DE2727927C3

DE2727927C3 - Vorrichtung zur getrennten Erfassung von Lichtstrahlen

Info

Publication number: DE2727927C3
Application number: DE2727927A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Phys. Dr. 8000 Muenchen Hartmann; Heinz Dipl.-Ing. 8031 Stockdorf Henneberger; Erwin 8021 Icking 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: 1980-01-24
Also published as: GB1598245A; DE2727927A1; IT1095198B; DE2727927B2; JPS548582A; IT7824266A0; US4200397A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem w Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE-PS 32 603) wird insbesondere ein Lichtleitstab mit rechteckigem oder kreisförmigem Querschnitt verwendet, um eine eindeutige Zuordnung zwischen Eintritts- . > winkeln und beaufschlagtem photoelektrischen Wandler zu erzielen. Aufgrund der räumlichen Ausdehnung der einzelnen Photowandler besteht keine strenge Zuordnung zwischen Wandlern und Winkeln, sondern lediglich bestimmten Winkelbereichen. deren Größe w) von der Ausdehnung der photoelektrischen Wandler und deren Abstand von der Stirnfläche des Lichtleitstabes abhängt. Bei der bekannten Vorrichtung sind die photoelektrischen Wandler in Form einer Flächenmatrix angeordnet, um eine Unterscheidung nach mögliehst vielen in unterschiedlichen Ebenen liegenden Winkeln zu ermög'ichen. 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 evtl. Lufteinschlüsse können die beabsichtigte eindeutige Zuordnung empfindlich 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 Wandlermatrix.

Aus der DE-OS 24 24 838 ist eine Lichtdetektoranordnung bekannt die es gestattet auch die in den sog. »langsamen Moden« durch einen Lichtleiter übertragenen Signale mit den »schnellen Moden« der Signalübertragung durch den Lichtleiter zur Erzielung eines intensiveren Siqnales zu vereinigen. Da den einzelnen Moden bestimmte Austrittswinkel aus der Endfläche des Licht'eiters zugeordnet sind, werden hierzu konzentrische Anordnungen von L',. iitdetektoren verwendet, deren Ausgangssignaie über uep Laufzeitunterschieden der einzelnen Moden entsprechende Verzögerungsleitungen so zusammengefaßt werden, daß die korrekte Phasenbeziehung zwischen den erhaltenen Signale λ wieder hergestellt ist Die Verzögerungsleitungen müssen dabei der Länge der Lichtwege angepaßt werden. Es ist dabei Voraussetzung, daß der Lichtleiter seine bei der Anpassung zugrundegelegte Form einnimmt und beibehält, da geometrische Veränderungen des Übertragungswegs entsprechende Veränderungen der Reflexionsstellen nach sich ziehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute, wirtschaftlich herstellbare Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, weiche durch Beschränkung auf die Unterscheidung nur weniger Bereiche von Winkeln, die alle in einer die Stabachse enthaltenden Ebene liegen, eine eindeutige Zuordnung zwischen den Winkelbereichen u.'d den photoelektrischen Wandlern auch dann noch gestattet, wenn der Lichtleitstab nicht den höchsten optischen Ar./orderungen genügt und Kreisquerschnitt hat. Ein kreisrunder Lichtleitstab ist wesentlich wirtschaftlicher herstellbar als ein Lichtleitstab mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. 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 de^r Wand des Lichtleitstabes nicnt erne'.'t auf die Stufenspiegelanordnung auftrifft. Diese Voraussetzung kann entweder durch einen schräg auf die Stufenspiegeb.nordnung auftreffenden schart gebündelten Lichtstrahl oder durch ein die gesamt·; Apertur des Lichtleitstabes ausnützendes, auf die Stufenspiegelanordnung konzentriertes Lichtbünde' 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 Winkelbereichen in einer die Stabachse enthaltenden Ebene und Verwendung eines Lichtleitstabes mit kreisförmigem Querschnitt auf einfache Weise eine

eindeutige Zuordnung zwischen Wenigen benachbarten Winkelbereichen und entsprechend wenigen photoeiektrischen Wandleranordnungen erzielt werden kann. Diese eindeutige Zuordnung ist unverändert gegeben, ob der in den Lichtleitstab einfallende Lichtstrahl nahe oder fern von der Lichtaüstrittsfläche des Lichtleitstabes eintritt.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

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

F i g. 1 eine schematische Seitenansicht einer Lichtempfangsanordnung, bei der ein Lichtleitstab verwendet wird,

Fig. 2 einen Schnitt nach Linie ΙΙ-Π in Fig. 1,

F i g. 3 eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht einer sehr einfachen Ausführungsform,

F i g. 4 eine Ansicht nach Linie IV-IV in F i 5.3,

F i g. 5 eine teilweise geschnittene schematische Seitenansicht einer weiteren AusiünfüfigSiöfiii, ZG

F i g. 6 eine Ansicht nach Linie VI-VI in F i g. 5,

F i g. 7 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer besonders bevorzugten Ausführungsform,

F i g. 8 eine nach Linie VIH-VIII in Fi g. 7,

F i g. 9 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer weiteren, ganz besonders bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 10 eine perspektivische Darstellung des Lichtkonzentrationsteils der Ausführungsform nach F i g. 9,

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

Fig. 12 eine schematische Veranschaulichung des Anschlusses der Austrittsstirnflächen der Lichtleiter über Lichtleitfasern an einen gemeinsamen photoelekirischen Wandler,

Fig. 13 eine bevorzugte Schaltungsanordnung für eine Ausführungsform mit drei photoeiektrischen Wandleranordnungen,

Fig. 14 eine weitere bevorzugte Schaltungsanordnung für eine Ausführungsform mit drei photoeiektrischen Wandleranordnungen,

Fig. 15 eine bevorzuete SiEnalverarbeitungsschaltung für die Signale der einzelnen photoeiektrischen Wandleranordnungen und

Fig. 16 ein Schematisches Diagramm des zeitlichen Verlaufs des am Eingang der Schaltungsanordnung nach Fig. 15 anstehenden Video-Signals bei Annahme von zwei entgegengesetzte Ausschläge hervorrufenden Fehlern. so

Nach F i g. 1 und 2 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 Weise erzeugter Laserstrahl 38 fällt in einer die Fortpflanzungsrichtung F enthaltenden Ebene unter einem Winkel « auf die Oberfläche der Bahn 37 auf. Nach Fig.2 führt der Laserstrahl 38 in Richtung des Doppelpfeiles /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 / und Fortpflanzungsrichtung Fder Bahn 37 stehen senkrecht aufeinander.

Das Licht des Laserstrahls 3» wird unter dem Reflexionswinkel « von der Oberfläche der Bahn 37 zu einer Zylinderlinse 39 reflektiert, dies sich parallel zur Abtastrichlung /und zur Bahn 37 relativ nahe ah dieser erstreckt. Da es sich jedoch bei der Oberfläche der Bahn 37 nicht um einen Spiegel sondern um eine reflektierende Oberfläche mit einer Reflexionü-Hauptkeule und schwachen Reflexions-Nebenzipfeln handelt, geht von dem Auftreffpünkt P ein Lichtbündel aus, wie das in Fig, 1 veranschaulicht ist. Die Zylinderlinse 39 konzentriert das empfangene Lichtbündel aul'die Apertur eines parallel zu ihr angeordneten Lichtleitstabes 12 mit parallel zUf Zylinderlinse 39 angeordneter Achse 11. An der der Lichteintrittsmantelseite gegenüberliegenden Fläche weist Lichtleitstab 12 eine Stufenspiegelanordhung 27 auf, deren Einzelspiegel einen solchen Winkel mit der Stabachse 11 einschließen, daß auf die auftreffendes Licht unter Winkeln deir Totalreflexion in das Innere des Lichtleitstabes 12 zurückgeworfen werden. Nach F i g. 1 sind die Stufenspiegel in Ebenen senkrecht zur Stabachse 11 kovex gekrümmt, so daß ein

».-..ti-i f.~-fr i_« t :„i.«i-f* i_i L. _j__ n_ri :

pmttiici auiiiciicnuca i_iiLmuuiiuci mim uci ixgiicaiihi auf einen Winkel γ aufgefächert ist Dadurch, daß das Licht gemäß F i g. 1 unter unterschiedlichen Winkeln 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 konvergierendes·. Verlaufs des nach Fig. 1 in den Stab 12 eintretenden Lichtbündels 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 Totalreflexion an den Wänden des Lichtleitstabes 12 nicht erneut auf die Stufenspiegelanordnung 17 fällt, wie das in F i g. 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 Abknikkungen könnten mit der Vorrichtung ermittelt werden.

In F i g. 2 sind zwei Fehlstellen 40, 41 schematisch wiedergegeben, von denen die eine eine Ablenkung des reflektierten Strahls nach rechts unter einem Winkel «1, die andere eine Ablenkung des reflektierten Strahls nach links unter einem Winkel <%2 bewirken möge. Wie aus F i g. 2 ersichtlich, treten die an den Fehlstellen 40, 41 unterschiedlich reflektierten Lichtstrahlen unter unterschiedlichen Winkeln ßi bzw. /?2 aus dem Lichtleitstab aus. Diese Tatsache wird bei der Vorrichtung für die Fehlererkennung ausgenutzt Durch die Auffächerung des Eintrittslichtstrahls in der Ebene der F i g. 1 werden die Austrittswinkel ßu /?2 relativ zur Stabachse il nicht verändert Sie liegen aber in unterschiedlichen parallel zur Achse 11 verlaufenden Eibenen. Das unter einem bestimmten Winkel (z. B. αϊ, cc?) in der Ebene der F i g. 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

IO

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gewissen axialen Abstand von der Stirnseite auf zur iStabachse 11 konzentrischen Ringen verteilt wird* Jeder Ring, dessen Breite von dem Stabdurchmesser abhängt, ist einem Winkel («i₍ α?) zugeordnet.

Zum Empfang des zu den einzelnen Ringen gelangenden Lichtes sind nach den Flg.3 und 4 in iSinem bestimmten Abstand von der Stirnfläche 15 des iLichtleitstabes 12 entlang von zueinander und zum Stab 112 konzentrischen, einander nicht überlappenden Ringen 13a, 130, 13c photoelektrische Wandleranordiiungen 14a, 146,14c Vorgesehen, Der innere Ring kann gemäß der Darstellung in den Fig.3 und 4 auch als Vollkreis 14c ausgeführt sein.

Jede Wandleranordnung 14a, 146bzw. 14cbesteht 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 üargesieüicii Anordnung liegen
elektrische Ausgänge 42,43 bzw. 44 vor.

Bevorzugt werden die in der Ebene der F i g. 3 parallelen Bündel durch eine im Abstand ihrer Brennweite von den Ringen 13a, 136 bzw. 13c angebrachte Linse 26 bzw. ein Linsensystem auf die Wandleranordnungen 14a, 146 bzw. 14c konzentriert, was in F i g. 3 durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Hierdurch wird die Winkeltrennung wesentlich verbessert, weil einem Einfallswinkel («ι, Λ2) eine zur Stabachse 11 konzentrische Lichtlinie in der Ebene der Ringe 13a, 13öbzw. 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 vorgesehen ist.

Bei Vorhandensein der Linse 26 empfängt jeder der konzentrischen Ringe 13a, 136 bzw. der Innenkreis 13c Licht aus einem vorbestimmten Winkelbereich in der Ebene der F i g. 2. Der Kreis 13c nach F i g. 3 und 4 empfängt dabei das gemäß Fig.2 am meisten nach rechts reflektierte Licht (Fehlstelle 401 während der äußere Ring 13a das gemäß Fig.2 am weitesten abgelenkte Licht aufnimmt (Fehlstelle 41). Der mittlere Ring 136 empfängt Licht, sofern sich keine Fehlstelle an der Oberfläche der Bahn 37 befindet

Auf diese Weise empfängt bei fehlerfreier Oberfläche nur der Ring 136 Licht, während die Ringe bzw. der Kreis 13a, 13c dunkel sind. Der Ring 136 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. Ibis 4.

Nach den Fig.5 und 6 sind im Bereich der Lichtempfangsringe 13a, 136 bzw. des Lichtempfangskreises 13c die Stirnflächen 19 von zueinander konzentrischen, transparenten Hohlzylindern 20a, 206 bzw. eines Vollzylinders 20c angeordnet An den Austrittsflächen der Zylinder 20 befinden sich analog wie bei dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 3 und 4 die aus Einzelwandlern 18 bestehenden photoelektrischen Wandleranordnungen 14a, 146 bzw. 14a 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, 136,13c führt zu einer Vergleichsmäßigung des Lichtstroms, so daß die Wandleranordnungen 14a, 146 und 14c 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.7 wird das aus dem Lichtleitstab 12 austretende Licht durch ein Linsensystem 26 und gegebenenfalls eine Lichtstreuanordnung 16 auf die

aisu drei ZO Stirnseiten 13 vüfi liufiZcilirisCii ZUciiiunucr ärigcöruiic-

ten, ineinandergeschachtelten, transparenten Kegelstümpfen 22a, 226, 22c unterschiedlicher Länge gerichtet. Das Linsensystem 26 sorgt dabei nicht nur für eine Konzentration des Lichtes auf den 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 F i g. 5 und 6 vorteilhaft

Die einzelnen Kegelstümpfe 22a, 6, 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, 226 nur wenige Einzelwandler 18 angeordnet zu werden brauchen, die das gesamte, aus dem nächstinnenliegenden Kegelstumpf austretende Licht empfangen. Eine Innenverspiegelung 24 zwischen der Stirnfläche 21 des nächstinnenliegenden Kegelstumpfes und der Stirnfläche 21 gewährleistet daß aus den Stirnflächen 21 austretendes Licht durch Reflexion an dieser Innenverspiegelung 24 vollständig zu den zugeordneten photo- . elektrischen Wandlern 18 gelangt Die Wandler könneri aber auch analog F i g. 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 Kegelstümpfe 22 gleich dimensioniert ist Auch das Innere der Wand 25 ist mit einer Innenverspiegelung 24 versehen. An ihrem Ende befindet sich ein weiterer Einzelwandler 18.

Die sechs aus F i g. 7 ersichtlichen Einzelwandler 18 sind also auf der Achse 11 hintereinander angeordnet und empfangen jeweils das Licht aus einem der drei ineinandergeschachtelten Kegelstümpfe. Es ist also nur die Zusammenschaltung von weniger Einzelwandlern 18 zu einer photoelektrischen Wandleranordnung als bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen nach den Fig.3 bis 6 erforderlich. Durch die beschriebene Ausbildung wird überdies eine sehr kompakte, räumlich wenig aufwendige Anordnung erzielt Der Kegelwinkel der Kegelstümpfe ist so zu wählen, daß unter Berücksichtigung des LichteinfaJlswinkeis eine einwandfreie Weiterleitung des eingefallenen Lichtes

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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 :14c fernzuhalten.

Eine ganz besonders bevorzugte Ausführungsform zeigen die F i g\ 9 bis 12. Die das Licht von den Ringen 13a, 13f>bzw. 13c abnehmende Vorrichtung besteht hier aus einzelnen Lichtleitern, die in der insbesondere aus den Fig. 10 und 11 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, 136 bzw. 13c einnimmt. Die einzelnen Lichtleiter sind zu Ringanordnungen 48a, 486 bzw. 48c zusammengefaßt.

Auf einem Umfang befinden sich jeweils sechs Lichtleiter.

Jeder Lichtleiter verjüngt sich von der Eintrittsstirnfläche 19 aus bis auf eine relativ kleine Fläche 51, an der gemäß F i g. 9 jeweils zwei Einzelwandler 18 angebracht sind.

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

Sämtliche Einzelwandler 18 jeder Ringanordnung 48a, 486 bzw. 48c sind analog wie bei den vorangegangenen Ausfühmngsformep. zu photoelektrischer. Wandleranordnungen 14a, 146 bzw. 14c zusammengeschlossen, so daß wieder drei jeweils ein elektrisches Ausgangssignal liefernde Ausgänge 42,43,44 vorliegen.

Wie insbesondere aus den Fig. 10 und 11 ersichtlich ist, bilden die Innenflächen der Lichtleiter 49a, 496, 49c Ausschnitte aus Mantelflächen von Kreiszylindern. 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 Umfangsflärhpn rplativ narallpl pinCjIlt cn HaR trnty 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 unterschiedlichen 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 F i g. 9 deutlich ersichtlich.

Die kronenartige Anordnung der Lichtleiter nach den Fig.9 bis 12 trägt also den Lichteintrittsverhältnissen bei der Anordnung optimal Rechnung. Insgesamt sind die Verjüngungswinkel danach zu wählen, daß an der Stirnseite 19 eintretendes Licht vollständig bei 51 austritt und nicht durch zu starke Verjüngungswinkel letztlich in sich zurückreflektiert wird. Bei 51 ist jeweils ein optischer Kontakt mit dem Wandler erforderlich.

Ein besonderer Vorteil der kronenartigen Ausbildung der Lichtkonzentrationsvorrichtung nach den F i g. 9 bis 12 besteht darin, daß an die relativ kleinen Stirnflächen 51 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, faserförmigen Lichtleiter ohne weiteres nach außen geführt werden. Dies gilt auch für die inneren Ringanordnungen 486 und 48c.

Anhand von Fig. 12 ist beispielsweise veranschaulicht, wie von den Austrittsstirnseiten 51 der äußeren Lichtleiter 49a Lichtleitfasern 74 zu jeweils einem Einzelwandler 18 geführt werden können. Grundsätz-Hch können sämtliche, von einer Ringanordnung 48 ausgehende Lichtleitfasern einem einzigen kleinen Multiplier zugeführt werden. Bevorzugt ist es jedoch, wenn mehrere parallel geschaltete Einzelwandler (Dioden) 18 vorgesehen sind, von denen jeder einer Lichtleitfaser 74 zugeordnet ist.

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

Weiter ist es erforderlich, daß an den Stirnseiten 51 zwischen den dort direkt angeordneten photoelektrischen Wandlern 18 oder den Lichtleitern 14 ein optischer Kontakt vorliegt. Durch die Anordnung nach den F i g. 9 bis 12 erfolgt eine echte Lichttransformation. Bei der Wahl des Verjüngungswinkels ist die bekannte Beziehung

F ■ sin² u = F' ■ sin² »' = const.
zu berücksichtigen, wobei F die Eintrittsfläche des Lichtleiters und u der Eintrittswinkel und F' die Austrittsfläche sowie u'der Austrittswinkel des Lichtes sind.

Die Ausgänge 42, 43 und 44 der photoelektrischen Wandleranordnungen 14a, 14£> bzw. 14c sind nach Fi g. 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 einerr 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, weiche gegebenenfalls über ein Dämpfungsglied 45 an eine weitere Differenzbildungsstufe 32 angeschlossen ist, deren anderem Eingang das verstärkte Ausgangssignal der inneren photoelektrischen Wandleranordnung 146 zugeführt ist

Das Ausgangssignal der Differenzbildungsstufe 32 wird wieder über einen Video-Subtraktions-Filter 34 an einen weiteren Analog-Digital-Wandler 35 angelegt

Die Differenzbildung in den Stufen 28, 32 dient der Eliminierung des Einflusses von Streu- oder Grundücht In den Video-Svbtraktions-Filtern 30, 34 wird der Mittelwert des 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 I-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 146 und am Ausgang des Wandlers 35 entsteht ein Fehlersignal, das über das ODER-Gattef 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 t4a oder die Wandleranordnung t4c Licht, Was zu einem Fehlersignal am Ausgang des Wandlers 31 führt, das ebenfalls über das ODER-Gatter 36 abnehmbar ist Falls erwünscht können bei 46,47 die der Dunkelfeldanordnung bzw. Hellfeldanordnung entsprechenden Signale gesondert abgenommen werden.

F i g. 14 zeigt eine weitere mögliche Zusammenschaltung der Ausgangssignale der photoelektrischen Wand-Hauptausgang der Schaltung bildet und ein gleichgerichtetes Video-Signal liefert, das an die Eingänge 42'* 43' bzw. 44' der Schaltung nach F i g. 14 angelegt wird. Von dem Ausgang der Differenzbildungsstüfe 55 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 5 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 F i g. 16 entsteht am Beginn einer Abtastperio-"de zunächst ein Dunkelimpuls 76, dem sich durch am Rand des abzutastenden Materials angeordnetes reforeflektierendes Material ein Heil-Impuls 77 anschließt. Anschließend folgt dann die Materialabtaststrecke 78,

!sränordnungen. Die Ausgänge 42', 43', 44' sind über 20 innsrhsib der zwei Fehlstellen 79 SQ an^ezsi^t wer^^

Wiederstände an eine Mischstufe 52 angelegt, welche eine beliebige Mischung der Signale, vorzugsweise jedoch ihre Addition vornehmen kann. Über einen

■1 Trennverstärker 53 wird dann das Fehlersignal gebildet.

,ζ Fig. 15 zeigt eine bevorzugte Signalverarbeitungs-

"' schaltung, weiche die Ausgangssignale der Wandleran-

*'■ Ordnungen 14a, bbzw. ein geeigneter Weise verarbeitet,

■'J bevor sie den Eingängen 42', 43', 44' der Schaltung nach

S Fig. 14 zugeführt werden.

!, Nach F i g. 15 ist der Ausgan? der Wandleranordnun-

.gen 14a, b oder c an den Eingang eines Verstärkers 54 angelegt, dessen Ausgang mit dem einen Eingang einer f., Differenzbildungsstufe 55 verbunden ist. Der andere

Eingang der Stufe 55 steht mit einem geerdeten J; Speicherkondensator 75 in Verbindung, der über einen

_v Schalter 69 und einen Umschalter 73 wahlweise vom

Ausgang des Verstärkers 54 oder von einem Mittelwert-

S| signal Maufladbar ist, dessen Bildung im Folgenden noch

|| beschrieben wird.

An die Differenzbildungsstufe schließt sich ein

Trennverstärker 56 und ein Tiefpaß 57 mit umschaltba-

rer 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 kleiner

oder gleich der im Video-Signal enthaltenen Frequenz-

Ü Gemische ist In diesen Stufen wird der Gieichanteil des

Videosignals eliminiert, d. h. daß am Ausgang nur noch die relevante Varianz im Signal vorhanden ist

Der Ausgang der Differenzbildungsstufe 58 ist über einen Trennverstärker 60 an eine erste Video-Ausgangsklerome 61 angelegt, welche das subtrahierte Videosignal abgibt, das insbesondere die Polaritätsinformation enthält

Die erste Video-Ausgangsklemme ist weiter über eine Symmetrierstufe 62 und einen Gleichrichter 63 sowie einen weiteren Trennverstärker 64 an eine zweite Video-Ausgangsklemme 65 angelegt, welche den mögen. Am Ende der Bahn folgt wieder ein durch retroreflektjerendes Material hervorgerufener Heil-Impuls 81 und ein Dunkelimpuls 82.

Die Steuerstufe 68 schließt während der Zeit 83 den Schalter 69 zur Bildung der Bezugsspannung für die Differenzbildungsstufe 55. Die Aufladung des Kondensators 75 kann entweder durch den Verstärker 54 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, 136, 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 iis 20 und insbesondere 12,5 mm betragen. In diesem Falle ist die Länge der Zylinder 20a, 206, 20c bzw. Kegelstümpfe 22a, 226, 22c zweckmäßigerweise 100 bis 200 mm.

Hat die Reflexions-Hauptkeule des Materia's einen öffnungswinkel von normalerweise größer als 2° und im Mittel 5°, so soll der dem mittleren Ring 136 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 Justierungsgenauigkeiten zu empfindlich ist.

Mit besonderem Vorteil läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in Kombination mit einer Vorrichtung gemäß der deutschen Patentanmeldung 27 27 926.1 anwenden, weil hierdurch unterschiedliche Winkelbereiche in senkrecht aufeinanderstellenden Ebenen berücksichtigt werden können, die Aussagekraft der kombinierten Vorrichtung also wesentlich erhöht ist

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur getrennten Erfassung von Lichtstrahlen, die unter verschiedenen Winkeln von einer mit einem Lichtpunkt entlang einer Geraden * abgetasteten Oberfläche ausgehen, mit einem parallel zu der Geraden ausgerichteten, von den Lichtstrahlen beaufschlagten kreiszylindrischen Lichtleitstab, auf dessen der Lichteintrittsseite gegenüberliegendem Bereich der Mantelfläche par- w aliel zur Stabachse eine Stufenspiegelanordnung vorgesehen ist, durch welche in den Lichtleitstab eingedrungenes Licht unter Totalreflexionswinkeln auf die Innenseite der Mantelfläche des Lichtleitstabs gelenkt wird, mit einer Anzahl von gegenüber " einer Stirnseite des Lichtleitstabs unter unterschiedlichen Winkeln zur Stabachse angeordneten fotoelektrischen Wandlern zur Erzeugung von separaten, für die Intensität des in unterschiedliche Richtungen aus der Stirnseite jeweils austretenden I ichts repräsentieren Ausgangssignaien, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (18) zum getrennten Empfang der Lichtströme angeordnet sind, welche jeweils durch einander nicht überlappende konzentrisch zur Stabachse (11) verlaufende Ringzonen (13a, 13Z>, 13cjtreten.

2. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (18) zum getrennten Empfang der durch zwei, drei oder vier Ringzonen (13a, b, (^tretenden Lichtströme angeordnet sind. »'

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Stirnfläche (15) des Lichtleitstabs (12) und den überwachten Ringzonen (13a, b, c^'ichtstr jende Mittel (16) zum Ausgleich von Unterschieden der Intensitätsvertei- » lungen innerhalb der einzelner "ingzonen (13a, b, c) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (18) jeweils innerhalb der Ringzonen (13a. b, c) -to derart verteilt angeordnet sind, daß die lichtempfindlichen Flächen der Wandler die Ringzonen möglichst vollständig einnehmen, und daß die zu jeweils einer Ringzone (13a, b, c) gehörenden Wandler (18) zu einer ein einziges Ausgangssignal 4¹» liefernden Wandlergruppe (14a bzw. 14i> bzw. 14c,) zusammengeschaltet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringzonen (Ua, b,

c) durch die konzentrischen Stirnflächen (19) von ^r>» transparenten Hohlkreiszylindern (20a, b) sowie eines Vollkreiszylinders (2Oe,) gebildet sind, die ineinander geschoben auf der Stabachse (11) des Lichtleitstabs (12) angeordnet sind und deren anderen Stirnflächen (21) jeweils eine Gruppe (14a, ·^Γ> b,c)der Wandler (18) zugeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Wandler (18) einer jeden Gruppe (14a, b, c) die zugeordnete Stirnfläche (21) jeweils im wesentlichen ganz erfassen. M)

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringzonen (13a, b, c) durch die konzentrischen Basisstirnflächeri (19) transparenter ineinandergeschobener Hohl-Kreiskegelstümpfe (22a, b, c) gebildet sind, die auf der Stabachse (11) angeordnet sind und deren anderen Stirnflächen (21) jeweils eine Gruppe (14a, b, c)der Wandler (18) zugeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhen der Kegelstümpfe (22a, b, c) derart abgestuft sind, daß die den einzelnen Kegelstümpfen (22a, b, c) zugeordneten Wandlergruppen (14a, b, c) axial hintereinander angeordnet werden können.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wandlergruppe (14a, b, c) in einem axialen Abstand (A) von der zugeordneten Stirnfläche (21) angeordnet ist

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wandlergruppe (14a, b, c) aus nur einem oder zwei Einzelwandlern (18) besteht

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand eines jeden Kegelstumpfes (22a, b) von der anderen Stirnfläche (21) des nächstinneren Kegelstumpfes (22b, c)b\s zu seiner eigenen anderen Stirnfläche (21) mit einer Verspiegelung (24) versehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des äußersten Kegelstumpfes (22a,J durch eine die Kegelstumpfform fortsetzende, eine Innenverspiegelung (24) tragende Wand (25) bis zur zugeordneten Wandlergruppe (14a^ verlängert ist

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß die anderen Stirnflächen (21) und die entsprechende stirnseitige Öffnung der Wand (25) gleichen Innendurchmesser aufweisen.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wandlergruppe (14a, b, c) jeweils innerhalb des Innenrandes der anderen Stirnfläche (21) des nächstäußeren Kegelstumpfes (22a, ty angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der zu überwachenden Ringzonen (13a, b, c) die Stirnflächen von jeweils mehreren, sich verjüngenden, transparenten Lichtleitern (49a, b, c) angeordnet sind, deren anderen Stirnseiten (51) die fotoelektrischen Wandler (18) zugeordnet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (19) Kreisringausschnitte sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ringzone (13a, b. c) vier bis acht, vorzugsweise sechs gleichmäßig auf dem Umfang verteilte Lichtleiter (49a, b. c) zugeordnet sind

18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (19) der Lichtleiter (49a, b, c) jeder Ringzone am Innenumfang der Ringzone aneinander angrenzen.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (19) der Lichtleiter (49a, b, c) jeder Ringzone am Außenumfang der Ringzone einen Abstand zueinander aufweisen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,daß zwischen den in einer Ringzone liegenden Stirnflächen ein Zwickel von vorzugswei= se etwa 15° liegt.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Lichtleiter (29a, b, c) in Richtung des Radius der Ringzonen weniger als in dazu senkrechter Richtung verjüngen.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch

gekennzeichnet, daß die Innenflächen der Lichtleiter (49a, b, c) achsparallele Ausschnitte der Mantelflächen von Kreiszylindern sind.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen der Lichtlei- <> ter (49a, b, c) leicht gegen die Innenflächen geneigt sind, so daß der Abstand zwischen Innen- und Außenfläche an den anderen Stirnseiten der Lichtleiter vorzugsweise auf die Hälfte abnimmt

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Lichtleiter (49a, b, c) in der zum Radius der Ringzonen senkrechten Richtung um V3 bis V7, vorzugsweise '/5 verjüngen.

25. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden H Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Wandler (18) gleich dimensioniert und ausgebildet sind.

26. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ringzonen (13a, b, c)und der Stirnfläche (15) des Lichtleitstabs (12) ein Linsensystem (26) angeordnet ist welches das unter bestimmten Winkeln zur Stabachse (11) aus dem Lichtleitstab (12) austretende Licht auf die einzelnen Ringzonen (iJa, b, c) konzentriert r>

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet daß das Linsensystem (26) so angeordnet ist daß das Licht unter einem möglichst geringen Winkel zum Mantel der Zylinder (20a, b, c) bzw. Kegelstümpfe (22a, b, c) bzw. Lichtleiter (49a, b, m c) auf deren Stirnflächen (19) gelenkt wird.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Brennweite des Linsensystems bei einem Lichtleitstabdurchmesser von 30 bis 70 mm, r> insbesondere 50 mm, der mittlere Durchmesser der konzentrischen Ringzonen (13a, b, c) zwischen 20 und 55,55 und 80 bzw. 80 und 105 mm liegt.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet daß die Breite der Ringzonen (13a, b, c) 10 bis 20 und vorzugsweise 12,5 mm beträgt.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Zylinder (20a, b, ς) bzw. Kegelstümpfe (22a, b, c) bzw. Lichtleiter (49a, b, c)\00 bis 200 mm beträgt. 4 >