DE3446355A1 - Optisches fehlersuchgeraet - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein optisches Fehlersuchgerät mit einer Lichtabtastvorrichtung, die auf der Oberfläche des zu untersuchenden
Gegenstandes, vorzugsweise einer Materialbahn eine Lichtzeile erzeugt, die sich quer zur Längsrichtung über die
Bahn erstreckt, und einer Lichtzeilen-Empfangsvorrichtung, die das vom zu untersuchenden Material reflektierte Licht aufnimmt
und zu einem photo-elektronischen Wandler weiterleitet.
Ein Spinnvlies oder ein nicht gewebtes filzartiges Gewebe kann verschiedene Dicken und Zusammensetzungen aufweisen. Von dünnsten
gaze-artigen Lagen bis zu dicken fließpapierähnlichen Bahnen aus Kunstfasern,Zellulose oder auch Glasfasern, sind sämtliche
Ausbildungen mit dazwischenliegenden Stärken möglich. Allen derartigen filzartigen Geweben ist jedoch ihre deutlich unregelmäßige
Struktur gemeinsam.
Diese von Haus aus unregelmäßige Struktur derartiger filzartirer
Gewebe erschwert die optische Fehlersuche, da selbst fehlerfreies Material ein hohes Grundrauschen aufweist. Dieses Grundrauschen
beeinträchtigt in hohem Maß die Auffindung einzelner Fehler bei der Oberflächeninspektion auf herkömmliche Art, d.h. bei Transmissionsmessung
oder Beurteilung der Änderung des reflektierten Lichtes durch Fehler im Material. Der weitaus größte Teil der
Fehler sind Verdickungen, aufliegende Fäden und/oder Kleberanhäufungen. All diese Fehler werden von einem streifenden Lichtstrahl,
der über ein eben geführtes Material streift, angeschnitten, während das fehlerfreie Material in der gleichen Linie noch
nicht, sondern erst später getroffen wird. Dieser Effekt wird bei der nachfolgend beschriebenen Erfindung zur Fehlersuche ausgenutzt.
Das Ziel der Erfindung ist ein einfach aufgebautes Fehlersuchgerät,
das gleichwohl sehr betriebssicher arbeitet und auch bei von Haus aus sehr unregelmäßigem Material wie filzartigen
Geweben eine einwandfreie Fehleranzeige liefert.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß das die Lichtzeile bildende Lichtbündel unter einem spitzen
Einfallswinkel auf die Gegenstandsoberfläche auftrifft und daß unter dem Streuwinkel der Reflexion die abbildende optische
Lichtzeilen-Empfangsvorrichtung mit ihrer Längsausdehnung parallel zur Achse der Lichtzeile so angeordnet ist, daß
die Lichtzeile in der Ausdehnung senkrecht zur Zeilenrichtung nur teilweise auf den photo-elektronischen Wandler oder auf
das zur Weiterleitung des Lichtes zum photo-elektronischen Wandler dienende Mittel abgebildet wird.
Hierbei wird zur Herabsetzung des Grundrauschens zweckmäßigerweise
außerdem entsprechend der Grobheit des Gewebes mit einem relativ dazu großen Lichtfleck gearbeitet.
Die Erfindung arbeitet in erster Linie mit einem optischen Scanner als Lichtabtastvorrichtung, welcher ein Spiegelrad,
einen Hohlspiegel und Mittel zur Lichtstrah!fokussierung aufweist.
Der Scanner erzeugt eine ständige Folge von Lichtzeilen, die vorzugsweise als paralleler Lichtvorhang auf das geradlinig
geführte Bahnmaterial fallen. Ein oder mehrere Empfängersysterne
mit optischen Elementen zur Erzeugung einer Abbildung sind im Winkelbereich zwischen Sendestrahl und dem Winkel der regulären
Reflexion so angeordnet, daß die Lichtzeile auf den Empfänger abgebildet wird. Vorzugsweise wird ein Empfangssystem mit einem
Lichtleitstab gemäß der DE-PS 21 61 026 verwendet, d.h., daß
das Licht, welches von der Lichtzeile ausgeht, durch eine Zylinderlinse aufgenommen und auf das Spiegelraster eines Lichtleitstabes
projiziert wird. Dieses Raster lenkt das Licht seitlich ab und wird durch Totalreflexion im Innern des Stabes zu einem
Stabende geleitet, wo ein photo-elektrischer Wandler das Licht
in ein elektrisches Signal umsetzt, das in einer elektronischen Auswerteschaltung verarbeitet wird.
Das durch die Lichtfleckgröße und den streifenden Einfall der Lichtzeile erzeugte Lichtband wird durch die erhabenen Fehler
des Materials deformiert, d.h., daß anstelle eines geradlinig begrenzten Bandes ein unregelmäßiger Lichtstreifen erscheint,
der an der Fehlerstelle eine zum Sender hin ausgebogene Kante aufweist.
Erfindungsgemäß wird der Empfänger nunmehr so einjustiert, daß
nur der obere oder der untere Kantenbereich auf das Spiegelraster abgebildet wird. An der Fehlerstelle wird dann durch mehr oder
weniger Licht ein auswertbarer elektronischer Impuls erzeugt.
Die hierzu erforderliche Justage kann durch Einstellung des gesamten Empfangssystems oder auch durch einfaches Verdrehen
des Lichtleitstabes erfolgen. Derselbe Effekt kann auch durch eine streifenförmige Blende kurz hinter dem Lichtband oder
besser durch eine Blende in einer optischen Zwischenabbildung erfolgen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche
gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:
Figur 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen optischen Fehlersuchgerätes,
Figur 2 eine schematische perspektivische Ansicht schräg von oben auf einen Teil der Anordnung nach Fig. 1,
Figur 3 eine Draufsicht auf den auf der Bahnoberfläche erzeugten
Lichtstreifen,
Figur 4 eine Lichtstreifenabbildungs-Vorrichtung,
Figur 5 die gleiche Lichtstreifenabbildungs-Vorrichtung
mit einer anderen, verbindungsgemäßen Justage des
eingebauten Lichtleitstabes,
Figur 6 eine mit einer Zwischenabbildung arbeitende Lichtstreifenabbildungs-Vorrichtung
gemäß der Erfindung-, und
Figur 7 ein schematisches Blockschaltbild bei einem optischen Fehlersuchgerät.
Nach Fig. 1 erzeugt eine mit einem Laser arbeitende Lichtabtastvorrichtung
21 einen Fahrstrahl 12, der auf der Oberfläche 13 einer teilweise um eine rotierende Walze 19 herumgeführte Materia
bahn 18 dort auftrifft, wo sie sicher und gut geführt auf der
Oberfläche der Walze 19 aufliegt. In Richtung der Achse 22 der Walze 19, d.h. senkrecht zur Transportrichtung f der Materialbahn
18 führt der Fahrstrahl 12 eine periodische Abtastbeweguncr
aus, so daß gemäß Fig. 2 auf der Materialbahn ein quer verlaufender Lichtstreifen 11 erzeugt wird. Der Lichteinfallswinkel ·Λ
beträgt nach Fig. 1 20°.
Unter dem Winkel der normalen Lichtreflexion tritt bei fehlerfreiem
Material ein reflektierter Strahl 23 aus, der nach Fig. nahe an einer Lichtstreifenempfangsvorrichtung 14 vorbeiläuft. Di
Lichtstreifenempfangsvorrichtung 14 ist also knapp außerhalb des
Winkels der normalen Lichtreflexion angeordnet.
In Fig. 2 ist angedeutet, wie sich der Lichtstreifen 11 beim Vorliegen eines erhabenen Fehlers 24 auf der Oberfläche 13
der Materialbahn verformt. Da dieser erhabene Fehler 24 vor dem Erreichen des Zeniths der Bewegung um die Walze 19 herum
beleuchtet wird, wird das in diesem Bereich auftreffende Licht
schon früher reflektiert als das an den fehlerfreien Stellen der Materialbahnoberfläche gestreute Licht.Der Fehlerlichtstrahl
verläuft daher zwar parallel zum normal reflektierten Lichtstrahl
23, ist jedoch gegenüber diesem in der aus Fig. 1 er-
sichtlichen Weise parallel versetzt, so daß es im Gegensatz zu dem normal reflektierten Licht in die Lichtstreifen-Empfangsvorrichtung
14 gelangen kann.
Wesentlich für diese Wirkung ist, daß der Lichtstrahl 12 unter einem relativ spitzen Winkel von etwa 20 oder geringfügig
darunter auf die Oberfläche auftrifft, damit die Ausbauchung
des Lichtstreifens 11 durch eine Fehlerstelle 24 möglichst ausgeprägt ist. In vorteilhafter Weise trägt zur Erzeugung eines
ausgeprägten Lichtstreifens auch die Führung der Materialbahn 18 über die gekrümmte Umfangsfläche der Walze 19 bei.
Gegebenenfalls kann auch zum Empfang der Rückwärtsstreuung im Winkelabstand von 60° zum eingestrahlten Licht eine weitere L.
.streifen-Empfangsvorrichtung 14' angeordnet sein.
In Fig. 3 ist veranschaulicht, wie durch die erfindungsgemäße Abbildung ein auf der Materialbahnoberfläche vorhandener realer
Lichtstreifen 11 mit einer Ausbeulung 24' an der Stelle eines erhabenen Fehlers in der Abbildung (gestrichelt dargestellt)
in zwei Bereiche 11', 11" aufgeteilt wird. Diese beiden Empfangsbereiche 11', 11" werden getrennt von einem oder zwei photoelektrischen
Lichtempfängern aufgenommen. Man erkennt, wie der den Lichtstreifen 11' aufnehmende Photoempfänger aufgrund der
Ausbeulung 24' ein wesentlich verstärktes und der den anderen Bereich 11" empfangende Empfänger ein erniedrigtes Empfangssignal aufnimmt, was für die Fehlerauswertung ausgenutzt werden
kann.
Nach Fig. 4 besteht eine Lichtstreifen-Empfangsvorrichtung für
den Lichtstreifen 11 aus einer aus zwei Zylinderlinsen bestehenden
Zylinderlinsenanordnung 16, welche sich parallel zur Lichtzeile 11 erstreckt. Die Zylinderlinsenanordnung 16 bildet
den Lichtstreifen 11 auf das streifenförmige Spielraster 17
eines im Querschnitt runden Lichtleitstabes 15 ab.
Durch eine geeignete Verdrehung des Lichtleitstabes um seine Achse (Fig. 5), kann erreicht werden, daß z.B. lediglich der
Bereich 11' nach Fig. 3 für die photo-elektrische Auswertung
herangezogen wird. Im Falle der Fig. 5 ist der Lichtleitstab so verdreht, daß nur der obere Randbereich 11' der Lichtzeile
zum Spiegelraster 17 und damit zu dem an der einen Stirnseite des Lichtleitstabes 15 vorgesehenen nicht dargestellten photo-elektri
sehen Wandler gelangt.
Fig. 6 zeigt eine ähnliche Ausführungsform, bei der jedoch durch
eine weitere Zylinderlinse 20 an der Stelle einer quer zur optischen Achse 2? verschieblichen Blende 26 eine Zwischenabbildung
der Lichtzeile 11 erfolgt. Die Blende 26 deckt das Zwischenbild bis auf die für die Auswertung heranzuziehende Randzone 11'
(oder 11") ab, so daß nur diese auf dem Spiegelraster 17 des Lichtleitstabes 15 abgebildet wird. Durch Verschiebung der Blende
26 senkrecht zur optischen Achse 25 kann die Breite der abgebildeten Randzone 11' bzw. 11" verändert und damit auch die
Empfindlichkeit des Fehlersuchgerätes beeinflußt werden.
Es wäre auch denkbar, mit einem Empfangssystem, vorzugsweise einer Diodenzeile in Transmission zu messen, wenn das Material
über eine transparente Führungsebene, z.B. eine gewölbte Silikatglasfläche oder ein Glasrohr geführt werden würde und z.B. die
Diodenzeile im Kantenbereich des Lichtbandes dicht unter der Glasfläche angebracht wäre. Eventuell könnte das Führungselement
selbst aus einem Glaslichtleitstab mit einem entsprechenden Eintrittsfenster ausgebildet werden. In jedem Fall kopmt
es darauf an, daß jeweils nur die Randzonen des erzeugten Lichtstreifens für die Fehlerauswertung herangezogen werden,
um so trotz des stark strukturierten Materials zu einer eindeutigen Fehleraussage zu kommen.
Fig. 7 zeigt schematisch ein Blockschaltbild eines optischen Fehlersuchgerätes.An den Stirnseiten der beiden Lichtleitstäbe
15, die das von den seitlichen Bereichen 11', 11" ausgehende Licht empfangen* befinden sich photoelektrische Wandler 28, 29,
zu denen das von der Mantelseite in die Lichtleitstäbe 15 eintretende
Licht durch Spiegelung und Totalreflexion gelangt. Die Ausgänge der Wandler 28, 29 sind an einen Differenzverstärker
angelegt, der eine Auswerteelektronik 31 speist.
Aufgrund der punktförmigen Abtastung der Bereiche 11', 11" erscheint
am Orte der Fehlstelle 24· ein besonders ausgeprägtes
Differenzsignal, weil der eine photoelektrische Wandler 15 ein
sehr starkes, der photoelektrische Wandler 29 dagegen ein sehr schwaches Signal abgibt, so daß am Ausgang des Differenzverstärkers
30 ein sehr ausgeprägtes Differenzsignal vorliegt, das in der Auswerteelektronik 31 zur Fehleranzeige herangezogen werden
kann.
Die Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Fehlersuchgerätes ist deswegen besonders groß, weil beide zu beiden Seiten des Lichtstreifens
11 vorhandenen auf die beiden photoelektrischen Empfangsanordnungen abgebildeten Bereiche 11', 11" sich mit dem
Lichtstreifen 11 nur teilweise überlappen und weil zwischen ihnen ein deutlicher Abstand, der vorzugsweise etwa gleich der Hälfte
der Breite des Lichtstreifens ist, vorliegt.
Claims (9)
1. Optisches Fehlersuchgerät mit einer Lichtabtastvorrichtung, die
auf der Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstandes, vorzugsweise einer Materialbahn eine Lichtzeile erzeugt, die sich quer
zur Längsrichtung über die Bahn erstreckt, und einer Lichtzeilen-Empfangs vorrichtung, die das vom zu untersuchenden Material reflektierte
Licht aufnimmt und zu einem photo-elektronischen Wandler weiterleitet, dadurch gekennzeichnet, daß das
die Lichtzeile (11) bildende Lichtbündel (12) unter einem spitzen Einfallswinkel (Λ) auf die Gegenstandsoberfläche (12) auftrifft
und daß unter dem Streuwinkel der Reflexion . die abbildende optische
Lichtzeilen-Empfangsvorrichtung (14) mit ihrer Längsausdehnung parallel zur Achse der Lichtzeile (11) so angeordnet ist, daß
die Lichtzeile (11) in der Ausdehnung senkrecht zur Zeilenrichtung
nur teilweise auf den photo-elektronischen Wandler oder auf das
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3A46355
zur Weiterleitung des Lichtes zum photo-elektronischen Wandler
dienende Mittel (15) abgebildet wird.
2. Optisches Fehlersuchgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtzeilen-Empfangsvorrichtung
(14) aus einem mit einem streifenförmigen Spiegelraster
(17) versehenen Lichtleitstab (15) mit vorgeschalteter Zylinderlinse
(16) besteht, wobei die Zuordnung des Spiegelrasters (17) zum abgebildeten Lichtstreifen so gewählt ist, daß entweder
nur der obere oder der untere Rand des Lichtstreifens (11) auf das Raster abgebildet wird.
3. Optisches Fehlersuchgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialbahn (18) zur erschütterungsfreien
und faltenfreien Führung in der Abtastzeile um eine vorzugsweise mattschwarze Walze (19) geführt ist.
4. Optisches Fehlersuchgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der spitze Einfallswinkel
(JC) zur Oberfläche 10 bis 30 und insbesondere etwa beträgt.
5. Optisches Fehlersuchgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtzeilen-Empfangs
vorrichtung (14) vorzugsweise etwas außerhalb des Winkels der regulären Reflexion angeordnet ist.
6. Optisches Fehlersuchgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtzeilen-Empfangsvorrichtung (14') in Rückwärts streuung, vorzugsweise
im Winkelabstand von 60 zum eingestrahlten Licht in Richtung zur regulären Reflexion angeordnet ist.
7. Optisches Fehlersuchgerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Empfänger entsprechend
Anspruch 5 oder 6 angebracht sind, wobei ein Empfänger auf den oberen und der zweite auf den unteren Rand des Lichtstreifens
(11) ausgerichtet ist und die elektrischen Signale zur Verstärkung des Effektes invertiert und addiert werden.
8. Optisches Fehlersuchgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die teilweise Abbildung
des Lichtstreifens (11) durch eine streifenförmige Blende (26) in der Zwischenabbildung einer der Lichtstreifen-Empfangsvorrichtung
(14) vorgeschalteten Zylinderlinse (20) erzeugt wird.
9. Optisches Fehlersuchgerät nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η
zeichnet, daß die streifenförmige Blende (26) zur Anpassung
an die Materialart und Empfindlichkeit des Systems senkrecht zum Lichtstreifen (11) verstellt werden kann.
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