DE3006071C2

DE3006071C2 - Lichtsammelanordnung in einer Vorrichtung zur Abtastung einer Fläche wie z.B. einer Materialbahn längs einer Geraden mittels eines Lichtstrahls

Info

Publication number: DE3006071C2
Application number: DE3006071A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Phys. Dr. 8033 Planegg Röß
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1980-02-19
Filing date: 1980-02-19
Publication date: 1987-05-27
Also published as: FR2476330A1; US4458979A; FR2476330B1; GB2069715B; JPS56130704A; GB2069715A; DE3006071A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtsammelanordnung in einer Vorrichtung zur Abtastung einer Fläche wie z. B. einer Materialbahn längs einer Geraden mittels eines Lichtstrahls, wobei die von jeweils einem Punkt der Fläche innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs ausgehenden, im wesentlichen monochromatischen, reflektierten oder transmitticrten Lichtstrahlen etwa senkrecht auf eine längliche Lichtablenkvorrichtung auftreffen und zumindest teilweise mittels dieser Lichtablenkvorrichtung auf eine LicJi'-samnielfläche wie z. B. einen photoelektrischen Wandler gerichtet werden.

Eine Lichtsammelanordnung im Sinne vorliegender Erfindung ist dazu bestimmt, einen entlang einer Linie vorhandenen Lichtfluß großer Linearabmessung mit begrenztem Winkclbereich in einen flächenförmigen Lichtfluß mit großem Winkclbereich umzuwandeln, wobei eine Verkleinerung der Austrittsfläche im Vergleich zur Eintrittsfläehe erreicht wird. Bekannte Lichtsammelanordnungen arbeiten mit Spiegelkasten. Lichtleitstäben und/oder diffus reflektierenden Hohlräumen (siehe z. B. DE-OS 19 4! 905. Df-AS 21 15 979. DE-AS 25 32 bOJ).

Alle bekannten l.ichts.iinmclanordniingeii haben die Eigenschaft, daß eine Winkelbeeinflussung der cinfallendcn Strahlung erreicht werden muß. damit die zunächst innerhalb des Gren/winkcK der Anordnung eintretende Strahlung außerhalb dieses Grenzwinkels sich fortpflanzt. Bei Lichtleiistiiben ist dieser Gren/winkel der Grenzwinkel der Toialrcilesion.

Um bei den bekannten Lichtfeilstabanordnungen (las im wesentlichen senkrecht v.w styb.ichse ;mf die eine Mantelseite de* Stabes auftreffende Licht unter Winkeln der Totalreflexion in das Stabinnere abzulenken, ist es bekannt, an der l.ichlemtrittsmantelseitc eine mattscheibenartige Aufrauhung vorzusehen (DIwVS 21 15 979). Weiter hat man auf der dem Lichteinlritt diametral gegenüberliegenden Mantclseite bereits lichtstreuendes Material angeordnet, um das einfallende

Licht aus seiner Einfallsrichtung abzulenken (AT-PS 2 06 663), Nachteilig an diesen beiden bekannten Lichtleitstabanordnungen ist, daß ein großer Teil des Einfallslichtes nicht in Totalreflexions-Winkelbereiche abgelenkt wird und so für die Messung verlorengeht.

Aus diesem Grunde hat man bereits auf der dem Lichteintritt diametral gegenüberliegenden Mantelseite eine Stufenspiegelanordnung vorgesehen (DE-AS 25 32 603). Die Einzelspiegel dieser Stufenspiegelanordnung sind so zur Längsachse des Lichtlcitstabes gerichtet, daß alles auftreffende Licht unter Winkeln der Totalreflexion in das Innere des Lichtleitstabes abgelenkt wird. Auch diese Lichtleitstäbe befriedigen noch nicht völlig, weil wegen des relativ groben Spiegelrasters eine störende Modulation auftritt, wenn ein Abtastlichtstrahl entlang der Längsachse des Lichtleitstabes diesen periodisch abtastet. Durch Nebenstrahlen weisen diese Lichtleitstäbe einen begrenzten Wirkungsgrad auf, der mit von der Normaleinfallsrichtung zunehmend abweichenden Lichtstrahlen stark abfällt.

Die Lichtsammeifläche bei allen bekannten Lichtsammelanordnungen besteht im allgemeinen aus einem oder mehreren photoelektrischen Wandlern, welche ein der auftreffenden Lichtmenge entsprechendes elektrisches Signal abgeben. Es kommt somit bei allen Lichtsammelanordnungen darauf an, daß von dem an irgendeiner Stelle der Länge auftreffenden Licht möglichst viel zu der Lichtsammeifläche gelangt. Weiter ist es wichtig, daß unter gleichen Winkeln an unterschiedlichen Steilen der länglichen optischen Lichtablenkvorrichtung auftreffendes Licht am photoelektrischen Wandler ein gleich starkes elektrisches Signal auslöst.

Derartige Lichtsammelanordnungen werden im allgemeinen parallel zu einer Materialbahn angeordnet, welche durch einen Laserstrahl periodisch mit einem Lichtfleck abgetastet wird. Das von der Materialbahn reflektierte bzw. durch sie hindurchgehende Licht wird dann von der Lichtsammelanordnung aufgenommen und zu dem photoelektrischen Wandler gelenkt, dessen elektrisches Ausgangssignal zur Erkennung von MaterialbahnfehLrn ausgewertet wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, für eine Lichtsammelanordnung der eingangs genannten Gattung eine längliche optische Lichtablenkvorrichtung zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Vorrichtungen nicht aufweist und bei hohem Wirkungsgrad, d. h. bei nur geringen Lichtverlusten an unterschiedlichen Stellen unter gleichen Winkeln auftreffendes Licht in der gleichen Weise auf die Lichtsammelfläche lenkt, so daß bei Anordnung eines photoelektrischen Wandlers an dieser Stelle ein gleiches elektrisches Ausgangssignal erzielt wird Bei Anwendung der Lichtsainmelanordnung an einer von einem Abta.stlichlfleck periodisch abgetasteten Materialbahn soll das elektrische Ausgangssignal des photoclcktrischen Wandlers keine merkliche Modulation aufweisen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor. daß die Lichtablenkvorrichtung ein Hciigungsgiticr ist. Insbesondere soll das Beugungsgitter nls Hologramm, vorzugsweise Volunienhologramm, von solcher Dicke ausgebildet sein, daß gerade alle unter Winkeln eines vorbestimmten Winkelbcrcichcs auftreffende Lichtstrahlen unter Umlenkung durchgelassen werden, außerhalb dieses Winkelbereiches liegende Lichtstrahlen dagegen nicht. Von besonderem Vorteil ist es. wenn das Hologramm ciii Phasenhologramm ist.

Grundsätzlich kann das Beugungsgitter ein periodisches zweidimensionalej oder dreidimensionales Gitter

sein. ^

Da ein Hologramm ohne weiteres mit einem sich sinusförmig verändernden Durchlaß- bzw. Reflexionsvermögen bzw. Brechungsindex hergestellt werden kann, gelingt es, unter einem ganz bestimmten Winkel eintretende Eintrittsstrahlen unter einem vorbestimmten Austrittswinkel auf die Lichtsammelfläche zu lenken, wobei höhere Ablenkungsordnungen vermieden werden. Hierzu wird das Hologramm durch Überlagerung einer Referenzwelle und einer Objektwelle mit einem photoempfindlichen Material hergestellt. Die Richtung der Referenzwelle entspricht der des Einfallslichtes in der erfindungsgemäßen Lichtsammdanordnung. Auf diese Weise tritt das Licht so aus dem Hologramm aus, wie die Objektwelle bei der Herstellung des Hologramms in das lichtempfindliche Material eintritt. Solange bei der Belichtung des Hologramms die Intensität so gewählt wird, daß die Grenzen des Linearitätsbereiches des Photomaterials nicht überschritten werden, werden die aufgezeichneten Interferenzen sireng sinusförmig, und e* entstehen keine höheren Beugungsordnungen. Wenn das Hologramm dick gegen die Wellenlänge ist, wird auch die eine der symmetrischen ersten Beugungsanordnungen unterdrückt, so daß das Hologramm nur eine Ausgan^swelle erzeug'.

Für die praktische Ausführung der erfindungsgemäßen Lichtsammelanordnung ist die Dicke des Hologramms ein wesentlicher Faktor. Mit dünnen Phasenhologrammen sind Wirkungsgrade von 33% bis über 50% bei einigen Wellenlängen Dicke erreichbar. Bei einem dicken Hologramm, bei dem die Dicke ein Vielfaches der Wellenlänge beträgt, können Wirkungsgrade bis nahe 100% erreicht werden. Wegen der Notwendigkeit der Einhaltung der Bragg-Bedingung lassen jedoch dicke Hologramme nur Lichtstrahlen durch, die in einem engen Winkelbereich um den Winkel der Referenzwelle herum in das Hologramm eintreten. Je dünner das Mologramm wird, umso großer wird dieser Winkelbereich. Man kann also die Winkel-Trennschärfe des Beugungsgitters durch entsprechende Dicke des Hc'ogramms von vornherein bestimmen. Für solche Fälle, in denen eine geringe Winkel-Trennschärfe gewünscht wird, kann man auch bei einem dünnen Hologramm hohe Wirkungsgrade dadurch erreichen, daß eine starke Modulation des Materials erzielt wird. Ein hierfür geeignetes Material ist z. B. dichromatische Gelatine, mit der bereits bei einer Dicke von nur 5 μπι Wirkungsgrade nahe 90% erreicht werden.

Für die erfindungsgemäßen Zwecke ist daher eine solche Dicke des Hologramms optimal, bei der gerade der von der Lichtsa.nmelanordniing in der Einfallscbene zu erfassende Winkelbereich durchgelassen wird, im Winkel darüber hinausgehende Lichtstrahlen jedoch nicht. Die erfindungsgemäße l.iclnsammelanordnuiig kann somit auch als selektive Winkelbereichsfüter verwendet werden, indem cm bestimmter Winkelbereich durchgelassen wird, ein linderer nicht. Diese vorteilhafte Eigenschaft des erfindungsgemäßen Beugungsgiltcrs k,nr, zur Fehlererkennung ausgenutzt werden.

Die Erfindung liilit siih mit Vorteil bei solchen l.iditsammclanordnungen anwenden, bei denen an allen Stellen entlang der Lidiiahlcnkvorriditung der Winkelbereich in gleicher Weise zur Längsrichtung der Lichtablenkvorrich.jng gerichtet ist. Dieser Fall liegt /.. B. bei Materialbahnfehlercnniulungsvorrichtungcn vor. bei denen die Materialbahn durch einen parallel zu

sich selbst verschobenen seharfgebündelten Lichtstrahl abgetastet wird. In diesem Fall tritt vor allen ungestörten Stellen der Materialbahn das Licht unter dem vorbestimmten Winkelbereich aus der Bahn aus und kann dann durch die erfindungsgemäüe Lichtsammclanordnung gleichmäßig auf einen phoioelektrischen Wandler gelenkt werden, daß das Beugungsgitter aul der gesamten Länge die gleiche Gitterkonstante hat.

Wesentlich bei allen Ausführungsformen ist natürlich, daß das \on der erfindungsgemäßen Lichtsammelanordnung erfaßte Licht bezüglich seiner Frequenz an die (litlerkonstanle dos Beugungsgitters angepaßt ist.

l'.in besonderer Vorteil der l.ichtsammelanordmirg gemäß der Erfindung besteht lednch dann, daß sie auch mit Voileil angewendet werden kann, wenn an wenigstens einigen Stellen entlang der l.ichtablenkvor iichtiing der Winkelbereich in unterschiedlicher Weise zu r I a πgsrieh tu ng der I .ich !ablenkvorrichtung gerichtet ι*.; [η iji.wm lull hr.imhi nämlich nur die Cjitterkon-Mante des Beugungsgitters in Längsrichtung derart veränderlich zu sein, daß irot/ der veränderlichen Richtung des Winkelhereichcs ,in alli'n Stellen entlang der Längsrichtung die abgelenkten Strahlen im wesentlichen die gleiche Richtung haben. Hort, wo der Winkelbereich des von der Materialbuhn ausgehenden Lichtes auch schon bei ungestörter Bahn etwas anders als :in anderen Stellen ist. kann durch Änderung der Ciitterkiinsiante in diesem Bereich eine etwas andere Ablenkung tier von der Bahn zurückgeworfenen b/w. durch sie hindurchgehenden Lichtstrahlen erzielt w erd'-n. damit sämtliche normal einfallenden I ichtstr ahien unter gleichen Winkeln zur Längsachse der Lieh !ablenkvorrichtung verlaufen.

Diese Aiisführungsforni eigne! sich besonders zur Anwendung bei solchen Lichtsammelanordnungen. bei denen das von einer mit einem sektorförmig bewegten Abtaststrahl uberstrichenen Materialbahn kommende Licht abgelenkt werden soll. In diesem Fall nimmt die ("litierkonstante erfindungsgemäö entsprechend dem Auftreffwinkel auf die Bahn zur Lrzielung einer im wesentlichen gleichen Richtung aller abgelenkten .Stvahlen stetig zu bzw. ab. [-"rfindungsgemäU kann somit auf einfachste Weise der ansonsten zur F-~r/ie!ung eines parallel zu sich selbst verschobenen Fahrstrahls erforderliche aufwendige Hohlspiegel eingespart werden, ohne c:<:[l die Qualität der Fehlererkennung beeintr.ich'ig; wird, weil die unterschiedlichen Auftreffwinkel des sektorförmigen. scharfgebündelten Lichtstrahls auf die Oberfläche der Bahn durch Variation der Gitterkonsiante ohne weiteres berücksichtigt werden können.

Die firfindung läßt sich auch vorteilhaft mit einem sich parallel zu der Lichtablenkvorrichtung erstreckenden und im optischen Kontakt mit ihr befindlichen, vorzugsweise runden Lichtleitstab kombinieren. Bei dieser Anwendung ist erfindungsgemäß der Ablenkwinkel aller Lichtstrahlen innerhalb des vorbestimmten Winkelbereiches so groß, daß sie unter Winkeln der Totalreflexion zur Wand des Lichtleitstabes verlaufen. Bei sinusförmigem Verlauf der Gitterstriche und aufgrund einer optimal an den zu erfassenden Winkelbereich angepaßten Beugungssgitterdicke kann somit ein hoher Wirkungsgrad bezüglich des in die Winkel der Totalreflexion eintretenden Lichtes erzielt werden.

Das Beugungsgitter kann sowohl auf der Lichteintrittsmanteiseite als auch auf der dem Lichteintritt diametral gegenüberliegenden Mantelseite angeordnet

sein. Im letzteren Fall ist es als Reflexionsgitter ausgebildet.

Eine völlig neue Anordnung besteht jedoch darin, daß das Beugungsgitter entlang der Achse des l.iclitleitstabes in diesen eingebettet ist. wobei die Breite des eingebetteten Beugungsgitters vorzugsweise lediglich einen Bruchteil des Lichtleilstabdiirchmessers ausmacht.

Insbesondere bei der letztgenannten Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn das unter einem Winkel in der Mitte des vorbestimmten Winkelbcreiehes auftref-Iwtide Licht υηΐιτ einem Winkel \on etwa ¹W m den I κ liileitsiab abgelenkt wird Durch dwse Ausführungen können die auch bei Totalreflexion noch auftretenden geringen Verluste fast vollständig vermieden werden Da das Licht, das \nii einer abgetasteten Materialbahn zurückgeworfen wird bzw. durch sie hindurchgeht, nicht nur in der Linfallebene. sondern unter einem Raumwinkel v'cMreut wird, ist es auf jeden Fall zweckmäßig, wenn ή ,in sich bekannter Weise die in Lbenen senkrecht zur Stab,κ hse befindlichen Divergenz.lichtbiindel diii\h eine parallel zum l.iehtlcitstab angeordnete Zylinderlinse und gegebenenfalls den runden l.ichtleitstab auf da*· Beugungsgitter konzentriei t sind

Die Erfindung eignet sich grundsatzlieh auch zur Erfassung von kontinuierlichen 1 ichtstrahlen auf Materialbahnen.

D'° Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer rrfindungsgemäßen Lichtsamnielanotdnung ohne l.ichtleitstab. wobei die Erzeugung eines Abtastlichtfleckes auf einer Materialbahn durch einen parallel zu sich selbst verschobenen Fahrstrahl angenommen ist.

F i g. 2 eine /u F ι g. 1 analoge Ansicht, bei der ledoch ein innerhalb eines Sektors hin- und hergeschwenkter I ahrstrahl verwendet wird.

F i g. 3 eine zu F i g. 1 analoge Ansicht einer mit einem l.ichtleitstab arbeitenden Lichtsammelanordnung gema'ß der Erfindung,

F ι g. 4 cine F i g. 3 ähnliche Ansicht mit einer etwas anderen Ausbildung des Beugungsgitters.

F i g. 5 einen schematischen Querschnitt des Gegen-Standes der F i g. 4,

F ι g. 6 eine zu F ι g. 3 analoge Ansicht einer weiteren Ausführungsform mit einem auf der Lichteintrittsseite angeordneten Beugungsgitter.

F i g. 7 einen schematischen Querschnitt des Gegen-Standes der F i g. 6.

Fig. 8 eine Ansicht analog Fig. 3 mit einer Anordnung des Beugungsgitters an der dem Lichteintritt diametral gegenüberliegenden Mantelseite des Lichtleitstabes,

Fig.9 einen schematischen Querschnitt des Gegenstandes der F i g. 8.

Fig. 10 eine Fig.6 entsprechende Ansicht eines Ausführungsbeispiels, bei dem ein eine sektorförmige Bewegung ausführender Fahrstrahl verwendet wird, und

F i g. 11 eine schematische Darstellung des Herstellungsvorganges für ein erfindungsgemäßes Beugungsgitter.

Nach F i g. 1 tastet ein in Richtung des Doppelpfeiles f hin- und hergehender scharfgebündelter Laserstrahl 20 vorgegebener Frequenz eine Materialbahn 16 quer zu ihrer Längsrichtung entlang einer Abtastlinie 17 ab. In jedem Augenblick wird somit an einer anderen Stelle

der Abtastlinie 17 ein scharfer Lichtfleck 18 auf der Oberfläche der Materialbahn 16 erzeugt. Insbesondere unter dem Reflexionswinkel wird dieses Licht in Form von reflektierten Lichtstrahlen 12, 13 von der Oberfläche der Materialbahn 16 reflektiert. Es ist jedoch ebensogut möglich, das Licht durch eine transparente Materialbahn geradlinig hindurchtreten zu lassen. Die Erzeugung des Fahrstrahls 20 des Laserstrahls kann z. B. s,r vor sich gehen, wie das in der DE-OS 24 33 682 beschrieben ist.

Aufgrund der individuellen Eigenschaften der Materialhiihn 16 wird nun das reflektierte bzw hindurchgehende Licht in der Reflexions· bzw. Durchgangsebene zumindest innerhalb eines Winkelb';reiehs ψ gestreut.

Nach F i g. 1 ist parallel zu de/ Abtastlinie 17 ein beugungsgitter 11 angeordnet, dessen Beugungseigen· schuften derart gewählt sind, daß bei der vorgegebenen Lichtfrequenz eine scharfe Ablenkung der innerhalb des Wink'-Ibereichs f) auftreffenden Lichtstrahlen 12 unter

AHIpnL-u/inlipln ν hie v' prfnluf Im Wppp samtlirhor

dieser abgelenkten Lichtstrahlen wird ein photoelektrischer Wandler 19 aufgestellt, welcher somit das gesamte innerhalb des vorbestimmten Winkelbereiches ψ an unterschiedlichen Stellen der Länge des Beugungsgitters 11 auftreffendes Licht empfängt, und zwar unabhängig davon, an welcher Stelle das Licht auf das Beugungsgitter 11 auftrifft. In F i g. 1 sind beispielsweise zwei verschiedene Positionen des parallel zu sich selbst verschobenen Fahrstrahls 20 wiedergegeben. Die kleinste Wandlerfläche wird bei einem mittleren Winkel γ = 0 erzielt.

F i _.·. 2 zeigt schematisch einen von einem Punkt 22 ausgehenden, eine sektorförmige Abtastbewegung in Richtung des Doppelpfeiles F ausführenden Fahrstrahl 21. An derStelle 22 kann beispielsweise ein Schwingspiegel angeordnet sein, welcher von einem von einer feststehenden Lichtquelle ausgehenden Laserstrahl beaufschlagt wird. Aufgrund dieser Anordnung trifft der Fahrstrahl 21 je nach seiner Winkellage unter unterschiedlichen Auftreffwinkeln λ. λ' bzw. λ" auf die Abtastlinie 17 der Materialbahn auf. Dementsprechend sind die von der Materialbahn gestreuten Winkelbcreiche q unter unterschiedlichen Winkeln zum Beugungsgitter 11 angeordnet. Um dies zu kompensieren, weist das Beugungsgitter 11 in Richtung von links nach rechts in Fig. 2 eine abnehmende Gitterkonstante auf. was durch in grober Weise schematisch angedeutete, zunehmende Abstände der Gitterstriche von links nach rechts veranschaulicht ist. Demgemäß werden die weiter links auf das Beugungsgitter 11 auftreffenden Lichtstrahlen stärker abgelenkt als die in der Mitte oder weiter rechts auf das Beugungsgitter 11 auffallenden Lichtstrahlen.

Die gleichen Lichteintrittsstrahlen entsprechenden Lichtaustrittsstrahlen 23 treten aufgrund geeigneter Variation der Gitterkonstante unter gleichen Winkeln aus dem Beugungsgitter U aus und treffen auf den photoelektrischen Wandler 19 in gleicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Die ständige Winkeländerung des Fahrstrahls 21 kann so auf einfachste Weise kompensiert werden.

Die Herstellung eines für die Zwecke der Erfindung geeigneten Beugungsgitters ist in F i g. 11 schematisch angedeutet.

Eine beispielsweise durch einen aufgeweiteten Laserstrahl gebildete kohärente ebene Welle 24 vorbestimmter Frequenz trifft auf einen teüdurchiässigen Spiege! 30 und wird hierdurch in eine Referenzwelle 26 und in eine

Objektwelle 27 aufgespalten. Die Objektwelle wird durch abermalige Reflexion an Planspiegeln 28, 29 mit der Referenzwelle 26 in der aus Fig. 11 ersichtlichen Weise zum Schnitt gebracht. An der Schnittstelle wird ein photoempfindliches Material aufgestellt, in dem das durch die Überschneidung der Wellen 26, 27 gebildete Interferenzmuster latent aufgezeichnet wird. Nach Entwicklung liegt ein Beugungsgitter It in Form eines Volumenhologramms vor. Bei Beaufschlagung dieses Hologramms mit einem der Referenzwelle 26 entsprechenden Lichtstrahl wird die Objektwelle in der in F i g. 11 gestrichelt angedeuteten Weise reproduziert. Es können somit durch geeignete Herstellung des Hologramms praktisch beliebige Ablenkwinkel verwirklicht werden, so daß man erfindungsgemäß mit relativ kleinflächigen photoelektrischen Wandlern 19 insbesondere dann auskommen kann, wenn der abzulenkende Winkelbcreich φ relativ schmal ist.

Der von dem Hologramm 11 durchgelassene Winkrlhrrrirh tr hängt von der Dicke des Hologramms ab. Je dicker das Hologramm ist, umso größer die Winkeltrennschärfe. Optimal ist das Hologramm dann ausgebildet, wenn gerade der vorbestimmte Winkelbereich φ mit den Strahlen 12 durchgelassen wird, ein unter einem größeren Winkel auftreffender Strahl 13 (Fig. 1.2) dagegen nicht.

Ein relativ dickes Phasenhologramm ist vor allen Dingen deswegen vorteilhaft, weil sein Wirkungsgrad relativ hoch ist. Allerdings ist dann der durchgelassene Winkelbereich φ beschränkt.

Um auch bei relativ großen Winkelbereichen φ mit einem nicht zu großflächigen photoelektrischen Wandler 19 auskommen zu können, ist nach F i g. 3 das erfindungsgemäße Beugungsgitter 11 in einen im Querschnitt runden Lichtleitstab 14 eingebettet. Die estremen Ablenkwinkel j·, y' werden so gewählt, daß das Licht sämtlicher Lichtstrahlen 12 unter Winkeln der Totalreflexion in den Lichtleitstab 14 eintritt. Es gelangt so weitgehend vollständig zum am Ende des Lichtleitstabes optisch angekoppelten photoelektrischen Wandler 19. Auch in der entgegengesetzten Stirnseite kann ein photoelektrischer Wandler 19 angeordnet sein. An dieser Stelle kann aber auch eine Spiegelfläche vorliegen.

Fig.4 zeigt, wie die Gitterkonstante des Beugungsgitters 11 bei Anordnung in einem Lichtleitstab 14 optimiert werden kann. Die Gitterkonstante wird hier nämlich so gewählt, daß der mittlere, senkrecht zur Stabachse 25 auftreffende Eintrittslichtstrahl 12' genau in Richtung der Stabachse 25, d. h. unter einem rechten Winkel abgelenkt wird. Die Randstrahlen des Winkelbereichs φ verlaufen damit nur unter relativ kleinen Winkeln zur Achse 25, so daß sie weitgehend ohne eine Totalreflexion zum photoelektrischen Wandler 19 gelangen. Sofern eine Totalreflexion stattfindet, erfolgt sie unter einem so kleinen Winkel, daß Verluste hierbei praktisch nicht auftreten.

Nach den Fig.4 und 5 ist vor dem Lichtleitstab 14 und parallel zu ihm eine Zylinderlinse 15 angeordnet welche den Zweck hat, zusammen mit der brechenden Wirkung des runden Lichtleitstabes 14 das auch in der zur Stabachse 25 senkrechten Ebene von der Bahn gestreute Licht auf der Oberfläche des Beugungsgitters 11 in der aus F i g. 5 ersichtlichen Weise zu konzentrieren und somit voll für die Messung auszunutzen. Aus F i g. 5 ist weiter ersichtlich, daß das in den Lichtleitstab t4 eingebettete Beugungsgitter 11 verglichen mit dem Durchmesser des Lichtleitstabes 14 relativ schmal ist.

Nach Fig.6, 7 ist das Beugungsgitter 11 in einem schmalen Bereich der Lichteintrittsmantelseite des Lichtleitstabes 14 angeordnet. In diesem Fall ist es zweckmäßig, daß der kleinste Ablenkwinkel γ' gegen 0 geht, um Totalreflexionen nach Möglichkeit zu vermeiden und dort, wo sie stattfinden, einen möglichst flachen Lichtauftreffwinkel zu erzielen.

Nach F i g. 7 muß die Brechkra't der Zylinderlinse 15 etwas gröber als bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4, 5 sein, da hier zur Konzentration des in Ebenen senkrecht zur Stabachse 25 von der Abtastlinie 17 ausgehenden Lichtbündeln die Brechkraft des runden Lichtleitstabes 14 nicht mitwirkt.

Die Fig. 8 und 9 zeigen, daß das erfindungsgemäße Beugungsgitter 11 auch an der dem Lichteintritt diametral gegenüberliegenden Mantelseite des Lichtleitstabes 14 in optischem Kontakt mit diesem angeordnet sein kann. Das Beugungsgitter Il ist in diesem Fall als Reflexionsgitter ausgebildet und kann eüeinaii:> uacii ciiiciü Vci'iäliicii äi'iaiog Fig.!!

hergestellt werden.

Nach Fig. 9 kann für die Konzentration des in Ebenen senkrecht zur Stabachse 25 konvergenten Lichtes die Brechkraft des Lichtleitstabes 14 wieder mitausgenutzt werden, so daß hier ähnliche Verhältnisse wie beim Ausführungsbeispiel der Fig.4, 5 vorliegen. Die Brechkraft der Zylinderlinse 15 braucht jedoch beim Ausführungsbeispiel der Fig.8, 9 nicht ganz so groß wie bei dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 4, 5 sein, da das Beugungsgitter 11 einen größeren Abstand von der Lichteintrittsseite hat.

Fig. 10 zeigt, daß auch bei den mit einem Lichtleitstab ausgestatteten erfindungsgemäßen Lichtsammelanordnungen ein eine sektorförmige Abtastbewegung entsprechend Fig. 2 ausführender Fahrstrahl 21 verwendet werden kann. In Fig. 10 ist ein Lichtleitstab analog dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 6. 7 gezeigt, auf dessen Lichteintrittsseite ein Beugungsgitter 11 analog dem nach F i g. 2 angeordnet ist. so daß auch unter unterschiedlichen Winkeln auf das Beugungsgitter 11 auftreffende Lichtstrahlen als abgelenkte Strahlen 23 unter gleichen Winkeln zur Stabachse 25 in del, Lichtleitstab 14 eintreten. Die Totalreflexionsverhältnisse sind somit für sämtliche abgelenkten Strahlen 23 die gleichen, so daß bei gleich intensivem Eintrittslichtstrahl auch ein entsprechendes elektrisches Signal am Ausgang des photoelektrischen Wandlers 19 erzielt wird.

Der Einfachheit halber sind im Anschluß an die Abtastlinie 17 in Fig. 10 nur die mittleren Eintritts-Strahlen 12' gezeigt, während der tatsächlich vorhandene Winkelbereich φ gemäß den vorangehenden Ausführungsbeispielen der Übersichtlichkeit halber fortgelassen ist

Das erfindungsgemäße Beugungsgitter kann auch photographisch oder mechanisch hergestellt werden. Es kann auch von einem bereits vorhandenen Gilter photochemisch oder thermoplastisch oder holographisch kopiert werden.

Wenn das Gitter geblazt ist, d. h, wenn das Gitter aufgrund seiner mechanischen Ausbildung bevorzugte Reflexionsrichtungen aufweist, können für ein Oberflä-

chenphasengitter Ablenkungswirkungsgrade über 50% erreicht werden.

Zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig.4 mit im wesentlichen parallel zur Stabachse 25 verlaufenden abgelenkten Lichtstrahlen ist noch zu bemerken, daß im Fall eines dicken Beugungsgitters 11 wegen der Bragg-Bedingung sichergestellt ist, daß am Stab reflektiertes Licht wegen des dabei auftretenden spiegelnden Reflexionswinkels bei nochmaligem Durchtritt durch das Gitter 11 seine Richtung nicht mehr in nachteiliger Weise ändert.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung lassen sich Wirkungsgrade bis nahe 100% erreichen. Aufgrund der geringen Perioclenlänge des Gitters von ca. einer halben Wellenlänge des verwendeten Lichtes tritt keine Modulation des abgelenkten Lichtes auf. Mit einem sektorförmig abtastenden Fahrstrahl kann annähernd die gleiche Präzision der Messung erreicht werden, wie mit einem parallel zu sich selbst verschobenen Fahrstrahi. Durch entsprechende Dickenwani des Beugungsgitters kann eine Filierwirkung bezüglich der durchgelassenen Winkelbereiche erzielt werden.

Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Lichtsammelanordnung eine Kosteneinsparung beim Lichtleitstab und beim Gesamtsystem. Die Fehlererkennungssicherheit ist wesentlich erhöht.

Die Ablenkung des Mittelstrahls eines Winkelbereiches in eine Richtung parallel zum Beugungsgitter hat sowohl bei der Ausführung mit als auch ohne Lichtleitstab den Vorteil, daß das Licht des Mittelstrahles sich nicht bis zum Ende des Beugungsgitters fortpflanzt, sondern sukzessive seitlich herausgestreut wird. Es gelangt also nicht zu dem im Bereich des Endes des Beugungsgitters vorgesehenen photoelektrischen Wandler. Dies ist für die Fehlerermittlung ein großer Vorteil, wen'i der Mittelsirahl der normalen, ungestörten Reflexion bzw. dem normalen, ungestörten Durchgang des Lichtes durch die Materialbahn entspricht und Fehler durch mehr oder weniger große Lichtablenkungen sich bemerkbar machen. Mit anderen Worten ermöglicht die Erfindung auf diese Weise eine Art Dunkelfeldbeleuchtung durch Eliminie;- jng des sehr intensiven mittleren Lichtstrahles. Hinzu kommt der Vorteil, daß der photoelektrische Empfänger bei der besagten Ablenkung des Mittelstrahles in eine Richtung parallel zum Beugungsgitter die minimal mögliche Fläche aufweisen kann.

Ein besonderer Vorteil bei der Benutzung von Hologrammen als Beugungsgitter besteht noch darin, daß man hier frei in der gewählten Richtung der rekonstruierten Welle ist. In Fig. 7 ist beispielsweise gezeigt, wie innerhalb der senkrecht zur Längsrichtung verlaufenden Ebene der Ablenkwinkel des auftreffenden Lichtes so gewählt werden kann, daß die abgelenkte Strahlung unter einem großen Winkel auf die Mantelfläche des runden Lichtleitstabes fällt und der nach Menrfachreflexion auf das Hologramm zurückfallende Anteil gering ist. Das abgelenkte Licht ist in F i g. 7 gestrichelt angedeutet Es kann in dieser Ebene auch jede andere gewünschte Ablenkung verwirklicht werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtsammelanordnung in einer Vorrichtung zur Abtastung einer Fläche wie z. B. einer Materialbahn längs einer Geraden mittels eines Lichtstrahls, wobei die von jeweils einem Punkt der Fläche innerhalb eines bestimmten Winkelbereichs ausgehenden, im wesentlichen monochromatischen, reflektierten oder transmittierten Lichtstrahlen etwa senkrecht auf eine längliche Lichtablenkvorrichtung to auftreffen und zumindest teilweise mittels dieser Lichtablenkvorrichtung auf eine Lichtsammeifläche wie z. B. einen photoelektrischen Wandler gerichtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtablenkvorrichtung ein Beugungsgitter (1) ist.

2. Lichtsammelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (11) als Hologramm, insbesondere Phasenhologramm, von solcher Dicke ausgebildet ist, daß gerade alle unter Winkeln eines vorbestimmten Winkelbereiches (φ) auf treffenden Lichtstrahlen (12) unter Umlenkung durchgelassen werden, außerhalb dieses Winkelbereiches (φ) liegende Lichtstrahlen (13) dagegen nicht.

3. Lichtsammelanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der an allen Stellen entlang der Lichtablenkvorrichtung der Winkelbereich in gleicher Weise zur Längsrichtung der Lichtablenkvorrichtung gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (11) auf der gesamten Länge die gleiche Gitterkonstante hat.

4. Lichtsaii.melanordnung nach Anspruch 1 oder 2. bei der an wenigster^ einig ,1 Stellen entlang der Lichtablenkvorrichiungder Winkelbereich in unterschiedlicher Weise zur Längsri' "ltung der Lichtab- J5 lenkvorrichtung gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstante des Beugungsgitters (11) in Längsrichtung des Beugungsgitters derart veränderlich ist, daß trotz der veränderlichen Richtung des Winkelbereiches an allen Stellen entlang der Längsrichtung des Beugungsgitters die abgelenkten Strahlen im wesentlichen die gleiche Richtung haben.

5. Lichtsammelanordnung, nach Anspruch 4 zur Ablenkung des von einer mit einem sektorförmig bewegten Abiaststrahl iiberstrichenen Materialbahn kommenden Lichtes, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstante entsprechend dem Auftreffwinkel (a, V, λ") auf die Bahn zur Erzielung einer im wesentlichen gleichen Richtung aller abgelenkten so Strahlen stetig zu- bzw. abnimmt.

6. Lichlsamnieianordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem sich parallel zu der Lichtablenkvnrrichiung erstreckenden und im optischen Kontakt mit ihr befindlichen vorzugsweise >J runden Lichtlcitstab, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkwinkel (γ. ·/') aller Lichtstrahlen innerhalb des vorbestimmten Winkelbereichs (η.) so groß ist, dal! sie unter Winkeln der Totalreflexion zur Wand des l.ichtleitstabcs (14) verlaufen w>

7. l.iehtsammulanorilmiMg nat.h Anspruch b. da= durch gekennzeichnet, dal! das Beugungsgitter (11) auf der l.iehteintrittsmaMtelseite des l.ichtleitstabcs (14) angeordnet ist.

8. I.iclitsammelaiioidnung nach Anspruch 6, da- "■> durch gekennzeichnet, dal! das Beugungsgitter (II) auf der dem 1 .ichleintritt diametral gegenüberliegenden Mantelseitc des Lichtlcitstabes (14) angeordnet und als Reflexionsgitter ausgebildet ist-

9. Lichtsammelanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (11) entlang der Achse des Lichtlettstabes (14) in diesen eingebettet ist,

10. Lichtsammelanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das unter einem Winkel in der Mitte des vorbestimmten Winkelbereiches (φ) auftreffende Licht unter einem Winkel von etwa 90° abgelenkt wird.

11. Lichtsammelanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des eingebetteten Beugungsgitters (11) lediglich einen Bruchteil des Lichtlsitstabdurchmessers ausmacht.

12. Lichtsammelanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die in Ebenen senkrecht zur Stabachse befindlichen divergenten Lichtbündel durch eine parallel zum Lichtleitstab (14) angeordnete Zylinderlinse (15) und gegebenenfalls den runden Lichtleitstab (14) auf das Beugungsgitter (11) konzentriert sind.

13. Lichlsamnieianordnung nach einem der Ansprüche 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen (12) innerhalb des Winkelbereichs (φ) im Mittel parallel zur Oberfläche des Beugungsgitters (1 1) abgelenkt werden.