DE3534018A1 - Optische bahnueberwachungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Bahnüberwachungs­ vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei derartigen optischen Bahnüberwachungsvorrichtungen ist es bereits bekannt, auf der Empfangsseite im Dunkel­ feld zu arbeiten, um das z.B. an spiegelnden Metallflächen ungestreut reflektierte Licht von den Empfangsphotoempfängern fernzuhalten. Auf diese Weise ergeben an der Dunkelfeldblende aufgrund von Fehlern vorbeigehende Lichtstrahlen ein besonders ausgeprägtes Fehlersignal.

Es ist weiter schon bekannt, an der Stelle auf der Empfangsseite, wo über die spiegelnde Bahnoberfläche die reflektierende Oberfläche des Spiegelrades abgebildet wird, eine aus zahlreichen Photoempfängern bestehende Flächenmatrix anzuordnen, um die an der Bahn erfolgte Streuung der einzelnen Lichtstrahlen in der angeschlossenen Auswerteelektronik erfassen zu können. Durch die Bestimmung der Streuindikatrix können zahlreiche Fehler nach ihrem Charakter unterschieden werden.

Während es bei mit einer Dunkelfeldblende arbeitenden Anordnungen nicht möglich ist, zwischen größeren und kleineren Streuwinkeln zu differenzieren, ermangelt es der Photoempfängermartrix gerade in Bezug auf die größeren Streuwinkel, bei denen die Lichtintensität häufig schon relativ schwach ist, einer ausreichenden Empfindlichkeit.

Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, eine optische Bahnüberwachungsvorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit der durch die abgetastete Materialbahn nur wenig abgelenkte und daher noch relativ intensive Lichtstrahlen auf ein­ fache Weise erfaßt werden können, wobei die stärker gestreuten und allgemein wenige intensiven Lichtstrahlen unabhängig erfaßt werden können sollen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 vorgesehen.

Voraussetzung für die Erfassung sehr kleiner Streuwinkel ist, daß in der Eintrittspupille der optisch ab­ tastenden Bahnüberwachungseinrichtung, also bei­ spielsweise auf der reflektierenden Spiegelfläche des Spiegel­ rades ein in seinen Umrissen scharf begrenzter, vorzugsweise kreisförmiger oder rechteckiger Lichtfleck vorliegt. Dieser kann entweder durch Anordnung einer entsprechend geformten Blende unmittelbar an der Spiegelfläche oder auf der Spiegelfläche oder durch Abbildung einer solchen Blende auf die reflektierende Spiegelfläche erzeugt werden. Die Spiegelfläche bzw. der auf ihr befindliche scharf begrenzte Lichtfleck wird dann beispielsweise über den bzw. die streifen­ förmigen Hohlspiegel exakt auf die Dunkelfeldblende auf der Empfangsseite abgebildet. Bei fehlerfreier spiegelnder Reflexion wird keine der Lichtempfangsflächen von Streulicht beaufschlagt, so daß kein Fehlersignal erscheint. Treten jedoch bei als Materialbahn verwendeten Folien, Flachglas oder ähnlichen blanken Materialien in Trans­ mission und/oder Reflexion Schlieren, Blasen, Linsen oder sogenannte Fischaugen auf, so erfolgt eine geringfügige Ablenkung des reflektierten oder durch­ gehenden Lichtes, was dann dazu führt, daß das betreffende Licht am Rande der Dunkelfeldblende auf eine der Licht­ empfangsflächen fällt und so durch die anschließende Photowandleranordnung zur elektrischen Anzeige gebracht werden kann.

Bei einer telezentrischen Anordnung von Sende- und Empfangshohlspiegel befindet sich die Dunkelfeldblende mit den rundum angeordneten Lichtempfangsflächen in der Brennebene des streifenförmigen Empfangshohlspiegels. Die Dunkelfeldblende ist vorzugsweise ein wenig größer ausgebildet als das Bild der Eintrittsblende auf der spiegelnden Fläche des Spiegelrades.

Um Lichtablenkungen in allen Richtungen erfassen zu können, sind zweckmäßigerweise die Merkmale des Anspruches 2 vor­ gesehen.

Da häufig eine Diskriminierung zwischen unterschiedlichen Azimuten der Lichtablenkung nicht erforderlich ist, sind zweckmäßigerweise die Lichtempfangsflächen gemäß Anspruch 3 gruppenweise zusammengeschlossen.

Da infolge verschiedener ungewollter Streueffekte innerhalb der gesamten Anordnung und auch gewisser normaler Streueffekte an der Materialbahnoberfläche durch deren Grundstruktur schon bei fehler­ losem Material häufig eine Art Corona um die Dunkel­ feldblende herum entsteht, welche die mit den Licht­ empfangsflächen verbundene Photowandleranordnung zum Ansprechen bringen würde, sind vorteilhafterweise die Maßnahmen nach Anspruch 4 vorgesehen. Da die Streuung im Mittel in allen Richtungen des Umfangs der Dunkel­ feldblende im wesentlichen die gleiche ist, heben sich die Signale der von diametral gegenüberliegenden Licht­ empfangsflächen beaufschlagten Photoempfänger gegenseitig auf, wenn sie an einen Differenzverstärker angeschlossen sind. Der Einfluß der mit einem Grundrauschen vergleich­ baren Corona kann somit vollständig ausgeschaltet werden. Da Fehler eine Lichtablenkung normalerweise nur in einer einzigen Richtung hervorrufen, bringen die entsprechenden, am Rande der Dunkelfeldblende auftretenden Lichtblitze den Ausgang der Differenzverstärker im Gegensatz zu dem Coronarauschen zum Ansprechen. Durch die Schaltung nach Anspruch 4 wird also der Kontrast von Fehlersignalen gegenüber dem Normalfall stark erhöht.

Besonders bevorzugt ist die Quadranteneinteilung der Lichtempfangsflächen gemäß Anspruch 5.

Grundsätzlich könnten die einzelnen diametral liegenden Gruppen auch mittels Quotientenbildung verarbeitet werden.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen kann auch eine Schwerpunktverschiebung der Corona, wie sie bei Folien­ bildern häufig auftritt, festgestellt werden.

Die Ausführungsform nach Anspruch 6 hat den Vorteil, daß nur wenige Photoempfänger erforderlich sind, da immer nur ein einziger Photoempfänger für eine Viel­ zahl von Lichtempfangsflächen erforderlich ist; bei der Ausführungsform nach Fig. 5 würden lediglich vier Photoempfänger benötigt werden.

Die Verwendung einer großen Vielzahl von kapillarartigen Lichtleitern kann durch die Ausführung nach Anspruch 7 vermieden werden.

Es ist aber auch möglich, daß gemäß Fig. 8 die Lichtempfangs­ flächen als Photodioden ausgebildet sind, die als Photo­ empfänger rund um die Dunkelfeldblende herum angeordnet sind.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn außer den noch sehr intensiven aber nur wenig abgelenkten Lichtstrahlen auch noch das unter größeren Streuwinkeln abgelenkte, weniger intensive Licht erfaßt werden kann. Hierfür sind die Merkmale der Ansprüche 9 und 10 vorgesehen. Mit diesen Ausführungen ist es möglich, nicht nur kleine, durch die Materialbahn verursachte Winkelabweichungen zu registrieren, sondern auch Informationen über Fehler mit großer Aufstreuung des Lichtes an der Materialbahn zu erfassen. So wird eine differenzierte Erfassung der Fehlersignale je nach der hervorgerufenen Winkelabweichung des Primärstrahls durch die Materialbahn realisiert.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bahnüberwachungsvor­ richtung,

Fig. 2 eine Draufsicht der Dunkelfeldblende 16 nach Fig. 1 in vergrößertem Maßstab mit schematischer Blockdarstellung der angeschlossenen Elektronik,

Fig. 3 und 3a eine Seitenansicht bzw. Perspektive der Ausführungsform nach Fig. 2, wobei außerdem noch ein das stärker seitlich gestreute Licht erfassender Photomultiplier vorgesehen ist,

Fig. 4 und 4a eine Draufsicht bzw. Perspektive einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dunkelfeldblende mit um sie herum angeordneten Lichtempfangsflächen bzw. Lichttrichter und

Fig. 5 eine schematische Seitenansicht des Gegenstandes der Fig. 4.

Nach Fig. 1 schickt ein Laser 25 über eine Strahlaufweitungs­ optik 26 und einen Umlenkplanspiegel 27 einen scharf ge­ bündelten konvergierenden Lichtstrahl auf die im Abstand der Brennweite von einem streifenförmigen Hohlspiegel 15 ange­ ordnete Spiegelfläche 11 eines in Richtung des Pfeiles f mit hoher Drehzahl umlaufenden Spiegelrades 12. Vor der Spiegelfläche ist eine Lochblende 28 angeordnet, die aus dem auf die Spiegelfläche 11 auftreffenden Licht­ bündel 29 einen kreisförmigen Bereich herausschneidet, so daß am Orte dieser Eintrittspupille 13 des Abtastsystems ein exakt kreisförmiger und scharf begrenzter Lichtfleck entsteht, von dem aus ein Abtastlichtstrahl 30 zu einem Umlenkplanspiegel 31 und von dort auf den streifenförmigen Hohlspiegel 14 gelenkt wird. Beim Um­ laufen des Spiegelrades im Sinne des Pfeiles f tastet der Abtaststrahl 30 den streifenförmigen Hohlspiegel periodisch ab und nimmt nacheinander u.a. auch die Positionen 30′ und 30′′ ein.

Aus dem streifenförmigen Hohlspiegel 14 tritt somit ein Fahrstrahl 32 aus, der in Richtung des Pfeiles F parallel zu sich selbst verschoben wird. Der Fahrstrahl 32 fällt auf die Oberfläche einer Materialbahn 33 und erzeugt aufgrund der periodischen Abtastbewegung dort einen Abtaststrich 34.

Der Fahrstrahl 32 fällt schräg zur senkrechten auf der Materialbahn 33 auf diese auf. Der Abtaststrich 34 verläuft vorzugsweise quer zur Längsrichtung L der Bahn, in der die Bahn 33 auch kontinuierlich unter der Abtastanordnung hindurchbewegt wird.

Die unter dem Reflexionswinkel reflektierten Strahlen 35 werden von einem mit dem Sendehohlspiegel 14 vorzugs­ weise identischen streifenförmigen Empfangshohlspiegel 15 erfaßt und von diesem über einen weiteren streifen­ förmigen Umlenkplanspiegel 36 sowie einen Umlenkspiegel 37 in seiner Brennebene konzentriert, in der ein Bild der Eintrittspupille 13 auf der Dunkelfeldblende 16 er­ zeugt wird. Hinter der Dunkelfeldblende ist der Photo­ multiplier 23 angeordnet.

Der Durchmesser der Dunkelfeldblende 16 ist geringfügig größer als der Durchmesser des Bildes der Eintrittspupille 13. Auf diese Weise wird normal an der Oberfläche der Materialbahn 33 reflektiertes Licht nicht zum Photomulti­ plier 23 gelangen.

Erfindungsgemäß ist nach den Fig. 2, 3 und 3a die kreis­ förmige Dunkelfeldblende 16 rundum mit einer kreis­ förmigen Anordnung von Lichtempfangsflächen 17 besetzt, die durch die freien Stirnflächen von Lichtleitern 20 gebildet werden. Die Lichtleiter 20 sind in Quadranten 1, 2, 3 bzw. 4 unterteilt und quadranten­ weise zu Lichtleiterbündeln 38 zusammengefaßt, die jeweils zu einem Photoempfänger 21 geführt und dort so angeordnet sind, daß das von den Lichtleitern 20 an den Lichtempfangs­ flächen 17 aufgenommene Licht den zugeordneten Photo­ empfänger 21 beaufschlagt.

Die für jeden Quadranten 1, 2, 3 bzw. 4 vorgesehenen Photo­ empfänger 21 sind an eine elektronische Auswerteschaltung 39 angeschlossen, die zwei Differenzverstärker 19 enthält. An die Eingänge der Differenzverstärker 19 sind die Ausgänge der diametral gegenüberliegenden Quadranten 1, 3 bzw. 2, 4 zugeordneten Photoempfänger 21 angeschlossen. Auf diese Weise wird erreicht, daß, wenn auf die Lichtempfangs­ flächen 17 diametral gegenüberliegender Quadranten gleiche Lichtmengen auffallen, am Ausgang der Differenzverstärker 19 kein Signal entsteht. Auf diese Weise wird das Unter­ grundrauschen der Anordnung eliminiert. Treten dagegen beispielsweise durch Blasen, Schlieren oder andere Störungen an der Oberfläche der Materialbahn nur gering­ fügige Lichtablenkungen in einer Richtung auf, so wird jeweils nur der einem Quadranten zugeordnete Photoempfänger 21 mehr Licht empfangen und am Ausgang des zugeordneten Differenz­ verstärkers 19 ein Signal entstehen, welches am Ausgang 40 einer an beide Differenzverstärker 19 angeschlossenen Aus­ werteelektronik 18 ein Fehlersignal entstehen läßt.

Nach Fig. 3 und 3a ist rings um die Dunkelfeldblende 16 mit den rundherum angeordneten Lichtempfangsflächen 17 eine ring­ förmige Lichteintrittsfläche 22 vorgesehen, an deren Außenumfang ein sich von der Dunkelfeldblende 16 weg ver­ jüngender Lichttrichter 24 anschließt, in dessen Wänden die Photoempfänger 21 versenkt (Fig. 3) angeordnet sind. Nach Fig. 3a liegen die Photoempfänger hinter dem Licht­ trichter 24. Die Lichtleiterbündel 38 sind entweder zu dem die Photoempfänger 21 enthaltenden Vertiefungen (Fig. 3) oder durch Bohrungen im Lichttrichter 24 (Fig. 3a) hin­ durchgeführt.

Der Lichttrichter 24 verjüngt sich etwa bis auf den Durchmesser des Photomultiplier 23, welcher am Ende des kegelstumpfförmigen Lichttrichters 24 befestigt ist.

Aufgrund dieser Anordnung kann stärker über die Licht­ empfangsflächen 17 hinaus gestreutes Licht durch die Lichteintrittsfläche 22 zum spiegelnd ausgebildeten Lichttrichter 24 gelangen, von wo es zum Photomulitiplier 23 reflektiert wird. Auch der Photomultiplier 23 ist an die Auswerte­ elektronik 18 angeschlossen, so daß auch er dort ein entsprechendes Fehlersignal beim Auftreten von stärker gestreuten Lichtstrahlen verursacht.

Nach Fig. 4 und 4a ist die Dunkelfeldblende 16 quadratisch ausge­ bildet. Auf sie wird in nicht dargestellter Weise ein quadratischer Lichtfleck in der Eintrittspupille 13 am Spiegelrad 12 derart abgebildet, daß das Bild etwas kleiner als die Dunkelfeldblende 16 ist.

Rund um die quadratische Dunkelfeldblende 16 sind die rechteckigen Stirnflächen 17 von in Fig. 5 angedeuteten bandartigen Lichtleitern angeordnet, so daß für jede Quadratseite nur ein Lichtleiter 20 er­ forderlich ist, der nach Fig. 4a und 5 konisch und eventuell gekrümmt zusammenläuft und am Ende mit einem Photo­ empfänger 21 versehen ist. Fig. 4a zeigt auch den innen verspiegelten Lichttrichter 24.

Die Fig. 4 und 5 sind ein Beispiel dafür, daß der Licht­ empfang am Umfang der Dunkelfeldblende 16 in verschiedener Weise realisiert werden kann. So könnten z.B. die Licht­ empfangsflächen 17 nach Fig. 2 auch einzelne Photodioden oder streifenförmige Linsen sein, die je auf eine zugehörige Photodiode abbilden.

Claims (10)

1. Optische Bahnüberwachungsvorrichtung, die mittels einer Ablenkeinrichtung und abbildender optischer Elemente einen die Materialbahn periodisch quer zu ihrer Längs­ richtung abtastenden Lichtpunkt erzeugt und beim Durch­ gang durch das Material oder der Reflexion am Material abgelenktes oder gestreutes Licht auf einer Photoempfangs­ einrichtung konzentriert, dadurch gekennzeich­ net, daß in der Eintrittspupille (13) des Abtastsystems ein scharf begrenzter, vorzugsweise kreisförmiger oder rechteckiger Lichtfleck erzeugt oder eine entsprechend geformte körperliche Blende (28) angebracht ist, welche durch die Abtast- und Empfangsoptik auf eine komplementäre, vorzugsweise geringfügig größer als das Bild des Lichtflecks (13) ausgebildete Dunkelfeldblende (16) abgebildet ist, die entlang ihrem Umfang mit relativ zur Ausdehnung der Dunkel­ feldblende (16) kleinflächigen Lichtempfangsflächen (17) besetzt ist, die das empfangene Licht an die Photowandler­ anordnung weiterleiten, welche an eine Auswerteelektronik (18) angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangs­ flächen (17) über den gesamten Umfang der Dunkelfeldblende (16) verteilt eng aneinandergrenzend vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangs­ flächen (17) gruppenweise zusammengeschlossen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils diametral gegenüberliegende Gruppen von Lichtempfangsflächen (17) zur Bildung von Paaren photoelektrischer Signale zusammenge­ schaltet sind, welche an Differenzverstärker (29) angelegt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich jede Gruppe über einen Quadranten (1, 2, 3, 4) der Dunkelfeldblende (16) erstreckt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht­ empfangsflächen die Stirnflächen von dünnen kreis­ förmigen Lichtleitern (20) sind, die einzeln oder bevorzugt gruppenweise zu Photoempfängern (21) ge­ führt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangs­ flächen (17) die Rechteckstirnflächen von plattenförmigen Lichtleitern (20) sind, die jeweils eine Seite einer rechteckigen oder quadratischen Dunkelfeldblende (16) einnehmen und jeweils zu einem Photoempfänger (21) führen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangs­ flächen (17) als Photodioden ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dunkelfeld­ blende (16) radial außerhalb der Lichtempfangsflächen von einer ringförmigen Lichteintrittsfläche (22) umgeben ist, die an einen weiteren Photoempfänger, insbesondere einen Photomultiplier (23) angeschlossen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an die Lichtein­ trittsfläche (22) ein reflektierender Lichttrichter (24) anschließt, der sich zum Photoempfänger (23) hin bis auf dessen Durchmesser verjüngt.