DE3534019C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Fest­ stellung von Fehlern in einer Materialbahn nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE-OS 30 13 244) ist oberhalb der Materialbahn eine streifenförmige Lichtquel­ le angeordnet, deren Licht über eine parallel dazu angeordne­ te Zylinderlinse auf die Bahn konzentriert wird. Eine Dioden­ zeilenkamera bildet eine im beleuchteten Bereich befindliche Inspektionslinie auf die Diodenzeile ab. Zwischen der Mate­ rialbahn und der Diodenzeilenkamera befindliche Zylinderlin­ sen dienen lediglich dazu, auch einen größeren Streuwinkel aufweisende Bahnfelder zu erfassen. Der wesentliche Nachteil der bekannten Vorrichtung besteht darin, daß nur ein Bruch­ teil des auf den beleuchteten Bereich auftreffenden Lichtes durch das Objektiv in die Diodenzeilenkamera gelangt, so daß entweder die verwendete Lichtquelle sehr leuchtstark ausge­ bildet sein muß oder die Bahn nur mit sehr geringer Geschwin­ digkeit voranbewegt werden kann. Die Fehlerinspektion mit bekannten Vorrichtung ist also langwierig und zeitaufwendig.

Weiter ist es bereits bekannt (DE-OS 29 25 734), wechselwei­ se zwei verschieden geformte Lichtflecke ins Objekt abzubil­ den, um dieses mit einer gewissen Tiefenschärfe abtasten zu können. Das Problem, einen möglichst großen Teil des für die Beleuchtung verwendeten Lichtes in eine Diodenzeilenkamera zu bringen, liegt bei dieser bekannten Vorrichtung nicht vor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der das für die Beleuchtung der Materialbahn verwendete Licht weitgehend vollständig für die Belichtung der Diodenzeile ausgenutzt wird.

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

Aufgrund dieser Ausbildung besitzt die Inspektionslinie - von der Diodenzeilenkamera aus gesehen - eine Leuchtdich­ te, die der Leuchtdichte der Beleuchtungspupille entspricht. Dadurch trifft gegenüber der bekannten gattungsgemäßen Vor­ richtung ein Vielfaches an Lichtenergie auf die Diodenzeile, so daß auch dann noch kräftige und gut auswertbare elektri­ sche Signale an die Auswerteeinrichtung abgegeben werden, wenn die Materialbahn sehr schnell vorgeschoben wird. Die Ab­ tastfrequenz der Diodenzeilen kann elektronisch so hoch ge­ wählt werden, daß bei der vorhandenen Beleuchtungsstärke noch ein ausreichendes Signal/Rauschverhältnis erzielt wird.

Die Qualität des Objektivs der Diodenzeilenkamera bestimmt die Abbildungsqualität der Inspektionslinie auf die Dioden­ zeile. Sie ist also für die Ortsauflösung und Verzeichnung maßgebend. Das Öffnungsverhältnis des Objektivs geht quadra­ tisch in die Bildhelligkeit auf der Empfängerfläche ein. Man strebt daher die Verwendung eines lichtstarken Objektivs an, dessen Pupille mit Hilfe der Beleuchtungsoptik vorzugsweise mit dem Bild der Beleuchtungspupille ausgefüllt wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zur Erzielung einer scharfen begrenzten lichtstarken Beleuchtungspupille ist durch Anspruch 2 definiert.

Ein relativ schmaler streifenförmiger beleuchteter Bereich wird erzielt, wenn gemäß Anspruch 3 vorgegangen wird. Auch ist der beleuchtete Bereich bei dieser Ausführungsform noch ausreichend lang, um auch breite Materialbahnen über ihre ge­ samte Breite abzudecken.

Während grundsätzlich ein Beleuchtungshohlspiegel zur Abbil­ dung der Beleuchtungspupille in das Objektiv ausreicht, ist eine Ausführung gemäß Anspruch 4 bevorzugt, weil dann gemäß Anspruch 5 ein telezentrisches Beleuchtungs- und Abbildungs­ system und gemäß Anspruch 6 auch eine besonders schmale Aus­ bildung des beleuchteten Bereichs um die Inspektionslinie herum verwirklicht werden kann.

Aufgrund der Ausführung nach den Ansprüchen 4 bis 6 können Fehler der Materialbahn besonders präzise erfaßt werden. Die Ausführungsform nach Anspruch 6 eignet sich auch besonders zur Erfassung der Geometrie von Mustern der Materialbahn.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ist es möglich, Fehler geringer Strahlablenkung bis herunter zur Größe des Bildes einer Einzeldiode der Diodenzeile in der Materialbahn zu erfassen. Da die Beleuchtung nicht mit einem Laser, son­ dern vorzugsweise mit weißem Licht erfolgt, können unter An­ wendung mehrerer Diodenzeilen in Farbfernsehkamera-Anordnung auch Farbabweichungen erfaßt werden.

Sollen jedoch auch deutlich kleinere Störstellen erfaßt werden, die im allgemeinen größere Lichtaufstreuungen hervor­ rufen, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch gemäß den Ansprüchen 7 und 8 mit einem Laserscanner kombiniert werden, wobei die beiden Strahlengänge zwischen den Strahlenteilern weitgehend gleich sind. Der Laserscanner eignet sich dabei besonders zur Feststellung von Feinfehlern mit großen Streu­ winkeln, während die Diodenzeile ausgedehntere Fehler mit kleineren Streuwinkeln zu erkennen gestattet.

Um zu verhindern, daß das Licht des einen Strahlenganges in die Photoempfangsanordnung des anderen eintritt, sollen nach Anspruch 9 die beiden Strahlengänge durch auf nicht überlap­ pende Spektralbereiche abgestimmte optische Filter und/oder dichromatische Teilerspiegel entkoppelt sein.

Bevorzugte Abbildungsverhältnisse sind durch Anspruch 10 de­ finiert.

Um zu baulich kompakten Vorrichtungen zu kommen, werden zweckmäßig in geeigneter Weise gefaltete Strahlengänge ver­ wendet, wozu die Umlenkplanspiegel nach Anspruch 11 Verwen­ dung finden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung Blenden gemäß Anspruch 12 verwendet werden, denn hierdurch können bestimmte Fehlerarten mit besonders gutem Kontrast wiedergegeben werden. Die Blenden können so ange­ ordnet sein, daß ein azimutheffektfreies Dunkelfeld, eine Schlierenanordnung oder ein Dunkelfeld mit gezieltem Azi­ mutheffekt mit hoher Empfindlichkeit realisiert wird. Die op­ tische Abbildungsqualität des Beleuchtungsstrahlenganges der Beleuchtungspupille in die Pupille des Objektivs bestimmt die erforderliche Überlappung zwischen dem Bild der Beleuch­ tungspupille und der dieses abdeckenden Blende für das Dun­ kelfeld. Die Qualität des Beleuchtungsstrahlengangs bestimmt also, welche kleinsten, durch Fehler der Materialbahn hervor­ gerufenen Winkelablenkungen noch erfaßt werden können.

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

Fig. 1 in schematischer perspektivischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer Überwachungsvorrichtung und

Fig. 2 in schematischer perspektivischer Darstellung eine weitere Ausführungsform, bei der zusätzlich ein Laserscanner in die opti­ sche Überwachungsvorrichtung integriert ist.

Nach Fig. 1 bildet ein relativ schmaler und kurzer Konden­ sor-Streifenhohlspiegel 19 eine Lichtquelle 12 z. B. eine Punktlichtquelle in eine Lochblende 20 ab, welche die Beleuchtungspupille 16 des Be­ leuchtungsstrahlenganges bestimmt. In einem Abstand gleich seinem Krümungsradius von der Lochblende 20 ist ein strei­ fenförmiger Beleuchtungshohlspiegel 14 optisch parallel zu dem Kondensor-Streifenhohlspiegel 19 derart angeordnet, daß seine sphärisch gekrümmte Oberfläche voll von dem aus der Lochblende 20 austretenden Licht ausgeleuchtet wird. Das von dem Beleuchtungshohlspiegel 14 konvergierend reflektierte Licht wird über einen Umlenkplanspiegel 31 schräg nach unten auf die Oberfläche einer Materialbahn 11 gelenkt, wo das auf­ treffende Licht um eine Inspektionslinie 13 herum einen sich quer zur Längs- und Bewegungsrichtung L der Materialbahn 11 erstreckenden beleuchteten Bereich erzeugt. Die Inspektions­ linie 13 ist eine ebenfalls quer zur Längs- und Bewegungs­ richtung L der Materialbahn 11 verlaufende gedachte Linie auf der Materialbahn 11, welche dadurch definiert ist, daß die Materialbahn 11 in jedem Augenblick entlang der Inspek­ tionslinie 13 auf Fehler untersucht wird. Der Strahlengang D hinter der Materialbahn 11 ist nur gestrichelt angedeutet, weil die im Bereich der Inspektionslinie 13 auftreffenden Lichtstrahlen nur an den Stellen durch die Materialbahn 11 hindurchgehen, wo sich Löcher befinden, es sei denn, es handelt sich bei der Materialbahn 11 um eine durchsichtige Folie.

Eingezeichnet ist auch ein unter dem Reflexionswinkel von dem beleuchteten Bereich um die Inspektionslinie 13 herum zu­ rückgeworfenes Reflexionsbündel R, welches im Objektiv 18 einer Diodenzeilenkamera zusammenläuft. Entsprechend läuft das hinter der Materialbahn 11 gestrichelt dargestellte Durchgangslichtbündel D in einem Punkt im Objektiv 18 einer weiteren, gestrichelt angedeuteten Diodenzeilenkamera für durchgehendes Licht zusammen.

Hinter den Objektiven 18 sind die Diodenzeilen 17 der Dioden­ zeilenkameras in einem solchen Abstand vom Objektiv 18 ange­ ordnet, daß auf der photoempfindlichen Oberfläche der Dioden­ zeilen 17 ein scharfes Bild der Materialbahn 11 an der Stelle der Inspektionslinie 13 erzeugt wird.

An die Diodenzeile 17 ist eine Auswerteeinrichtung 30 ange­ schlossen, die in Fig. 1 nur bei der unteren Diodenzeile 17 schematisch angedeutet ist und an einem Ausgang 34 Fehlersi­ gnale abgibt. An eine entsprechende Auswerteeinrichtung ist auch die obere Diodenzeile 17 angeschlossen.

Um eine Dunkelfeldauswertung zu ermöglichen, ist im Zentrum des unteren Objektivs 18 eine nicht lichtdurchlässige Kreis­ blende 35 vorgesehen, die auf die durch die Bahn 11 hindurchge­ hendes Licht konzentriert wird. Handelt es sich bei der Mate­ rialbahn 11 um eine Folie, so wird das gesamte, durch die Folie hindurchgehede Licht von der Kreisblende 35 abgefan­ gen. Lediglich dort, wo sich lichtablenkende Fehler in der als Folie ausgebildeten Materialbahn 11 befinden, erfolgt eine Lichtablenkung, so daß diese Lichtstrahlen an der Kreis­ blende 35 vorbei in das Objektiv 18 eintreten und so zur Dio­ denzeile 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 reflektieren­ de Blechbahnen als Materialbahn 11 verwendet werden. In diesem Fall würde das normal reflektierte Licht nicht auf die Diodenzeile 17 gelangen, sondern nur durch Fehler an der Kreisblende 35 vorbeigelenkte Lichtstrahlen.

Bei der Wiedergabe des beleuchteten streifenförmigen Be­ reichs um die Inspektionslinie 13 auf der Oberfläche der Ma­ terialbahn 11 handelt es sich nicht um eine exakte Abbil­ dung; vielmehr erzeugt das durch die Breite und Länge des Be­ leuchtungshohlspiegels 14 bestimmte Lichtbündel entsprechend dem Zusammenlaufen des Lichtbündels in Richtung auf das Ob­ jektiv 18 ein unscharfes Beleuchtungsband, das schmäler und kürzer als der Beleuchtungshohlspiegel 14 bemessen ist und innerhalb dessen sich die Inspektionslinie 13 befindet. Unter Berücksichtigung des Ortes der Inspektionslinie 13 muß die Größe des Beleuchtungshohlspiegels 14 so gewählt werden, daß der beleuchtete Bereich um die Inspektionslinie 13 herum sich gerade über die gesamte Breite der Materialbahn 11 erstreckt.

Das Objektiv 18 der Zeilenkamera ist auf die Materialbahn 11 an der Stelle der Inspektionslinie 13 fokussiert. Der auf jede Einzeldiode der Diodenzeile fallende Bildausschnitt der Materialbahn 11 trägt also mit seiner Helligkeit zu Informa­ tionen über diese Objektstellen also auch über dort vorlie­ gende Fehler bei. Die vom Objektiv 18 entgegen der Lichtrich­ tung auf die Materialbahn 11 projiziert gedachte Diodenzeile bildet dort also mit den Bildern der Einzeldioden das Raster der Ortsauflösung für Fehlermeldungen und definiert die In­ spektionslinie 13.

Bevorzugt werden die photoempfindlichen Einzeldioden der Dio­ denzeilen 17 periodisch nacheinander abgefragt, was einem Ab­ tastvorgang entspricht.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird eine linienförmi­ ge Lichtquelle 12′ über einen Kondensor 21, einen Strahlen­ teiler 22, einen streifenförmigen Umlenkplanspiegel 32 und den Beleuchtungshohlspiegel 14 als streifenförmiger beleuchteter Bereich um die Inspektionslinie 13 herum auf die Oberfläche der Materialbahn 11 abgebildet. Bei der Lichtquelle kann es sich um eine Lampe mit gestreckter Wendel oder um eine Kapil­ larlampe handeln. Mit dieser Anordnung wird also ein schmale­ res Beleuchtungsband auf der Oberfläche der Materialbahn 11 erzeugt. Der Kondensator 21, der hier die Beleuchtungspupil­ le 16 bestimmt, ist bei dieser Ausführungsform im optischen Abstand der Brennweite vom Beleuchtungshohlspiegel 14 ange­ ordnet, so daß aus dem Beleuchtungshohlspiegel 14 in Rich­ tung der Inspektionslinie 13 zueinander parallele Strahlen austreten.

Während der Strahlenteiler 22 das vom Kondensator 21 kommende Lichtbündel um etwa 90° nach unten ablenkt, fällt unter einem Winkel von etwa 90° zu dem vom Kondensor 21 kommenden Lichtbündel ein Abtaststrahl 28 auf den Strahlenteiler 22 auf, der von einem Spiegelrad 26 erzeugt wird, das in Richtung des dargestellten Pfeiles mit hoher Drehzahl um­ läuft und dessen reflektierende Spiegelfläche im Abstand der Brennweite vom Beleuchtungshohlspiegel 14 angeordnet ist. Das Spiegelrad wird über einen Umlenkplanspiegel 36 und eine Strahlaufweitungsoptik 37 von einem Laser 27 beaufschlagt.

Die aus dem Laser 27, der Strahlaufweitungsoptik 37, dem Umlenk­ planspiegel 36 und dem Spiegelrad 26 bestehende Abtastanord­ nung ist so dimensioniert, daß der im Bereich der Inspek­ tionslinie 13 erzeugte scharfe Abtastlichtfleck beim Umlau­ fen des Spiegelrades 26 die Materialbahn 11 entlang der Ins­ pektionslinie 13 in Querrichtung der Materialbahn 11 perio­ disch abtastet. Auf diese Weise sind zwei Vorrichtungen zur Erzeugung eines kontinuierlichen bzw. eines durch einen Ab­ tastlichtfleck erzeugten streifenförmigen Bereiches ineinan­ dergeschachtelt, wobei ab dem Strahlteiler 22 alle opti­ schen Elemente doppelt ausgenutzt werden.

Auf der Empfangsseite, die unter dem Reflexionswinkel zum Be­ leuchtungshohlspiegel 14 angeordnet ist, befindet sich ein identisch wie der Beleuchtungshohlspiegel 14 ausgebildeter streifenförmiger Hohlspiegel 15, der das von der Material­ bahn 11 im Bereich der Inspektionslinie 13 unter dem Reflexionswinkel reflektierte Licht über einen weiteren Um­ lenkplanspiegel 33 in das Objektiv 18 lenkt, wo sich das Bild der Beleuchtungspupille 16 befindet. Hinter dem Objek­ tiv 18 ist wieder die Diodenzeile 17 mit der Auswerteeinrich­ tung 30 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ange­ ordnet.

Vor dem Objektiv 18 ist im Strahlengang ein weiterer Strah­ lenteiler 23 angeordnet, der einen Teil des Empfangslichtes zu einem unter 90° zum konvergierenden Empfangsbündel ange­ ordneten Photomultiplier 29 lenkt, der über eine Leitung 38 ebenfalls an die Auswerteeinrichtung 30 angeschlossen ist.

Auf diese Weise gelangt das Empfangslicht teilweise auf die Diodenzeile 17 und teilweise in den Photomultiplier 29.

Um die beiden Strahlengänge zu entkoppeln, sind die beiden als Teilerspiegel ausgebildeten Strahlenteiler 22, 23 ent­ sprechend dichromatisch ausgeführt und vor dem Objektiv 18 bzw. vor dem Photomultiplier 29, jedoch hinter dem Strahlen­ teiler 23 optische Filter 24, 25 angeordnet, die jeweils den Spektralbereich des anderen Strahlenbündels herausfiltern. So wird dafür gesorgt, daß auf die Diodenzeile 17 nur von der Lichtquelle 12′ ausgehendes Licht gelangt, während der Photomultiplier 29 nur das Licht vom Laser 27 erhält. Durch entsprechende spektrale Ausbildung des Teilerspiegels 22 und/oder eines passenden Filters 24, das bei der Beleuch­ tungspupille 16 angeordnet sein kann, kann die spektrale Trennung der beiden Empfangsstrahlenbündel noch weiter begün­ stigt werden.

Mit der Vorrichtung nach Fig. 2 kann ein und derselbe linea­ re Bereich entlang der Inspektionslinie 13 von einer statio­ nären Überwachungsvorrichtung mit der Lichtquelle 12′ und einer dynamischen Abtastvorrichtung mit dem Laser 27 über­ wacht werden, wobei mittels der stationären Überwachungsvor­ richtung größere Fehler mit nicht zu kleiner Ausdehnung, aber geringer Lichtablenkung oder Farbabweichungen erfaßt werden können, während der Laserscanner Feinstfehler mit großer Streuwinkeln erfaßt.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur optischen Feststellung von Fehlern in einer Materialbahn mit einer Lichtquelle, einer Beleuch­ tungsoptik zur Erzeugung eines streifenförmigen beleuch­ teten Bereiches auf der Materialbahn quer zu ihrer Bewe­ gungsrichtung und einer Diodenzeilenkamera mit einem Ob­ jektiv und einer an einer Auswerteeinrichtung angeschlos­ senen Diodenzeile, wobei das Objektiv zur Abbildung einer sich innerhalb des beleuchteten Bereiches erstreckenden Inspektionslinie auf die Diodenzeile ausge­ bildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (12) eine Beleuchtungspupille (16) be­ leuchtet und die Beleuchtungsoptik zur Erzeugung des streifenförmigen beleuchteten Bereiches einen streifen­ förmigen Beleuchtungshohlspiegel (14) aufweist, der die Beleuchtungspupille (16) über die Materialbahn (11) in das Objektiv (18) der Diodenzeilenkamera abbildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (12) eine Punktlichtquelle ist und über einen Konden­ sor-Streifenhohlspiegel (19), der parallel zum Beleuch­ tungshohlspiegel (14) verläuft, in eine am Ort der Be­ leuchtungshohlpupille (16) angeordnete Lochblende (20) abge­ bildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Inspektionslinie (13) sich zwischen ¹/₃ bis ¹/₂ des Weges zwischen dem Be­ leuchtungshohlspiegel (14) und dem Objektiv (18) befin­ det.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang nach der Materialbahn (11) ein streifenförmiger Hohlspiegel (15) vorgesehen ist, der zusammen mit dem Beleuchtungs­ hohlspiegel (14) die Beleuchtungspupille (16) in das Ob­ jektiv (18) abbildet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlengang zwi­ schen dem Beleuchtungshohlspiegel (14) und dem streifen­ förmigen Hohlspiegel (15) parallel verläuft.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3, 4 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (12) eine linienförmige Lichtquelle (12′) ist und über einen am Ort der Beleuchtungspupille (16) angeordneten Kondensor (21) und den Beleuchtungshohlspiegel (14) auf die Oberfläche der Materialbahn (11) abgebildet ist, um dort den beleuchteten Bereich zu erzeugen.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen der Be­ leuchtungspupille (16) und dem Beleuchtungshohlspiegel (14) ein Strahlenteiler (22) vorgesehen ist, durch den ein von einem im Abstand der Brennweite vom Beleuchtungs­ hohlspiegel (14) angeordnetes Spiegelrad (26) oder Drehspiegel und einem Laser (27) erzeugter Abtaststrahl (28) auf den Beleuchtungshohlspiegel (14) gelangt, von wo der Abtaststrahl schräg auf den beleuchteten Bereich geworfen wird.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen dem streifenförmigen Hohlspiegel (15) und dem Objektiv (18) ein Strahlenteiler (23) vorgesehen ist, der den vom Laser (27) herrührenden Teil des von der Materialbahn (11) ausgehenden Strahlenbündels auf einen Photoempfän­ ger, insbesondere Photomultiplier (29), lenkt, der an die Auswerteeinrichtung (30) angeschlossen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strahlen­ gänge durch auf nicht überlappende Spektralbereiche abge­ stimmte optische Filter (24, 25) und/oder dichromatische Teilerspiegel (Strahlenteiler 22, 23) entkoppelt sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Maßstab der Abbildung der Beleuchtungspupille (16) in das Objektiv (18) 0,5 : 1 bis 1 : 2, insbesondere 1 : 1 beträgt.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß im Strahlengang ein oder mehrere streifenförmige Umlenkplanspiegel (31, 32, 33) vorgesehen sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß in der Beleuch­ tungspupille (16) und dem Objektiv (18) aufeinander abge­ stimmte Blenden (Lochblende 20, Kreisblende 35) vorgesehen sind.