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T i t e l :
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Lichttaster und/oder Einstrahl-Lichtschranke
Zur Abtastung
von Farbkennzeichen, wie z. B. Druckmarken auf zu bedruckenden Papier- oder Kunststoff-Bogen
in Druckmaschinen oder auf Verpackungsmaterial, usw. werden nach DIN 40 030 so bezaichnete
Lichttaster verwendet.
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Man unterscheidet zwei wesentliche und prinzpielle Lichttaster-Arten
nach ihrer optischen Lichtstrahlfuhrung, nämlich in Lichttaster, die nach dem bekannten
Reflexionsprinzip : Einfallswinkel = Ausfallswinkel arbeiten und solche die nach
dem Autokollimations-Prinzip arbeiten.
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Man erkennt die ersteren äußerlich bereits an dn zwei im Winkel im
Gehäuse angeordneten, optischen Austrittslinsen, eine davon für den Lichtaustritt
und die andere für den Wiedereintritt des Reflexionslichtes, weshalb sie auch oft
als "zweiäugige Licht tasterbezeichnet werden.
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Die zweite typische Lichttasterart arbeitet nach dem Autokollimations-
oder auch Ein-Weg-Prinzip.
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Das von einer Glühlampe oder LED erzeugte Licht durchtritt einen teildurchlässigen
Spiegel und die Austrittslinse in Richtung Reflexionsebene, wo es in der Tastebene
abgebildet wird. Von dieser kehrt das reflektierte Licht auf dem gleichen optischen
Wege, also durch die Austrittsoptik hindurch zurück, wird jetzt aber am teildurchlässigen
Spiegel abgelenkt und zum lichtempfindlichen Bauelement geführt.
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Der Vorteil dieser Tasterart ist, daß der Taster nur im Abstand zum
Objekt - der Tastweite - nach dem Focus zu justieren ist und deshalb sehr unempSindlich'gegen
Neigungen der Reflexionsebene ist, während die erstere Lichttasterart - der zweiäugige
Lichttaster - stark auf Neigungen der Tastebenen reagiert.
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Aus diesem Grunde hat der Autokollimations- oder Einweg-Taster trotz
seiner, durch den teildurchlässigen Spiegel verursachten internen optischen Verluste,
die breitere Anwendung gefunden.
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Die optischen Spiegelverluste dieser Licht-Tasterart sind sehr erheblich,
deshalb hat es nicht an Versuchen gefehlt diesen Mangel zu beseitigen. Verwendet
man z. B. einen halbdurchlässigen (50 ;: 50) Spiegel, so werden beim ersten Lichtdurchtritt
des Lampenlichtes durch den Spiegel, bereits So % des Lichtes zurückgehalten. Bei
dertRückspiegelung des Lichtes werden erneut 50 %,nunmehr des reflektierten Lichtes
am halbdurchlässigen Spiege-l verloren, sodaß zum lichtempfindlichen Bauelement
oft wesentlich weniger als 15 % des ursprünglichen Gluhlampem oder LED-Lichtes gelangen.
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In neuerer Zeit hat man anstelle der teildurchlässigen Spiegel Lichtleiter-Faserbündel
verwendet, wobei 50 % der Fasern das Licht zur Tastebene führen und die anderen
tj'O % der Fasern das reflektierte Licht auffangen und zum lichtempfindlichen Bauelement
leiten.
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Nun ist es leider so, daß sich das Licht der Glühlampe oder des LED
vorwiegend nach der Mitte der Faserbündel - aber auch bei optischen Linsen - konzentriert,
was entweder auf die Lampenwendelform oder die scharfe Bündelungswirkung durch die
gegebene Substratform des LED zurückzuführen ist. Über die Randzonen der Lichtfaserbündel
oder der optischen Linsen wird deshalb nur verhältnismäßig wenig Licht zur Tastebene
gefiihrt oder beim Rückweg wiedereingefangen, da die Lichtreflexion an der Tastebene
eine diffuse Lichtkeule bildet. Das Licht dieser
Lichtkeule kann
durch die Keulenausbildung nur sehr schwer winkeigerecht in die Lichtfaserendeseinfallen,
weshalb auch bei Lichtfaseroptiken recht erhebliche Verluste eintreten.
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Bei den Autokollimationstastern mit optischen Lichtaustrittslinsen
verwendet man deshalb auch plankonvexe Linsen, die mit ihrer Planseite möglichst
dicht an die Tastebene, fast berührend, herangebracht werden, damit sie mit dem
so gegebenen großen Öffnungswinkel viel Licht der Lichtkeule einfangen. Eine solche
Maßnahme verbessert zwar den Lichtempfangsweg, kann aber nicht die Verluste am teildurchlässigen
Spiegel oder am Faserbündel aufheben.
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Durch die, in der nachfolgend beschriebenen Erfindung verwendete bislang
noch unbekannte, optische Anordnung können solche Verluste jedoch weitgehend vermindert
werden.
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Die Neuerung der Erfindung besteht darin daß die Optik des Lichttasters
aus planparallelen Platten zusammengesetzt wird, die entsprechend den optischen
Bedingungen Umriß-vorgeformt sind und zu einem Paket aufeinander gestapelt werden.
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Die einzelnen Platten sind so vorgeformt,daß sie einmal als planparallele
Lichtleiterplatte .wie ein Umlenkprisma wirken und/oder auch eine plankonische Wirkung
haben und so das Licht konzentrieren.
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Auf der zur Tastebene und zur Glühlampe oder LED gerichteten Seite
werden die Plattenpakete wie eine Rund- oder Zylinderlinse mit den erforderlichen
Linsenkrümmungen geschliffen.
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Für den Lichtsendeweg und für den Lichtempfangsweg werden zwei verschiedene
Platten-Grundformen verwendet.
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Die Lichtsendenlatten sind in Figur 1 dargestellt. Sie bestehen aus
planparallelen Glasplatten, die an ihren Enden eine Rundkrümmung besitzen, an denen
später,nachdem sie zu einem Paket zusammengefügt worden sind, der Linsenschliff
in der erforderlichen Brennweite ausgeführt wird.
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Die Lichternpfangsplatten sind wesentlich anders ausgebildet.
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Ihre Form ist in Figur 2 dargestellt. Auch bei diesen' bildet das
Planplatten-Material die Ausgangsbasis. Die Platten werden eingangsseitig - ebenfalls
später im Paket - mit einer Linsenkrümmung versehen, durch die das Licht vorgebündelt
eintritt.
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Das Reflexionslicht wird dann am 45 Grad geneigten Planparalellspiegelrand-
ungelenktund in einen plankonischen Plattenteil geführt.
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Die konischen Plattenflä¢hen und die brelten ßllanSlgehen der Platten
sind planparal3el geschliffen, sodaß das an ihnen reflektierte und weitergespiegelte
Licht an den immer enger werdenden konischen und den Breitplanflächen wie in einem
konischen Lichtleiter weitergeführt werden. An der engsten Stelle der konischen
Seiten ist wiederum eine Linsenkrümmung angeordnet, die das bis hierhin geführte
Reflexionslicht nun auf das lichtempfindliche Bauelement kongentriert.
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Natürlich wird man die Planpiatten nicht einzeln, sondern paketweise
mit den Linsenßchliffen versehen.
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Man schichtet wechselseitig Sende- und Empfangsplatten zu einem Paket
aufeinander und verkittet es gleichzeitig. Nach der Kitterhärtung werden die Linsenschliffe
am kompletten Paket ausgeführt.
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Ein Vorteil in der Verwendundes Planparallelplatten-Materials liegt
darin, daß es zunächst als Formstabmaterial als langer Glasstab aus der Schmelze
mit ausreichender Genauigkeit gezogen werden kann. Sodann werden vom Stabmaterial
nur Scheiben entsprechender Dicke abgesägt und mit einem einfachen Uberschliff versehen.
Möglicherweise kann bei einem genauen Sägeschnitt mit der Diamantsage der Uberschliff
gespart werden.
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Die Platten haben an ihren Seitenflächen durch ein genaues Glasstabziehen
bereits ihre Umriß- (Seiten-) form. Nach der Plattenverkittung sind dann nur noch
die Linsenschliffe aus zu führen.
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Druckmarken werden oft in den Abmessungen 1 oder 2 x 10 mm ausgeführt.
Diese Größe entspricht auch der Form des Lampenwendels, denn bei Farbabtastungen
wird stets Glühlampenlicht benötigt.
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FUr solche Druckmarken-Anwendungsfälle kann man auf den Linsenschliff
völlig verzichten. Die vorgerundeten Flächen des Glasstabmaterial, aus dem die planparalellen
Platten gesägt werden, haben bereits die orm einer Zylinderstab-Linse, die durch
das Plattenpaket zwangsläufig entsteht.
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Ein besonderer Vorteil dieser Planparalell-Platten-Bauweise ist die
sehr preisgünstige Serien-Herstellbarkeit. Nach Verkittung und eventuellen Schliff
erhält man ein kompaktes Optiksystem. Bei den bislang bekannten Lichttaster-Bauweisen
wurden Linsen und Spiegel noch einzeln eingebaut und optisch zueinander justiert,
was einen erheblichen Fertigungszeit-Aufwand beansprucht.
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Die vorbesch riebene Paketoptik-Bauweise ist besonders vorteilhaft
bei Kleinstausführungen von Lichttastern, etwa wenn sie Baugrößen unterhalb den
Abmessungen einer Streichholzschachtel aufweisen sollen. Bei solchen Kleinstausführungen
bringt die optische Justierung große Probleme mit sich, die hier sehr einfach werden.
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Außerdem' bringen, durch die ßeitenformgebung des Glasstabmaterials
gegeben, die konischen Plattenkanten der Empfangsplatten eine zusätzliche Lichtkonzentration,
die die Austrittslinsenwirkung noch ergänzt. Es ist mit einer verbesserten Rückführung
des Reflexionslichtes zu rechnen, denn entgegen den Autokollimations-Lichttastern
mit ihren teildurchlässigen Spiegeln ist hier eine zeilenartige, durch die Plattenform
bedingte Sende- und Empfangslicht-Aufteilung in Lichtstreifen 50 s 50 gegeben.
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Es liegen hier also ganz ähnliche Lichtverhältnisse vor, wie bei einer
50 : S0-Lihtfaser- Optik- Aufteilung, nur daß bei Lichtfaser-Optiken das Reflexionslicht
in einem ganz bestimmten Winkel-in die Faserenden einfallen muß, während hier alles
frontal einfallende Reflexionslicht durch die Streifenwirkung der planparalellen
Empfangsplatten huber die volle Optikbreite besser erfaßt und weitergespiegelt wird.
Die beschriebene PlanparaSell-Paket-Plattenoptik ist also einer 50 : 50 Lichtfaseroptik
zumindest gleichwertig, wenn nicht sogar wesentlich überlegen.
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Lichtfaeeroptiken sind gegenwärtig noch sehr teuer, während die hier
beschriebene Paket-Plattenoptik den Vorteil billiger Herstellbarkeit hat und zu
sehr preiswerten Gerätekonstruktionen führt.
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In Figur 3 ist das Schnittbild eines Lichttasters gezeigt, der zenit
einer vorstehend beschriebenen Paket-Plattenoptik ausgerostet ist.
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Ein gleichartiger Aufbau ergibt sich auch für die nach dem gleichen
optischen Prinzip arbeitende "Einstrahl-Lichtschranke"
nach DIN
44 030, deren Austrittslinse lediglich.lsngbrennweitig auszuführen ist und bei der
als Reflexionslichtebene ein Trippelspiegel verwendet wird.
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Lichtfunktionsweg: Das Licht der Glühlampe oder LED (1) wird von der
Sammellinse (2) erfaßt und über die Sendeplatten (3) mit den Linsenkrürrmungen (2
und 4) aus dem Gehäuse hinaus zum Reflexiorisspiegel oder der Tastebene (5) gefiihrt.
Von dort gelangt es auf dem gleichen optischen Wege (6) zur Empfangsplatte (7) zurück,
wo es über die Linsenkrürrirriung (8) in die Empfangsplatte eintritt und in dieser
zur 4S-Grad-Spiegelkante (9) geleitet wird. Von hier (9) wird es an den konischen-(Trichterförmigen-)
Seitenkanten (10) der Enpfangsplatten bis zur Austrittslinsenkrümmung (11)- weitergespiegelt
und wird von dieser (11) auf das lichtempfindliche Bauelemexlt (12) gelenkt.
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Die Paketoptik wird in ein aus zwei Schalenhälften bestehendes Gehause
(14 a und 14 b) eingelegt. Ebenfalls in die Gehäuseschalen wird die gedruckte Sciialtung
(15) eingelegt auf der im Lötmaschinen-Verfahren die Lampe (1) und das lichtempSindliche
Bauelement (12) gleich mit eingelötet sind.
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Bei der vorgegebenen Bauweise sind demzufolge nur zwei Bauteile, erstens
die Paketoptik und zweitens die gedruckte Schaltung mit allen Bauteilen in die beiden
Taster-Gehause-Schalenhälften einzulegen. Der Zusammenbau des Lichttasters bzw.
der Einweg-Lichtschranke wird dadurch zu einem sehr einfachen Arbeitsgang.
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Hinsichtlich der optischen Funktion des Tasters bzw. Einstrahl-Lichtschranke
ist noch zu bemerken, daß durch die Plattenform im Sende- wie auch Empfangsweg streifenförmige
Lichtwege entstehen. Diese Lichtstreifenwege liegen jedoch sehr dicht nebeneinander,
besonders wenn man eine Plattendicke von 1 bis 2 mm wählt. Durch die zwangsläufig
einhergehende Verkleinerung im Lichtempfangsweg, werden die Lichtstreifen so dicht
nebeneinander gelegt, daß praktisch, optisch eine Verschmelzung, eine Homogenisierung
des Empfangslichtes eintritt.
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Es wurde schon erwähnt, daß die Lampenwendel meist eine streifenförmige
Ausbilsung haben. Ebenso hat aucfi die lichtempfindliche Zone im lichtempfindlichen
Bauelement meist eine streifenförmige Ausbildung. Die Streifenform der Lampe und
deslichtempfindlichen Bauelements treffen sich hier in günstiger Weise mit der Plattenoptik-Bauform,
die ebenfalls über streifenförmige Lichtkanäle verfügt.
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