bzw. Lichtleiter (*t9a, b, c) auf deren Stirnflächen (19) lenkt.
31. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufanspic.el anordnung (17) aus in einer Ebene senkrecht zur Stabachse konvex gekrümmten Einzelspiegeln (2.7) besteht.
32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexe Krümmung derart ist, daß ein auf die Einzelspiegel (.27) auf treffendes paralleles Lichtbündel nach der Reflexion in der Krümmungrobenο auf 10° bis 90°, vorzugsweise 50° aufgefächert ist.
33. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichne t, daß in Abhängigkeit von der Brennweite bei einem Lichtleitstabdurchmesser von 30 bis 70 mm, insbesondere 50 mm» der mittlere Durchmesser der konzentrischen Ringe (13a, b, c) zwischen 20 und 55» 55 und 80 bzw. 80 und 105 mm beträgt.

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34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch g e k ο η η zeichnet, daß die Breite der Ringe (13a, b, c) 10 bis 20 und vorzugsweise 12,5 mm beträgt.
3^cj. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 3'+, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Zylinder (20a, b, c) bzw. Kegelstümpfe (22a, b, c) bzw. Lichtleiter (49a, b, c) 100 bis 200 mm beträgt.
3f>. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Ring (13b) den Hauptanteil der Reflexionshauptkoule der Oberfläche der Bahn (37) erfaßt.
37- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erkennung von Fehlstellen auf einem reflektierenden Material mit einer Indikatrix mit ausgeprägter Reflexions-Hauptkeule und schwachen Reflexions-Nebenzipfe.ln, bei der ein scharf gebündelter Lichtstrahl die Material-Oberfläche kontinuierlich abtastet, der Lichtleitstab parallel zur Bahnoberfläche und zur Abtastrichtung angeordnet ist und mit seiner Mantelfläche das von der Oberfläche reflektierte Licht zumindest teilweise erfaßt, dadurch g e k e η η · zeichnet, daß zwei einen radialen Abstand aufweinenden, unterschiedlichen Ringen (13a, c) zugeordnete fotoelektrische V/andleranordnungen 04a, c) an eine Differenzbildungsstufe (28) angeschlossen sind.
38. Vorrichtung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Differenzbildungsstufe (28) an ein Video-Subtraktionsfilter (30) angeschlossen ist.
39· Vorrichtung nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß dem Video-Subtraktionsfilter (30) ein Analog-Digital-Wandler (31) folgt.

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40. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 37 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß eine einem zwischen den beiden fingen (13a, c) angeordneten Ring (13b) zugeordnete fotoelektrische V/andleranordnung O4b) an eine Differenzbildungsstufe (32) angeschlossen ist, deren zweitem Eingang ein aus den Signalen der beiden anderen Wandleranordnungon O4a, c) gebildetes Summensignal zugeführt ist.
. Vorrichtung nach Anspruch 40, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t, daß der Ausgang der Differenzbildungsstufe (32) an ein Video-Subtraktionsfilter (34) angeschlossen ist.
42. Vorrichtung nach Anspruch 4I, dadurch gekennzeichnet, daß dem Video-Subtraktionsfilter (34) ein Analog-Digital-Wandler (35) folgt.
43. Vorrichtung nach Anspruch 39 und 42, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Analog-Digital-V/andler (51, 35) mit den beiden Eingängen eines ODER-Gatters (36) verbunden sind.
44- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 36 zur Erkennung von Fehlstellen auf einem reflektierenden Materia] mit einer Indikatrix mit ausgeprägter Reflexions-Hauptkeule und schwachen Reflexions-Nebenzipfeln, bei der ein scharfgebündelter Lichtstrahl die Materialoberfläche kontinuierlich abtastet, der Lichtleitstab parallel zur Bahnoberfläche und zur Abtastrichtung angeordnet ist und mit neiner Mantelfläche das von der Oberfläche reflektierte Licht zumindest teilweise erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale (42, 43, 44) der drei V/andleranordnungen (14a, b, c) einer Mischstufe (52) zugeführt sind und das Fehlersignal an dem Ausgang eines daran angesch]ossenen Trennverstärkers (53) abgenommen wird.

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45. Vorrichtung nach Anspruch 44, dadurch /cekon ti zeichnet, daß die Mischstufe (.52) die drei Ausgangssignale (/+2, 43, Vf) addiert.
if6. Vorrichtung nach Anspruch /f5 uder 45, dadurch π e kennzeichnet, daß das Ausgangssigna] (42, 4'> bzw. 44) jeder V/andleranordnung (14a, b, c) über einen Verstärker (54), eine Differenzbildungsstufe (55) und einen Trennverstärker (56) an einen aktiven Tiefpaß (57) mit umschaltbarer Zeitkonstante angelegt ist, dessen Ausgang an eine Differenzbildungsstufe (58) angelegt int, deren anderem Eingang über ein Potentiometer (.59) die Eingangsspannung des Tiefpasses (57) zugeführt ist und deren Ausgang über einen weiteren Trennvers ärker (GO) an eine erste Video-Ausgangsklemme (61) angelegt ist.
47. Vorrichtung nach Anspruch 46, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t, daß in der Differenzbildungsstufe (55) die Differenz zwischen dem Momentanwert des Videosignale und einem Mittelwert desselben über eine oder mehrere Abtastperioden gebildet wird.
48. Vorrichtung nach Anspruch 46 oder 47, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Video-Ausgangsklemme (61) an eine Symmetrierstufe (62) angelegt ist, die über eine Gleichrichterstufe (63) und einen weiteren Trennverstärker (64) zu einer zweiten Video-Ausgangskler.ime <65) führt.
49. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 46 oder 47, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der ersten Differenzbildungsstufe (55) über einen weiteren Trennverstärker (66) zu einer dritten Video-Ausgangsklemme (67) führt.

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50. Vorrichtung nach Anspruch 49, dadurch g ο k ο η η zeichnet, daß an die dritte Video-Ausgangskler.-ime (67) eine Steuerstufe (68) angeschlossen ist, welche die Steuersignale (s,TP) für den Mittelwertschalter (69) und den Tiefpaß (57) liefert.
. Vorrichtung nach Anspruch 49 oder 50, dadurch ,'" e kennzeichnet, daß der weitere Trennverstärker (66) über einen Langzeit integrator (70) an eine vierte Video-Ausgangsklemme (71) angeschlossen ist.
52. Vorrichtung nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Video-Ausp.'an.rsklemi.ie (71) über einen Umschalter (73) an den Nittelwertoinganf; der ersten Differenzbildungsstufe (55) anschließbar ist.

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