DE3534018C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Erfas­ sung von Fehlern einer Materialbahn nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art DE-PS 21 52 510 wird der von einem Laser auf einem Spiegelrad erzeugte Licht­ fleck über die zu überwachende Materialbahn und die opti­ schen Abbildungselemente auf eine Dunkelfeldblende abgebil­ det, wobei jedoch auf Grund der Unschärfe des Lichtflecks und der Beugungserscheinungen in der Abbildungsebene eine dem Querschnitt des Laserlichtbündels entsprechende Gauß'sche Helligkeitsverteilung erzielt wird.

Dabei erweist es sich als nachteilig, daß mit dieser bekann­ ten Vorrichtung nur die Ermittlung von in relativ große Winkel streuenden Fehlern wie Kratzern möglich ist, nicht aber die Ermittlung von Fehlern, die nur eine geringfügige Ablenkung des reflektierten oder durchgehenden Lichtes her­ beiführen und die durch Schlieren, Blasen, Linsen oder soge­ nannte Fischaugen in Folien, Flachglas oder ähnlichen blan­ ken Materialien verursacht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur optischen Erfassung von Fehlern einer Materialbahn gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiter­ zubilden, daß auch Fehler, die nur eine geringfügige Ablenkung des reflektierten oder durchgehenden Lichtes verursachen, einfach und sicher erfaßt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnen­ den Teils des Patentanspruchs 1 vorgesehen.

Auf Grund der Anordnung bzw. Abbildung einer Blende an der Lichtablenkeinrichtung wird eine klar definierte Eintrittspu­ pille geschaffen, die auf der Dunkelfeldblende zu einem in seinen Umrissen scharf begrenzten Lichtfleck führt. Bei feh­ lerfreier spiegelnder Reflexion wird dabei keine der Lichtempfangsflächen von Streulicht beaufschlagt, so daß kein Fehlersignal erscheint. Treten jedoch bei als Material­ bahn verwendeten Folien, Flachglas oder ähnlichen blanken Ma­ terialien in Transmission und/oder Reflexion Schlieren, Blasen, Linsen oder Fischaugen auf, so erfolgt eine geringfü­ gige Ablenkung des reflektierten oder durchgehenden Lichtes, was dann dazu führt, daß das betreffende Licht am Rande der Dunkelfeldblende auf eine der Lichtempfangsflächen fällt und so durch die anschließende Photowandleranordnung zur elektri­ schen Anzeige gebracht werden kann.

Um die Dunkelfeldblende herum ist allenfalls eine Art Korona-Erscheinung festzustellen, welche von der Oberflächen­ struktur des Objekts auch bei fehlerlosem Material erzeugt wird. Damit nun die von der Objektstruktur hervorgerufene Korona-Erscheinung keine Fehlersignale verursacht, ist zu­ sätzlich zu der Erzeugung eines schärferen Lichtflecks auf der Dunkelfeldblende auch noch vorgesehen, daß die Lichtemp­ fangsflächen zu Gruppen zusammengeschlossen sind und die Pho­ toempfänger jeweils diametral gegenüberliegender Gruppen von Lichtempfangsflächen zur Bildung von Paaren photoelektri­ scher Signale zusammengeschaltet sind, welche an Differenz­ verstärker angelegt sind. Da die Streuung im Mittel in allen Richtungen des Umfangs der Dunkelfeldblende im wesentlichen die gleiche ist, heben sich die Signale der von diametral ge­ genüberliegenden Lichtempfangsflächen beaufschlagten Photo­ empfänger im Differenzverstärker gegenseitig auf. Der Ein­ fluß der mit einem Grundrauschen vergleichbaren Korona kann somit vollständig ausgeschaltet werden. Da Fehler eine Licht­ ablenkung normalerweise nur in einer einzigen Richtung her­ vorrufen, bringen die entsprechenden, am Rande der Dunkel­ feldblende auftretenden Lichtblitze den Ausgang der Diffe­ renzverstärker im Gegensatz zu dem Korona-Rauschen zum An­ sprechen. Die erfindungsgemäße Bahnüberwachungsvorrichtung reagiert damit auch auf sehr kleine Lichtablenkungen an der Materialbahn in einer bestimmten Richtung.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.

Die Merkmale des Anspruches 2 gestatten eine lückenlose Er­ fassung von Lichtablenkungen in allen Richtungen.

Besonders vorteilhaft ist hierbei die Aufteilung der Gruppen nach Anspruch 3, weil hierdurch die Lichtablenkungen auf ein­ fache Weise in einem Koordinatensystem wiedergegeben werden können.

Das Ausführungsbeispiel nach Anspruch 4 hat den Vorteil, daß nur wenige Photoempfänger erforderlich sind, da immer nur ein einziger Photoempfänger für eine Vielzahl von Lichtemp­ fangsflächen verwendet wird. So würde es z. B. bei dem Aus­ führungsbeispiel nach Anspruch 3 ausreichen, wenn nur vier Photoempfänger vorgesehen sind.

Die Verwendung einer Vielzahl von Lichtleitern kann durch das Ausführungsbeispiel nach Patentanspruch 5 vermieden wer­ den.

Weiter kann vorteilhafterweise die Ausbildung nach Anspruch 6 verwendet werden.

Auf Grund der Ausführungen nach den Ansprüchen 7 und 8 ist es möglich, nicht nur kleine, durch die Materialbahn verur­ sachte Winkelabweichungen zu registrieren, sondern auch Infor­ mationen über Fehler mit großer Aufstreuung des Lichtes an der Materialbahn zu erfassen. Es wird so eine differenzierte Erfassung der Fehlersignale je nach der hervorgerufenen Win­ kelabweichung des Primärstrahls durch die Materialbahn reali­ siert.

Auf Grund der Merkmale des Anspruches 9 wird die Abbildungs­ qualität der Lochblende auf die Dunkelfeldblende optimiert.

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

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer 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 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 einer in Richtung des Pfeiles f mit hoher Drehzahl umlaufenden, als Spiegelrad ausgebildeten Lichtablenkeinrichtung 12. Vor der Spiegelfläche ist eine Blende 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 quer zur Längsrichtung L der Material­ bahn 33, in der die Materialbahn auch kontinuierlich unter der Abtastanordnung hindurchbewegt wird.

Die unter dem Reflexionswinkel reflektierten Strahlen 35 werden von einem mit dem sendenden Hohlspiegel 14 identischen, streifenförmigen, empfangenden Hohlspiegel 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.

Nach den Fig. 2, 3 und 3a ist 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 Photomultiplier 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 der Lichtempfangsflächen 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 (9)

1. Vorrichtung zur optischen Erfassung von Fehlern einer Ma­ terialbahn mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Lichtbündels, einer Lichtablenkeinrichtung und mit abbil­ denden optischen Elementen zur Erzeugung eines die Ma­ terialbahn periodisch quer zu ihrer Längsrichtung abta­ stenden Lichtpunkts und zur Konzentration des beim Durch­ gang durch die Materialbahn oder bei der Reflexion an der Materialbahn abgelenkten oder gestreuten Lichts auf mindestens einen Photoempfänger, wobei der durch das Lichtbündel auf der Lichtablenkeinrichtung erzeugte Lichtfleck durch die optischen Elemente auf eine zum Bild des Lichtflecks komplementäre und geringfügig größer ausgebildete Dunkelfeldblende abgebildet ist, die entlang ihrem Umfang Lichtempfangsflächen zur Weiterlei­ tung des empfangenen Lichts an den mindestens einen Pho­ toempfänger aufweist, welcher an eine Auswerteelektronik angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Licht­ ablenkeinrichtung (12) eine aus dem auf die Lichtablenk­ einrichtung (12) auftreffenden Lichtbündel (29) einen Be­ reich herausschneidende Blende (28) angeordnet oder auf die Lichtablenkeinrichtung (12) eine derartige Blende ab­ gebildet ist, die auf die Dunkelfeldblende (16) abgebil­ det ist, daß die um die Dunkelfeldblende (16) angeordne­ ten Lichtempfangsflächen (17) relativ zur Fläche der Dun­ kelfeldblende (16) klein und zu Gruppen zusammengeschlos­ sen sind, und daß die Photoempfänger (21) jeweils diame­ tral gegenüberliegender Gruppen von Lichtempfangsflächen (17) zur Bildung von Paaren photoelektrischer Signale zu­ sammengeschaltet sind, welche an Differenzverstärker (19) angelegt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtemp­ fangsflächen (17) über den gesamten Umfang der Dunkel­ feldblende (16) eng aneinandergrenzend angeordnet sind.

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

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Licht­ empfangsflächen (17) die Stirnflächen von dünnen, kreis­ förmigen Lichtleitern (20) sind, die einzeln oder grup­ penweise zu den Photoempfängern (21) geführt sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtemp­ fangsflächen (17) die Rechteckstirnflächen von platten­ förmigen Lichtleitern (20) sind, die jeweils eine Seite einer rechteckigen oder quadratischen Dunkelfeldblende (16) einnehmen und jeweils zu einem Photoempfänger (21) geführt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangs­ flächen (17) als Photodioden ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dun­ kelfeldblende (16) radial außerhalb der Lichtempfangsflä­ chen (17) von einer ringförmigen Lichteintrittsfläche (22) umgeben ist, die an einen weiteren Photoempfänger, insbesondere einen Photomultiplier (23) angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an die Lichtein­ trittsfläche (22) ein reflektierender Lichttrichter (24) anschließt, der sich zu dem weiteren Photoempfänger hin bis auf dessen Durchmesser verjüngt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die abbil­ denden optischen Elemente durch eine telezentrische An­ ordnung eines Hohlspiegels (14) im Strahlengang vor und eines Hohlspiegels (15) im Strahlengang nach der Mate­ rialbahn (33) gebildet sind.