DE3108344A1

DE3108344A1 - Laserinspektionssystem

Info

Publication number: DE3108344A1
Application number: DE19813108344
Authority: DE
Inventors: Cole Harlan Baker
Original assignee: Intec Corp
Current assignee: Intec Corp
Priority date: 1980-03-07
Filing date: 1981-03-05
Publication date: 1981-12-24
Also published as: IT1194760B; US4297587A; IT8120150A0; FR2477712A1; CA1158333A; FR2477712B1; JPS56140244A; SE8101446L

Description

1A-3531
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INTEC CORPORATION Trumbull, Conn., USA

Laserinspektionssystem

Die Erfindung betrifft ein stabilisiertes Absolutgleichstrom-Laserinspektionssystem und insbesondere ein solches System mit einer einfachen Rückkopplungsschleife. Dieses System dient der Kompensation von Änderungen der Laserlichtquelle und des Lichtempfangssystems derart, daß vom System erzeugte Defektsignale auf das inspiziert© Produkt zurückzuführen sind und nicht auf das Inspektionssystem.

Bei Lichtinspektionssystemen wird die Strahlung, z.B. ein Laserstrahl, sukzessive über die Oberfläche des zu prüfenden Materials geführt. Die Intensität des entweder reflektierten, durchgelassenen oder gestreuten Lichtstrahls wird in einem Empfänger ermittelt. Der Empfänger umfaßt eine Photovervielfacherröhre. Das in der Photovervielfacherröhre

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-i-f.

erzeugte Signal wird als Produktsockelsignal bezeichnet. Es variiert gemäß den Charakteristika des untersuchten Materials und kann somit zur Ermittlung von Defekten im Material anhand von Signalvariationen dienen. Das Produktsockelsignal umfaßt einen bestimmten Gleichstrompegel., der abhängig von der Intensität des Laserstrahls, der Systemempfindlichkeit usw. vorliegt, und zwar unabhängig von der Art des untersuchten Materials und unabhängig von der Existenz von Defekten im Material. Dieses Signal wird im folgenden als "Hintergrundsignal" oder als "Gleichstrompegel des Systems" bezeichnet. Es hängt nicht von Produktänderungen ab, sondern vielmehr von Änderungen des Inspektionssystems. Bei vielen Anwendungen bedarf es zur Ermittlung von Defekten lediglich der Erfassung von Relativänderungen des Signalpegels. Bei bestimmten Arten von bandförmigen Produkten sind jedoch zum Zwecke der Identifizierung von Defekten Absolutänderungen erforderlich. In letzterem Fall muß der Hintergrundsignalpegel des Systems stabilisiert werden, um zu erreichen, daß Änderungen im Produktsockelsignal lediglich auf Änderungen der Charakteristika des untersuchten Materials zurückzuführen sind.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neues und stabilisiertes Absolutgleichstrom-Laserinspektionssystem zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau die Messung von absoluten Änderungen der Produktcharakteristika gestattet.

Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein neues und verbessertes Laserdefektdetektorsystem zu schaffen, bei dem das zur Stabilisierung verwendete Signal frei von externen Umwelteinflüssen ist.

Erfindungsgemäß wird ein Laserinspektionssystem geschaffen, welche eine Tasteinrichtung umfaßt, mit der ein Laser-

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strahl über ein zu untersuchendes Produkt geführt wird, z.B. über ein bewegtes Vlies, Band oder Gewebe oder dergl. Ein Empfänger dient zum Empfang der Laserstrahlung, welche vom Band austritt. Dieser Empfänger umfaßt eine Photovervielfacherröhre, welche ein Ausgangssignal gemäß der Intensität der auftreffenden Strahlung erzeugt. Andererseits wird eine Probe der Laserstrahlung des Tastgeräts genommen und der Photovervielfacherröhre direkt zugeführt. Hierdurch wird ein Referenzsockelsignal gebildet, welches abhängt von der Intensität des Laserstrahls, Jedoch frei ist von Material- oder Produkteinflüssen. Das Referenzsockelsignal wird mit einem Referenzsignal verglichen zum Zwecke der Gewinnung eines Steuersignals, welches in einer geschlossenen Regelschleife der Stromversorgungseinrichtung der Photovervielfacherröhre zugeführt wird. Hierdurch wird der Verstärkungsfaktor der Hochspannungsversorgungseinrichtung geregelt, und man erhält ein stabilisiertes Absolutgleichstromsystem .

Die Strahlungsprobe kann bei einer ersten Ausführungsform der Photovervielfacherröhre mit Hilfe eines lichtführenden Rohrs oder eines lichtführenden Stabs oder eines Glasfaserkanals zugeführt werden. Bei einer anderen Ausführungsform dient hierzu ein stabilisierter Sensor, auf den der Laserstrahl während seiner Tastbewegung fällt. Durch diesen Sensor wird das Lichtsignal des Laserstrahls in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches verstärkt wird und einer temperaturkompensierten Lichtemissionsdiode zugeführt wird. Diese steht in Strahlungkommunikation mit der Photovervielfacherröhre. Die Positionierung des Lichtführungskanals oder des Detektors in unmittelbarer Nähe der Tasteinrichtung vermeidet übermäßige Tastüberschreitungen des Systems und ferner ist das Empfangsende des Lichtführungskanals oder der Detektor irgendwelchen externen Umwelteinflüssen entrückt.

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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Blockdarstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inspektionssystems ;

Fig. 2a und 2b Wellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Ausführungsform gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung mit zwei Photovervielfacherröhren;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit einem Lichtführungskanal zur Bildung des Referenzsockelsignals; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung mit einem Lichtführungskanal bzw. einem Photodetektor in Nachbarschaft zur Vorderkante oder Hinterkante des abgetasteten Materials.

In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder sich entsprechende Bauteile. Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Inspektionssystems vom Durchlässigkeitstyp erläutert, bei dem Defekte aufgrund der Lichtdurchlässigkeitseigenschaften des zu untersuchenden Materials ermittelt werden. Die Erfindung ist jedoch auf Inspektionssysteme vom Reflexionstyp anwendbar. Bei solchen Systemen ist das Ausgangssignal proportional dem Reflexionsvermögen des vom Laserstrahl getroffenen Flächenbereichs. In diesem Fall wird der Empfänger oberhalb der zu untersuchenden Materialprobe angeordnet. Die Art des zu untersuchenden Materials und die übrigen Anwendungsbedingungen bestimmen, ob ein Inspektionssystem vom Durchlässigkeitstyp oder vom Reflexionstyp oder aber ein Inspektionssystera vom Lichtstreutyp, für den die vorliegende Erfindung ebenfalls geeignet ist, angewendet wird.

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Fig. 1 zeigt ein allgemein mit 10 bezeichnetes Tastgerät mit einer zweckentsprechenden Strahlenquelle, z.B. einem Laser 12, welcher einen Lichtstrahl 14 erzeugt. Der Lichtstrahl 14 wird nach Ablenkung durch Ablenkspiegel 16, 18 und nach Konzentrierung durch eine Optik 19 auf einen rotierenden Tastspiegel 20 geworfen. Bei dem rotierenden Tastgerät 20 handelt es sich ein herkömmliches Polygon mit einer Vielzahl von verspiegelten Facettenflächen. Dieses wird durch einen nichtgezeigten Motor in der Richtung des Pfeils gedreht. Der Laser, die Umlenkspiegel und die Optik können außerhalb des Tastgeräts 10 angeordnet sein. Es können auch andere Arten von Tastgeräten verwendet werden, z.B. oszillierende Spiegel, rotierende Prismen usw. Das rotierende Tastgerät 20 hat die Aufgabe, den Taststrahl 14 wiederholt über das sich kontinuierlich bewegende, bandförmige Material 25 zu führen. Das zu untersuchende, bandförmige Material 25 bewegt sich in einer Richtung,welche orthogonal zur Papierebene verläuft. Das rotierende Tastgerät 20 veranlaßt den Lichtstrahl 14, quer über die Oberfläche des Materials 25 zu tasten. Die Abtastung in der hierzu orthogonalen Richtung Im Sinne der Bildung eines Tastrasters erfolgt automatisch durch die Bewegung des bandförmigen Materials 25· Das durch das Material 25 fallende Licht gelangt zu einem Empfänger 30, welcher einen zweckentsprechenden Detektor enthält, z.B. eine Photomultlplizierröhre (PMT) 32, welche das auffallende Licht erfaßt. Es können verschiedene Arten von Empfängern verwendet werden. Bei der gezeigten Ausführungsform besteht der Empfänger aus einem lichtführenden Stab 30, welcher an seinem Boden einen diffusen Streifen 31 aufweist, so daß das durch das bandförmige Material 25 fallend© Licht gestreut wird und im Stab 30 intern reflektiert wird und hierbei schließlich zur Photomultiplizierröhre 32 gelangt. Ein anderer Empfänger dieses Typs ist in der US-PS 3 900 265 beschrieben.

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Bei einem typischen Lichtinspektionssystem erzeugt der Detektor 32 zu jedem Zeitpunkt während des Abtastens ein Ausgangssignal, welches proportional der Durchlässigkeit des Materialbereichs 25 ist, auf den der Laserstrahl 14 auftrifft. Defekte im untersuchten Material 25 verändern das Ausgangssignal des Detektors 32 aufgrund geänderter Durchlässigkeits- oder Lichtstreueigenschaften des Materials, Hierdurch erhält man eine Einrichtung zur Erfassung von Fehlerstellen oder Defekten im untersuchten Material. Bei einem Reflexionssystem ist der Empfänger 30 über dem Material 25 angeordnet und empfängt reflektierte Strahlen, welche von der Oberfläche des bewegten Bandes 25 entweder durch Spiegelreflexion oder durch Streureflexion zurückgeworfen werden.

Während der Tastbewegung des Taststrahls 14 über das zu untersuchende Produkt 25 ändert sich die Lichtenergie, welche vom Empfänger 30 aufgefangen wird. Solange der Lichtstrahl außerhalb des untersuchten Bandes liegt, ist die empfangene Lichtenergie gleich Null. Sobald der Lichtstrahl auf das zu untersuchende Band fällt, nimmt die empfangene Lichtenergie einen endlichen Betrag an, und zwar aufgrund der Lichtstreu- oder Lichtdurchlässigkeitseigenschaften des Bandes. Sobald danach der Lichtstrahl wiederum aus dem Bereich des zu untersuchenden, bewegten Bandes heraustritt, so wird die empfangene Lichtenergie wieder Null. Das hieraus resultierende Grundsignal ist in Fig. 2a gezeigt. Das vom Detektor 32 abgegebene elektrische Signal ist eine klassische Rechteckfunktion, welche üblicherweise als Sockelsignal bezeichnet wird. Solange die Strahlleistung, d.h. das Produkt der optischen Dichte und der Empfängerempfindlichkeit, konstant bleibt, so erhält man ein Sockelsignal, dessen Höhe ebenfalls konstant bleibt. Wenn jedoch die Strahlleistung oder die Empfängerempfindlichkeit sich ändert, so ändert sich auch die Höhe des Sockelsignals. Es ist nun jedoch im Falle einer Änderung des Sockelsignals

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nicht bekannt, ob dies auf eine Änderung der Eigenschaften des zu untersuchenden Produktes zurückzuführen ist oder auf eine Änderung der Leistung oder der Verstärkung des Systems.

Um nun sicherzustellen,daß eine Änderung des Signalpegels des Detektors ausschließlich zurückgeht auf eine Änderung der Produkteigenschaften, muß man ein Absolutgleichstromsystem verwenden, so daß die Leistungsverstärkung des Systems durch einen Regelkreis stabilisiert wird. Dieser Regelkreis muß die Lichtquelle umfassen sowie das Lichtsammelsystem oder das Lichtempfangssystem. Unter den Systemparametern liegen die Laserstrahlleistung und der Verstärkungsgrad der Photomultiplizierröhre den stärksten Änderungen aufgrund der Benutzungsdauer, der Temperatur und anderer Umweltfaktoren. Eine Methode zur Berücksichtigung dieser Konsequenzen besteht darin, daß man einen Teil der Lichtstrahlenergie des Tastgeräts direkt der Empfangsfläche der Photomultiplizierröhre zuführt.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform dieses Erfindungsgedankens. Hierbei wird ein stabilisierter Sensor 34 verwendet, z.B. eine Solarzelle oder ein Slliciumdetektor mit Temperaturkompensation. Dieser Sensor 34 ist innerhalb des Tastgeräts 10 angeordnet oder an diesem befestigt. Er dient dazu, das Lichtsignal gemäß der Intensität des Laserstrahls 14 in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Das Sensorausgangssignal 34 gelangt zu einem Verstärker 36, dessen Amplitude mit Hilfe eines Potentiometers 38 eingestellt wird. Das verstärkte Ausgangssignal dient zum Treiben einer Lichtemissionsdiode 40, welche im Empfänger 30 angeordnet ist, und zwar in der Nähe der Stirnfläche der Photovervielfacherröhre 32. Es ist bevorzugt, die Lichtemissionsdiode 40 nahe bei dieser Stirnfläche der Photovervielfacherröhre anzuordnen. Dennoch kann man jedoch gemäß Fig. 1 die Licht-

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emissionsdiode auch an anderen Positionen entlang des Empfängers 30 anordnen, falls dies zweckdienlich ist« Die Einstellung des Potentiometers 38 ist äquivalent der Ein- ₅/ stellung verschiedener Referenzpegel und somit der Steuerung der Empfindlichkeit des Systems. Eine solche Empfindlichkeitssteuerung ist erwünscht bei der Untersuchung unterschiedlicher Produkttypen.

Damit der stabilisierte Sensor 34 den angestrebten Zweck erfüllt, ist es erforderlich, das Signal des Detektor elektronisch zu erfassen, so daß sein Pegel mit einer einstellbaren Referenzspannung verglichen werden kann. Das so gebildete Referenzsignal wird sodann verstärkt und gelangt zu einer zweckentsprechenden Systemkomponente zur Erzielung einer konstanten Verstärkung. Ein zweckentsprechendes Element für diesen Zweck ist*die Hochspannungsquelle der Photovervielfacherröhre 32. Der Verstärkungsgrad der Photovervielfacherröhre 32 steht in direkter Beziehung zur Hochspannung der Röhre. Daher werden durch die Ausführungsform gemäß Fig. 1 mit dem Rückkopplungssystem Änderungen der Laserstrahlleistung, der PhotovervielfacherrÖhrenempfindlichkeit und anderer Komponenten innerhalb des Regelkreises korrigiert. Hierdurch erhält man also eine fixierte Systemempfindlichkeit, so daß es gelingt, absolute Änderungen der Produktcharakteristika zu erfassen und zu messen.

Das Ausgangssignal des Sensors 34 gelangt über die Photovervielfacherröhre 32 zu einer Tast- und Halteschaltung 42. Taktimpulse 44 (l/f) gelangen pro Facette des rotierenden Tastgeräts 20 zu einem einstellbaren, monostabilen Multivibrator 46. Dieser führt zu einer Erfassung des Ausgangssignals des Sensors 34, welches im zusammengesetzten Ausgangssignal der Photovervielfacherröhre enthalten ist. Dieses Referenzprobensockelsignal 48 ist in Fig. 2b gezeigt. Es gelangt von der Tast- und Halteschaltung 42 zu einem Dif-

ferentialverstärker 50, an dessen anderem Eingang ein Referenzpotential 52 ansteht. Das Differenzausgangssignal zeigt Änderungen des Pegels des Referenzsockelsignals 48 an. Es wird der Hochspannungsquelle 54 zugeführt, deren Ausgang mit der Photovervielfacherröhre 32 verbunden ist. Daher führen Änderungen der Laserstrahlleistung, der Empfindlichkeit der Photovervielfacherröhre und anderer Komponenten innerhalb des Regelkreises einschließlich der Hochspannungsquelle 54 der Photovervielfacherröhre zu einer Kompensation durch das Rückkopplungssystem, welches die Verstärkung des Systems stabilisiert.

Der Sensor 34 wird in dem Tastgerät 10 untergebracht und sein Ausgangssignal wird direkt mit der Stirnfläche der Photovervielfacherröhre 32 gekoppelt» Hierdurch wird die Notwendigkeit einer exzessiven Tastüberschreitung des Tastgeräts eliminiert. Ferner werden hierdurch der Detektor 34 und sein Ausgangssignal den Einflüssen der externen Umgebung entzogen.

Fig. 3 zeigt einen Empfänger 30 mit zwei Photovervielfacherröhren. Es ist eine Photovervielfacherröhre 66 zusätzlich zur Photovervielfacherröhre 32 vorgesehen. Bei einer solchen Anwendung ist es erwünscht, jedoch nicht absolut erforderlich, einen zweiten stabilisierten Sensor 60 zu verwenden. Die beiden Sensoren 34, 60 werden auf jeder Seite des Produktes angeordnet, und zwar entsprechend der Vorderkante und der Hinterkante des bewegten Bandes 25. Gemäß Fig. 3 gelangt das Ausgangssignal des Sensors 60 zu einem Verstärker 62 und zu einer Lichtemissionsdiode 64 in unmittelbarer Nachbarschaft der Stirnfläche der Photovervielfacherröhre 66. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Regelsysteme des in Fig. 1 gezeigten Typs vorgesehen, und zwar je eines für jede der Photo« vervielfacherröhren.

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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 ge-2eigt. Hierbei handelt es sich um die einfachste Ausführungsform der Erfindung, nämlich der Kopplung einer Referenzlichtquelle direkt vom Laserstrahl zur Photovervielfacherröhre in Form einer optischen Faser oder Glasfaser oder in Form einer Liohtröhre. Diese ist an den Kantenbegrenzungen des Tastintervalls angeordnet, wie durch die Lichtführungsröhre 70 in Fig. 4 angedeutet. Daher wird während der Tastüberschreitung die Lichtführungsröhre mit der Photovervielfacherröhre gekoppelt und das hierdurch gebildete Sockelsignal 48 ist in Fig. 2b gezeigt. Dieses Signal wird in gleicher Weise verarbeitet wie bei dem Regelsystem der Fig. 1. Die Menge des durch das Lichtführungsrohr 70 eingekoppelten Lichts kann durch eine Lichtfeldblende eingestellt werden. Hierdurch können die erforderlichen Einstellungen für verschiedene Produkttypen und Empfängerkonfigurationen vorgenommen werden« Man kann natürlich ein weiteres Lichtführungsrohr auf der anderen Seite des Tastgeräts anordnen, so daß man Lichtimpulse sowohl an der Vorderkante als auch an der Hinterkante der Tastspur quer über das bewegte Band 25 erhält. In diesem Falle werden zwei Photovervielfacherröhren gemäß der Ausführungsform der Fig. 3 verwendet oder aber es wird nur eine einzige Photovervielfacherröhre verwendet.

Fig. 5 zeigt die Positionierung des Sensors 60 oder des Lichtführungsrohrs 70 entlang der Vorderkante bzw. Hinterkante (in Tastrichtung) des untersuchten Bandes 25 derart, daß der Laserstrahl bei der Tastüberschreitung auf den Sensor 60 bzw. auf das Lichtführungsrohr 70 auftrifft. Auch in diesem Fall wird wiederum die Empfindlichkeit des Systems durch den geschlossenen Regelkreis gemäß Fig. 1 gesteuert. Die letztere Ausführungsform zeigt, daß Sensoren oder Lichtführungsrohre auch in Nachbarschaft zum untersuchten Objekt angeordnet werden können anstelle der Anordnung im Tastgerät gemäß den Ausführungsformen der Fig. 1 bis 4. Die Ausführungs-

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formen gemäß Fig. 1 bis 4 zeigen den Vorteil, daß das erzeugte Referenzsockelsignal unabhängig von der externen Umgebung ist. Dieser Vorteil geht in gewissem Maße bei der Ausführungsform der Fig. 5 verloren.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1J Stabilisiertes Absolutgleichstrorasystem zur Steuerung der Empfindlichkeit eines Lichtinspektionssystems mit einem Laser und einem Tastgerät, mit dem der Laserstrahl über eine Oberfläche eines zu inspizierenden, bewegten Materials geführt wird zum Zwecke der Erfassung von Defekten im Material,

mit einem Empfänger zum Empfang der Laserstrahlen, welche vom abgetasteten Material ausgehen, und mit einer Photovervielfacherröhre zur Erzeugung eines Ausgangssignals gemäß der Identität der auftreffenden Strahlung, gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (34-40;60-64;70) zur Beaufschlagung der Photovervielfacherröhre (32,66) mit einer Strahlungsprobe des Laserstrahls unter Erzeugung eines Referenzsockelsignals (48) in Abhängigkeit von der Intensität des Laserstrahls, welches frei von Einflüssen der Materialcharäkteristika ist;

durch einen Komparator (50) zum Empfang eines Referenzpotentials und des Referenzsockelsignals und zur Bildung eines Steuersignals;

durch eine Stromversorgungseinrichtung (54) für die Photovervielfacherröhre (32,66); und

durch eine Rückkopplungsschaltung zur Kopplung des Steuersignals mit der Stromquelle (54) für die automatische Steuerung des Verstärkungsfaktors der Photovervielfacherröhre (32,66) auf einen konstanten Wert unter Bildung eines stabilisierten Gleichstromsystems.
2. Stabilisiertes Absolutgleichstromsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Beaufschlagung der Photovervielfacherröhre mit einer Strahlungsprobe des Laserstrahls ein Lichtführungsrohr, einen Transparentstab oder einen Glasfaser-Lichtführungskanal umfaßt.

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3. Stabilisiertes Absolutgleichstromsystem nach Anspruch 2_f dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtführungsrohr oder der Lichtführungsstab oder der Glasfaserkanal (70) mit einem Ende im Tastgerät (10) angeordnet ist und mit dem anderen Ende im Empfänger (30) zur direkten Einkopplung der Strahlung während der Tastüberschreitung des Tastgeräts (10) in den Empfänger (30).
4. Stabilisiertes Absolutgleichstromsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transparentstab oder das Lichtführungsrohr oder der Glasfaserkanal mit einem Ende in der Nähe der Kante des bewegten Bandes (25) angeordnet ist und mit dem anderen Ende im Empfänger (30) zur direkten Einkopplung der Strahlung während der Tastüberschreitung des Tastgeräts (10) in den Empfänger (30).
5. Stabilisiertes Absolutgleichstromsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Beaufschlagung der Photovervielfacherröhre (32, 66) mit einer Probe der Strahlung des Laserstrahls einen Sensor (34,60) zum Empfang des Licht des Laserstrahls umfaßt sowie einen Verstärker (36,62) zur Verstärkung des Sensorsignals und eine Lichtemissionsdiode (40,64), welche im Empfänger (30) angeordnet ist und mit dem Ausgang des Verstärkers (36,62) gekoppelt ist.
6. Stabilisiertes Absolutgleichstromsystem nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (34,60) im Tastgerät (10) angeordnet ist.
7. Stabilisiertes Absolutgleichstromsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (34,60) in der Nähe der Kante des bewegten Materials (25) positioniert ist.

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