Die Erfindung betrifft eine optische Bahnüberwachungsvor
richtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Normalerweise arbeiten derartige optische Bahnüberwachungs
vorrichtungen mit einem Laser und einem im Brennpunkt des
Sendehohlspiegels angeordneten Spiegelrad, welches über
den Sendehohlspiegel einen Abtastlichtfleck auf der Ober
fläche der Materialbahn erzeugt, der die Bahn quer zu ihrer
Längs- bzw. Bewegungsrichtung periodisch abtastet und so
den Beleuchtungsstreifen erzeugt. Dadurch, daß nur ein
einziger scharf gebündelter Laserlichtstrahl benutzt wird,
dessen Licht weitgehend zu der Photoempfangsanordnung ge
langt, ist die Lichtausbeute derartiger Vorrichtungen hoch.
Nachteilig an einer derartigen Überwachungsvorrichtung ist
das Erfordernis eines mit hoher Drehzahl umlaufenden Spiegel
rades, eines schnell bewegten Drehspiegels o.dgl. (siehe
z.B. DE-OS 25 32 602; DE-PS 9 60 785) und einer Lichtquelle
extrem hoher Strahldichte, da jeder Punkt im Objekt nur sehr
kurzzeitig beleuchtet wird.
Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, eine optische
Überwachungsvorrichtung der eingangs genannten Gattung zu
schaffen, mit der Materialbahnen ohne mechanisch schnell be
wegte optische Bauelemente und mit klassischen Lichtquellen
beleuchtet abgetastet werden können, ohne daß der Vorteil
einer hohen Lichtstärke an der Photoempfangsanordnung ein
gebüßt wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeich
nenden Teils des Patentanspruchs 1 vorgesehen.
Erfindungsgemäß wird also der Beleuchtungsstreifen auf
der Oberfläche der Materialbahn stark verkleinert auf die
Diodenzeile abgebildet, welche beispielsweise innerhalb
einer Zeilenkamera angeordnet sein kann. Auch eine normale
Fernsehkamera kommt für diese Zwecke in Betracht. Die für
ein ausreichendes Ansprechen der einzelnen Photoelemente der
Diodenzeile erforderliche Lichtstärke wird durch die erfin
dungsgemäße Abbildung der Eintrittspupille in das Objektiv
gewährleistet: Dabei werden alle N Dioden der Zeile
(N = 1000 bis 4000) simultan beleuchtet und akkummulieren das
Helligkeitssignal solange, bis die ganze Zeile elektronisch
abgefragt wird. Bei gleicher Zeilenfrequenz ergibt sich
also ein N-faches Signal verglichen mit dem Laserlichtpunkt-
Scanner.
Da die einzelnen Photoelemente der Diodenzeile elektronisch
nacheinander abgefragt werden, kann die Abtastfrequenz auf
grund der schnellen Schaltmöglichkeiten von elektronischen
Bauelementen so weit gesteigert werden, wie es die Beleuch
tungsstärke auf der Diodenzeile erlaubt, ehe das Signal/
Rauschverhältnis zu ungünstig wird.
Die optische Abbildungsqualität des Beleuchtungsstrahlenganges
der Beleuchtungspupille in die Beobachtungspupille bestimmt
die erforderliche Überlappung zwischen dem Bild dieser Beleuch
tungspupille und der dieses abdeckenden Kontrastblende für
Dunkelfeld. Diese Qualität des Beleuchtungsstrahlengangs
bestimmt also, welche kleinsten durch Fehler im Objekt hervor
gerufenen Winkelablenkungen noch erfaßt werden können.
Die Qualität des Objektivs der Zeilenkamera dagegen bestimmt
die Abbildungsqualität des beleuchteten Objektstreifens auf
die Diodenzeile; sie ist also für Ortsauflösung und Verzeich
nung maßgebend. Das Öffnungsverhältnis dieses Objektivs
schließlich geht quadratisch in die Bildhelligkeit auf der
Empfängerfläche ein. Man strebt daher die Verwendung eines
lichtstarken Objektivs an, dessen Pupille mit Hilfe der erfin
dungsgemäßen Beleuchtungsoptik mit dem Bild der Beleuchtungs
pupille gefüllt wird.
Bei den Ausführungsformen nach den Ansprüchen 2 und 3 kommt
man mit einem einzigen Sendehohlspiegel aus, wobei aller
dings der Beleuchtungsstreifen relativ unscharf ist, was
jedoch angesichts seiner Projektion auf die Diodenzeile
aus den obengenannten Gründen keinen wesentlichen Nachteil
darstellt. Es ist auf jeden Fall für die Erzielung eines be
sonders einfachen Aufbaus zweckmäßig, wenn gemäß Anspruch 4
keine weiteren optischen Abbildungselemente vorgesehen sind.
Um einen einigermaßen langen Beleuchtungsstreifen zu erzielen,
ist die Ausbildung nach Anspruch 5 bevorzugt.
Während die einfachere Ausführungsform nach dem Anspruch 4
für die Fehlersuche im allgemeinen genügen werden, bieten
die Ausführungsformen nach Anspruch 6 und 7 mit ihrem tele
zentrischen Beleuchtungsstrahlengang Vorteile bei der präzisen
Erfassung von Positionen im Objekt. Besonders zur Erfassung
der Geometrie von Mustern des Bahnmaterials wird man die Aus
führungsform nach 6 zurückgreifen.
Statt einer punktförmigen Lichtquelle bzw. des Bildes einer
solchen in der Eintrittspupille können auch die Maßnahmen
nach Anspruch 8 vorgesehen werden.
Durch die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung ist es
möglich, Fehler geringer Strahlablenkung bis herunter zur
Größe des Bildes einer Einzeldiode der Zeile im Objekt zu
erfassen. Da die Beleuchtung nicht mit einem Laser, sondern
vorzugsweise weißem Licht erfolgt, können - unter Anwen
dungs mehrerer Diodenzeilen in TV-Farbkamera-Anordnung -
auch Farbabweichungen erfaßt werden.
Sollten jedoch auch deutlich kleinere Störstellen erfaßt wer
den, die im allgemeinen größere Lichtaufstreuungen hervorru
fen, kann die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung auch
mit einem Laserscanner im Sinne der Ansprüche 9 und 10 kombi
niert werden, wobei die beiden Strahlengänge ineinanderge
schachtelt sind. Der Laserscanner eignet sich dabei besonders
zur Feststellung von Feinstfehlern mit großen Streuwinkeln.
Die Diodenzeile erkennt dagegen ausgedehntere Fehler mit kleine
ren Streuwinkeln.
Um zu verhindern, daß das Licht des einen Strahlenganges
in die Photoempfangsanordnung des anderen eintritt, sollen
nach Anspruch 11 die beiden ineinandergeschachtelten Strahlen
gänge durch auf nicht überlappende Spektralbereiche abge
stimmte optische Filter entkoppelt sein.
Die Abbildungsverhältnisse werden bevorzugt nach Anspruch 12
gewählt.
Um zu kompakten Anordnungen zu kommen, werden zweckmäßig in
geeigneter Weise gefaltete Strahlengänge verwendet, wozu
die Umlenkplanspiegel nach Anspruch 13 Verwendung finden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei der erfindungsgemäßen
Überwachungsvorrichtung Blenden gemäß Anspruch 14 verwendet
werden. Hierdurch können bestimmte Fehlerarten mit besonders
gutem Kontrast wiedergegeben werden. Die Blenden können so
angeordnet sein, daß ein azimutheffektfreies Dunkelfeld,
eine Schlierenanordnung oder ein Dunkelfeld mit gezieltem
Azimutheffekt usw. mit hoher Empfindlichkeit realisiert
wird.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der
Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:
Fig. 1 in schematischer perspektivischer Darstellung
eine erste bevorzugte Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung und
Fig. 2 in schematischer perspektivischer Darstellung
eine weitere Ausführungsform, bei der zusätz
lich ein Laserscanner in die erfindungsge
mäße optische Überwachungsvorrichtung inte
griert ist.
Nach Fig. 1 bildet ein relativ schmaler und kurzer Kondensor-
Streifenhohlspiegel 19 eine Punktlichtquelle 12 in eine Loch
blende 20 ab, welche die Eintrittspupille 16 des gesamten
Strahlenganges bestimmt. In einem Abstand gleich seinem Krüm
mungsradius von der Lochblende 20 ist ein streifenförmiger
Sendehohlspiegel 14 optisch parallel zu dem Kondensor-Streifen
hohlspiegel 19 derart angeordnet, daß seine sphärisch ge
krümmte Oberfläche voll von dem aus der Lochblende 20 aus
tretenden Licht ausgeleuchtet wird. Das von dem Sende-Hohl
spiegel 14 konvergierend reflektierte Licht wird über einen
Umlenkplanspiegel 31 schräg nach unten auf die Oberfläche
einer Materialbahn 11 gelenkt, wo das auftreffende Licht
einen sich quer zur Längs- und Bewegungsrichtung L der
Bahn erstreckenden Beleuchtungsstreifen 13 erzeugt. Der
Strahlengang D hinter der Materialbahn 11 ist nur gestrichelt
angedeutet, weil die im Bereich des Beleuchtungsstreifens
13 auftreffenden Lichtstrahlen nur an den Stellen durch
die Materialbahn 11 hindurchgehen, wo sich Löcher befinden,
es sei denn, es handelt sich um eine durchsichtige Folie.
Eingezeichnet ist auch ein unter dem Reflexionswinkel vom
Beleuchtungsstreifen 13 zurückgeworfenes Reflexionsbündel R,
welches in einem Objektiv 18 in einem Punkt zusammenläuft.
Entsprechend läuft das hinter der Bahn gestrichelt darge
stellte Durchgangslichtbündel D in einem Punkt in einem
weiteren Objektiv 18 für durchgehendes Licht zusammen.
Hinter den Objektiven 18 sind Diodenzeilen 17 in einem sol
chen Abstand vom Objektiv 18 angeordnet, daß auf der photo
empfindlichen Oberfläche der Diodenzeilen 17 ein scharfes
Bild des Beleuchtungsstreifens 13 erzeugt wird.
An die Diodenzeile ist eine Auswerteelektronik 30 angeschlos
sen, die in Fig. 1 nur bei der unteren Diodenzeile 17 sche
matich angedeutet ist und an einem Ausgang 34 Fehlersig
nale abgibt. An eine entsprechende Auswerteelektronik ist
auch die obere Diodenzeile 17 angeschlossen.
Um eine Dunkelfeldauswertung zu ermöglichen, ist im Zentrum
des unteren Objektivs 35 eine nicht lichtdurchlässige Kreis
blende 35 vorgesehen, auf die durch die Bahn 11 hindurch
gehendes Licht konzentriert wird. Handelt es sich bei der
Materialbahn 11 um eine Folie, so wird das gesamte, durch
die Folie hindurchgehende Licht von der Kreisblende 35 ab
gefangen. Lediglich dort, wo sich lichtablenkende Fehler
in der als Folie ausgebildeten Materialbahn 11 befinden,
erfolgt eine Lichtablenkung, so daß diese Lichtstrahlen
an der Kreisblende 35 vorbei in das Objektiv 18 eintreten
und so zur Diodenzeile 17 gelangen können. Auf diese Weise
erfolgt eine sehr empfindliche Fehleranzeige.
Eine entsprechende Kreisblende 35 könnte auch in dem oberen
Objektiv 18 vorgesehen werden, wenn z.B. Licht reflektierende
Blechbahnen als Materialbahn 11 verwendet werden. In diesem
Fall würde das normal reflektierte Licht nicht auf die Dioden
zeile 17 gelangen, sondern nur durch Fehler an der Kreisblende
35 vorbeigelenkte Lichtstrahlen.
Bei der Wiedergabe des Beleuchtungsstreifens 13 auf der
Oberfläche der Materialbahn 11 handelt es sich nicht um
eine exakte Abbildung; vielmehr erzeugt das durch die Breite
und Länge des Sendehohlspiegels 14 bestimmte Lichtbündel ent
sprechend dem Zusammenlaufen des Lichtbündels in Richtung
auf das Objektiv 18 einen Beleuchtungsstreifen 13, der schmäler
und kürzer als der Sendehohlspiegel 14 bemessen ist. Unter
Berücksichtigung des Ortes des Beleuchtungsstreifens 13 muß
die Größe des Sendehohlspiegels 14 so gewählt werden, daß
der Beleuchtungsstreifen 13 sich gerade über die gesamte
Breite der Bahn 11 erstreckt.
Das Objekt 18 der Zeilenkamera ist auf die Materialbahn an
der Stelle des Beleuchtungsstreifens 13 fokussiert. Der auf
jede Einzeldiode fallende Bildausschnitt der Materialbahn 11
trägt also mit seiner Helligkeit zu Informationen über diese
Objekstelle, also auch über dort vorliegende Fehler bei.
Die von Objektiv 18 entgegen der Lichtrichtung auf die Material
bahn 11 projiziert gedachte Diodenzeile bildet dort also mit
den Bildern der Einzeldioden das Raster der Ortsauflösung
der Fehlermeldungen.
Bevorzugt werden die einzelnen Photoelemente der Dioden
zeilen 17 periodisch nacheinander abgefragt, was einem
Abtastvorgang entspricht.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird eine streifenförmige
Lichtquelle 12′ über einen Kondensor 21, einen Strahlenteiler
22, einen streifenförmigen Umlenkspiegel 32 und den Sende
hohlspiegel 14 als Beleuchtungsstreifen 13 auf die Oberfläche
der Bahn 11 abgebildet. Bei der Lichtquelle kann es sich um
eine Lampe mit gestreckter Wendel oder um eine Kapillarlampe
handeln. Mit dieser Anordnung wird also ein definierterer
Beleuchtungsstreifen auf der Oberfläche der Bahn 11 erzeugt.
Der Kondensor, der hier die Eintrittspupille 16 bestimmt, ist
bei dieser Ausführungsform im optischen Abstand der Brennweite
vom Sendehohlspiegel 14 angeordnet, so daß aus dem Sendehohl
spiegel 14 in Richtung des Beleuchtungsstreifens 13 zuein
ander parallele Strahlen austreten.
Während der Strahlenteiler 22 das vom Kondensor 21 kommende
Lichtbündel um etwa 90° nach unten ablenkt, fällt unter einem
Winkel von etwa 90° zu dem vom Kondensor 21 kommenden Licht
bündel ein Abtastlichtstrahl 28 auf den Strahlenteiler 22 auf,
der von einem Spiegelrad 26 erzeugt wird, das in Richtung
des dargestellten Pfeiles mit hoher Drehzahl umläuft und
dessen reflektierende Spiegelfläche im Abstand der Brennweite
vom Sendehohlspiegel 14 angeordnet ist. Das Spiegelrad wird
über einen Umlenkplanspiegel 36 und eine Strahlaufweitungs
optik 37 von einem Laser 27 beaufschlagt. Die aus dem Laser
27, der Aufweitungsoptik 37, dem Umlenkplanspiegel 36 und
dem Spiegelrad 26 bestehende Abtastanordnung ist so dimen
sioniert, daß der im Bereich des Beleuchtungsstreifens 13
erzeugte scharfe Abtastlichtfleck beim Umlaufen des Spiegel
rades 26 die Materialbahn 11 entlang des Beleuchtungsstrei
fens 13 in Querrichtung der Bahn periodisch abtastet. Auf
diese Weise sind zwei Vorrichtungen zur Erzeugung eines
kontinuierlichen bzw. eines durch einen Abtastlichtfleck
erzeugten Beleuchtungsstreifens in
einandergeschachtelt, wobei ab dem Strahlenteiler 22 alle
optischen Elemente doppelt ausgenutzt werden.
Auf der Empfangsseite, die unter dem Reflexionswinkel zum
Sendehohlspiegel 14 angeordnet ist, befindet sich ein identisch
wie der Sendehohlspiegel 14 ausgebildeter streifenförmiger
Empfangshohlspiegel 15, der das vom Beleuchtungsstreifen 13 unter
dem Reflektionswinkel reflektierte Licht über einen weiteren
Umlenkplanspiegel 33 in das Objektiv 18 lenkt, wo sich das
Bild der Eintrittspupille 16 befindet. Hinter dem Objektiv 18
ist wieder die Diodenzeile 17 mit der Auswerteelektronik 30
gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 angeordnet.
Vor dem Objektiv 18 ist im Strahlengang ein weiterer Strahlen
teiler 23 angeordnet, der einen Teil des Empfangslichtes zu
einem unter 90° zum konvergierenden Empfangsbündel angeord
neten Photomultiplier 29 lenkt, der über eine Leitung 38
ebenfalls an die Auswerteelektronik 30 angeschlossen ist.
Auf diese Weise gelangt das Empfangslicht teilweise auf die
Diodenzeile 17 und teilweise in den Photomultiplier 29.
Um die beiden ineinandergeschachtelten Strahlengänge zu
entkoppeln, sind die beiden Teilerspiegel entsprechend
dichromatisch ausgeführt und vor dem Objektiv 18 bzw. vor
dem Photomultiplier 29, jedoch hinter dem Strahlenteiler 23
optische Filter 24, 25 angeordnet, die jeweils den Spektral
bereich des anderen Strahlenbündels herausfiltern. So wird
dafür gesorgt, daß auf die Diodenzeile 17 nur von der Licht
quelle 12′ ausgehendes Licht gelangt, während der Photomulti
plier 29 nur das Licht vom Laser 27 erhält. Durch entspre
chende spektrale Ausbildung des Teilerspiegels 22 und/oder
eines passenden Filters 24, das bei der Eintrittspupille 16
angeordnet sein kann,kann die spektrale Trennung der beiden
Empfangsstrahlenbündel noch weiter begünstigt werden.
Mit der Vorrichtung nach Fig. 2 kann ein und derselbe lineare
Bereich entlang des Beleuchtungsstreifens 13 von einer statio
nären Überwachungsvorrichtung mit der Lichtquelle 12′ und ei
ner dynamischen Abtastvorrichtung mit dem Laser 27′ überwacht
werden, wobei mittels der stationären Überwachungsvorrichtung
gröbere Fehler mit nicht zu kleiner Ausdehnung, aber geringer
Lichtablenkung oder Farbabweichungen erfaßt werden können,
während der Laserscanner Feinstfehler mit großen Streuwinkeln
erfaßt.