DE2836331C2 - - Google Patents

Description

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 bezeichnete Lichttaster verwendet.

Man unterscheidet zwei wesentliche und prinzipielle Lichttaster-Arten nach ihrer optischen Lichtstrahlführung, nämlich Lichttaster, die nach dem bekannten Reflexionsprinzip: Einfallswinkel = Ausfallswinkel und solche, die nach dem Autokollimations-Prinzip arbeiten.

Man erkennt die ersteren äußerlich bereits an den zwei im Winkel im Gehäuse angeordneten, optischen Austritts-Linsen, eine davon für den Lichtaustritt und die andere für den Wiedereintritt des Reflexionslichtes, weshalb sie auch oft als "zweiäugige Lichttaster" bezeichnet werden. Die zweite, typische Lichttasterart arbeitet nach dem Autokollimations- oder auch Ein-Weg- Prinzip.

Das von einer Glühlampe oder LED erzeugte Licht durchtritt einen teildurch­ lässigen Spiegel und die Austrittslinse und fällt auf die Reflexionsebene, die als Tastebene dient. Von dieser kehrt das reflektierte Licht auf gleichem optischen Wege, also durch die Austrittsoptik hindurch, zurück, wird jetzt aber am teildurchlässigen Spiegel abgelenkt und zum lichtempfind­ lichen Bauelement geführt.

Der Vorteil dieser Tasterart ist, daß der Taster nur im Abstand zum Objekt - der Tastweite - nach dem Focus zu justieren ist und deshalb unempfind­ lich gegen Neigungen der Reflexionsebene ist, während die erstere Licht­ tasterart - der zweiäugige Lichttaster - stark auf Neigungen der Tastebenen reagiert.

Aus diesem Grunde hat der Autokollimations- oder Einweg-Lichttaster trotz seiner, durch den teildurchlässigen Spiegel verursachten, internen, optischen Verluste die breitere Anwendung gefunden.

Die optischen Spiegelverluste dieser Lichttasterart sind sehr erheblich, deshalb hat es nicht an Versuchen gefehlt, diesen Mangel zu beseitigen. Verwendet man z. B. einen halbdurchlässigen Spiegel 50 : 50%, so werden beim ersten Lichtdurchtritt des Lichtquelle-Lichtes durch den Spiegel, bereits 50% des Lichtes zurückgehalten.

Bei der Rückspiegelung des Lichtes werden erneut 50%, nunmehr des reflek­ tierten Lichtes am halbdurchlässigen Spiegel verloren, so daß zum lichtempfind­ lichen Bauelement oft wesentlich weniger als 25% des ursprünglichen Glühlampen- oder LED-Lichtes gelangen.

In neuerer Zeit hat man anstelle der teildurchlässigen Spiegel Lichtleiter­ faserbündel verwendet, wobei 50% der Fasern das Licht zur Tastebene führen und die anderen 50% der Fasern das reflektierte Licht auffangen und zum lichtempfindlichen Bauelement leiten; vergl. z. B. DE-OS 19 30 111.

Nun ist es leider so, daß sich das Licht der Glühlampe oder des LED vor­ wiegend nach der Mitte der Faserbündel - aber auch bei optischen Linsen - konzentriert, was entweder auf die Lampenwendelform oder die scharfe Bündel­ wirkung 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 geführt oder im Rückweg wieder eingefangen, da die Lichtreflexion an der Tastebene eine diffuse Lichtkeule bildet. Das Licht dieser Lichtkeule kann durch die Keulenausbildung nur sehr schwer winkelgerecht in die Lichtfaserenden einfallen, weshalb auch bei Lichtfaser-Optiken recht erhebliche Verluste eintreten.

Bei den Autokollimationstastern mit optischen Lichtaustritts-Linsen ver­ wendet 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.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die vorgenannten Verluste weitgehend zu vermindern.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen verankert.

Die einzelnen Platten sind so vorgeformt, daß sie einmal als planparallele Lichtleiterplatte wie ein Umkehrprisma wirken und/oder auch eine plan­ konische Wirkung haben und so das Licht konzentrieren.

Auf der zur Tastebene und zur Glühlampe oder LED gerichteten Seite werden die Plattenpakete wie eine Rund- oder Zylinder-Linse mit den erforderlichen Linsenkrümmungen geschliffen.

Für den Lichtsendeweg und für den Lichtempfangsweg werden zwei verschiedene Platten-Grundformen verwendet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert.

Die Lichtsendeplatten sind in Fig. 1 dargestellt. Sie bestehen aus plan­ parallelen 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.

Die Lichtempfangsplatten sind wesentlich anders ausgebildet. Ihre Form ist in Fig. 2 dargestellt. Auch bei diesen bildet das Planplatten- Material die Ausgangsbasis. Die Platten werden eingangsseitig -- eben­ falls später im Paket -- mit einer Linsenkrümmung versehen, durch die das Licht vorgebündelt eintritt. Das Reflexionslicht wird dann am 45-Grad-geneigten Planparallel-Spiegelrand umgelenkt und in einen plankonischen Plattenteil geführt.

Die konischen Plattenflächen und die breiten Planflächen der Platten sind planparallel geschliffen, so daß das an ihnen reflektierte und weiterge­ spiegelte Licht an den immer enger werdenden und den Breit-Planflächen wie in einem konischen Lichtleiter weitergeführt wird. An der engsten Stelle der konischen Seiten ist wiederum eine Linsenkrümmung angeordnet, die das bis hierhin geführte Reflexionslicht nun auf das lichtempfindliche Bauelement konzentriert.

Natürlich wird man die Planplatten nicht einzeln, sondern Paketweise mit den Linsenschliffen versehen.

Man schichtet wechselseitig Sende- und Empfangsplatten zu einem Paket aufeinander und verkittet es gleichzeitig. Nach der Kitterhärtung werden die Linsenschliffe am kompletten Paket ausgeführt.

Ein Vorteil in der Verwendung des Planparallel-Plattenmaterials liegt darin, daß es zunächst als Formstab-Material als langer Glasstab aus der Schmelze mit ausreichender Genauigkeit gezogen werden kann. Sodann werden vom Stabmaterial Scheiben in entsprechender Dicke abgesägt und mit einem einfachen Überschliff versehen. Möglicherweise kann bei einem genauen Sägeschnitt mit der Diamantsäge der Überschliff gespart werden.

Die Platten haben an ihren Seitenflächen durch ein genaues Glasstabziehen bereits ihre Umriß-(seiten) Form. Nach der Plattenverkittung sind dann nur noch die Linsenschliffe auszuführen.

Druckmarken werden oft in den Abmessungen 1 oder 2 mm × 10 mm ausgeführt. Diese Form entspricht auch der Form des Glühlampenwendels, denn bei Farb­ abtastungen wird stets Glühlampenlicht benötigt.

Für solche Druckmarken-Anwendungsfälle kann man auf den Linsenschliff völlig verzichten. Die vorgerundeten Flächen des Glasstabmaterials, aus dem die planparallelen Platten gesägt werden, haben bereits die Form einer Zylinderstab- Linse, die durch das Plattenpaket zwangsläufig entsteht.

Ein besonderer Vorteil dieser Planparallel-Platten-Bauweise ist die sehr günstige Serien-Herstellbarkeit. Nach der Verkittung und eventuellen Schliff erhält man ein kompaktes Optik-System. Bei den bislang bekannten Lichttaster- Bauweisen wurden Linsen und Spiegel noch einzeln eingebaut und optisch zueinander justiert, was einen erheblichen Fertigungs-Zeitaufwand beansprucht.

Die vorbeschriebene Paket-Optik-Bauweise ist besonders vorteilhaft bei Kleinstausführungen von Lichttastern, etwa wenn sie Baugrößen unterhalb den Abmessungen einer Streichholzschachtel aufweisen sollen. Bei solchen Kleinst­ ausführungen bringt die optische Justierung große Probleme mit sich, die hier sehr einfach werden.

Außerdem bringen, durch die Seitenformgebung des Glasstab-Materials gegeben, die konischen Plattenkanten der Empfangsplatten eine zusätzliche Licht­ konzentration, die die Austritts-Linsenwirkung 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 Empfangs-Lichtaufteilung in Lichtstreifen 50 zu 50 gegeben.

Es liegen hier also ganz ähnliche Lichtverhältnisse vor, wie bei einer 50 zu 50%-Lichtfaser-Optik-Aufteilung, nur daß bei Lichtfaser-Optiken das Reflexionslicht in einem ganz bestimmten Winkel in das Faserenden einfallen muß, während hier alles frontal einfallende Reflexionslicht durch die Streifenwirkung der planparallelen Empfangsplatten über die volle Optikbreite besser erfaßt und weitergespiegelt wird. Die beschriebene Planparallel-Paket-Optik ist also einer 50 zu 50% Lichtfaser-Optik zumindest gleichwertig, wenn nicht sogar wesentlich überlegen.

Lichtfaser-Optiken sind gegenwärtig noch sehr teuer, während die hier beschriebene Platten-Optik den Vorteil billiger Herstellbarkeit hat und zu sehr preiswerten Gerätekonstruktionen führt.

In Fig. 3 ist das Schnittbild eines Lichttasters gezeigt, der mit einer vorstehend beschriebenen Paket-Platten-Optik ausgerüstet ist.

Ein gleichartiger Aufbau ergibt sich auch für die nach dem gleichen optischen Prinzip arbeitende Reflexions-Lichtschranke nach DIN 44 030, deren Austrittslinse lediglich langbrennweitig auszuführen ist und bei der als Reflexions-Lichtebene ein Trippelspiegel verwendet wird.

Lichtfunktionsweg

Das Licht der Glühlampe oder LED (1) wird von der Sammellinse (2) erfaßt und über die Sende-Platten (3) mit den Linsenkrümmungen (2 und 4) aus dem Gehäuse hinaus zum Reflexionsspiegel oder der Tastebene (5) geführt. Von dort gelangt es auf dem gleichen optischen Wege (6) zur Empfangs­ platte (7) zurück, wo es über die Linsenkrümmung (8) in die Empfangs­ platte eintritt und in dieser zur 45-Grad-Spiegelkante (9) geleitet wird. Von hier (9) wird es an den konisch-trichterförmigen Seitenkanten (10) der Empfangs-Platten bis zur Austritts-Linsenkrümmung (11) auf das licht­ empfindliche Bauelement (12) gelenkt.

Die Paket-Optik wird in ein aus zwei Schalenhälften (14 a, 14 b) bestehendes Gehäuse (14) eingelegt. Ebenfalls in die Gehäuseschalen wird die gedruckte Schaltung (15) eingelegt, auf der im Lötmaschinen-Verfahren die Lampe (1) und das lichtempfindliche Bauelement (12) gleich mit eingelötet werden.

Bei der vorgesehenen Bauweise sind demzufolge nur zwei Bauteile, erstens die Paket-Optik und zweitens die gedruckte Schaltung (15) mit allen anderen Bauteilen in die beiden Taster-Gehäuse-Schalenhälften einzulegen.

Der Zusammenbau des Lichttasters bzw. der Reflexions-Lichtschranke wird dadurch zu einem sehr einfachen Arbeitsgang.

Hinsichtlich der optischen Funktion des Tasters bzw. der Reflexions- Lichtschranke ist noch zu bemerken, daß durch die Plattenform im Sende- wie auch Empfangsweg, streifenförmige Lichtwege entstehen. Diese Licht­ streifenwege liegen jedoch sehr dicht nebeneinander, besonders wenn man die Plattendicke von 1 bis 2 mm wählt. Durch die zwangsläufig einher­ gehende Verkleinerung im Lichtempfangsweg werden die Lichtstreifen so dicht nebeneinander gelegt, daß praktisch optisch eine Verschmelzung, also eine Homogenisierung des Empfangslichtes eintritt.

Es wurde schon erwähnt, daß die Lampenwendel meist eine streifenförmige Ausbildung hat. Ebenso hat auch die lichtempfindliche Zone im licht­ empfindlichen Bauelement meist eine streifenförmige Ausbildung. Die Streifenform der Lampe und des lichtempfindlichen Bauelements treffen sich hier in günstiger Weise mit der Platten-Bauform, die ebenfalls über streifenförmige Lichtkanäle verfügt.

Claims (7)

1. Als Lichttaster bzw. Reflexions-Lichtschranke verwendbare Einrichtung mit einem Lichtsender und einem Lichtempfänger, die gemeinsam auf einer Seite der Abtastebene bzw. gemeinsam an einem Ende eines Über­ wachungsbereiches angeordnet sind, sowie mit einer Optik, die - in Wechsellagerung zusammengefaßt - dem Lichtsender zugeordnete licht­ leitende Sendeelemente und dem Lichtempfänger zugeordnete lichtleitende Lichtempfangselemente aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß konturen-vorgeformte, planparallele und lichtleitende Platten, die zu einem Paket zusammengefaßt sind, als lichtleitende Sendeelemente und als lichtleitende Lichtempfangselemente dienen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konturen- vorgeformten, planparallelen, lichtleitenden Platten an ihren Endkanten Formgebungen aufweisen, welche den Krümmungen von optischen Rund- oder Zylinderlinsen entsprechen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten für den Lichtempfangsweg an der Seitenkante eine 45-Grad- schräge Spiegelfläche haben, die eine 90-Grad-Lichtumlenkung herbeiführt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich den Spiegelflächen eine konisch-verjüngende Plattenform anschließt, die eine lichtkonzentrierende Lichtleitwirkung hat.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 und nachfolgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die konturen-vorgeformten, planparallelen Platten innerhalb des Paketes verkittet, verklebt oder gefaßt sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 und nachfolgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch das Paket definierte Paket-Optik und eine gedruckte Signal­ former-Schaltung gemeinsam in zwei Gehäuseschalen eingelegt sind.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 und nachfolgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten, Glasplatten, Kunststoffplatten oder Kristallplatten sind.