DE3742527A1 - Fotoelektronische fuehl- oder messeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine fotoelektronische Fühl- oder Meßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige fotoelektronische Fühl- oder Meßeinrichtung ist Gegenstand des Patentes . . . (der Patentanmeldung P 37 24 264.4), bei der ein plattenförmiger, aus einem fluoreszierend eingefärbten Kunststoff bestehender Körper, zwischen mindestens zwei Leuchtstofflampen in einem Gehäuse so angeordnet ist, daß eine flache Seite des Körpers den Leuchtstofflampen und eine Schmalseite der Fotoelementanordnung zugewendet ist und die Schmalseite sich durch eine mit einem Längsschlitz versehene Längswand des Gehäuses hindurch erstreckt.

Mit dem Vorschlag des Hauptpatentes (Hauptpatentanmeldung) soll das Problem gelöst werden, eine fotoelektronische Fühl- und Meßeinrichtung mit hohem Auflösungsvermögen zu schaffen, die für den umfeldbelasteten Hüttenwerksbetrieb geeignet ist.

Ein Nachteil der bekannten Lösung besteht darin, daß beim Vermessen von runden Werkstücken, z. B. Rohren, Achsen oder Wellen, der vom Empfänger sichtbare Teil der Lichtquelle Reflexe auf dem Werkstück verursacht. Dies tritt besonders dann auf, wenn das Werkstück hochreflektierend ist, z. B. bei einer blanken oder nassen Oberfläche. Diese Reflexe fallen auch in den Empfängerteil und können Meßfehler bewirken. Ein weiterer Nachteil der bekannten Meßeinrichtung besteht darin, daß das austretende Licht einen Öffnungswinkel von 140 Grad oder mehr hat. Das bedeutet, daß die Bestrahlungsstärke in einem technisch sinnvollen Abstand von der Lichtquelle schon sehr gering ist. Die von dem Empfänger genutzte Lichtmenge macht damit nur einen geringen Teil der insgesamt abgestrahlten Lichtmenge aus. Desweiteren wird die verfügbare Lichtmenge eingeschränkt durch die notwendige kurze Belichtungszeit, um Bewegungsunschärfen zu vermeiden und die kleine Blende, um eine entsprechende Schärfentiefe zu erreichen. Diese kleine Blende hat aber zur Folge, daß die Eintrittsöffnung im Empfängerteil für das Licht klein ist. Außerdem ist es schwierig, da das Lichtband sehr schmal ist, unter betrieblichen Bedingungen dieses Lichtband mit einem angemessenen Aufwand anzuvisieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die fotoelektronische Fühl- und Meßeinrichtung nach dem Hauptpatent (Patentanmeldung) im Hinblick auf Meßgenauigkeit, Meßgeschwindigkeit und Einsatzbereich zu verbessern und die Handhabbarkeit zu erleichtern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der plattenförmige Körper im Bereich des Lichtaustrittes über seine ganze Länge eine geringere Dicke als im Bereich der Leuchtstofflampen aufweist, und zwischen dem Körper und dem Empfängerteil die Eigenschaft des austreten­ den Lichtes beeinflussende Mittel angeordnet sind.

Zur Absorption des in den plattenförmig ausgebildeten Körpers eintreten­ den Lichtes der Lampen ist eine Mindestmenge an in der Kunststoff- Matrix eingebetteren Fluoreszenfarbstoffteilchen erforderlich. Diese Mindestmenge ist in erste Näherung abhängig vom Volumen des Körpers und bei einer vorgegebenen Länge und Höhe direkt abhängig von der Dicke der Platte. Damit ist bei einer vorgegebenen Länge des Körpers auch die Größe der Abstrahlfläche festgelegt. Da die Bestrahlungsstärke des Lichtleiters gemessen im Abstand X um so stärker abnimmt, je größer die Querausdehnung des Lichtleiters ist, ist man bestrebt, die Plattendicke im Bereich des Lichtaustrittes absatzlos zu verringern gegenüber der Dicke im Bereich der Lampen, ohne dabei den Mechanismus der Totalreflexion nennenswert zu beeinträchtigen. Vorzugsweise wird deshalb der Querschnitt über die gesamte Länge des Körpers asymmetrisch verjüngt, wobei eine Längsseite des Körpers geradlinig verläuft und die gegenüberliegende Seite im Bereich des Lichtaustrittes zwei stetig gegenläufig gekrümmte Abschnitte mit einem dazwischenliegenden Wendepunkt aufweist. Der Faktor der Dickenänderung sollte mindestens 2 betragen. Die Wirkung dieser Dickenänderung liegt darin begründet, daß die in dem Körper im Bereich der Lampen absorbierte Lichtmenge in den kleineren Austrittsquerschnitt quasi "zusammengepreßt" wird. Das führt dann zu der gewünschten Erhöhung der Leuchtdichte an der Austrittsfläche und damit zu einer Erhöhung der wirksamen Lichtmenge im Empfängerteil. In konstruktiver Hinsicht wird vorzugsweise der im Querschnitt verjüngte Plattenteil in den Bereich des Längsschlitzes gelegt und der Übergangsteil innerhalb des Gehäuses angeordnet.

Es ist aus der Fotografie bekannt, daß Reflexe an spiegelnden Oberflächen mit Hilfe von Polarisationsfiltern teilweise unterdrückt werden können. Bei den Winkeln, die bei der hier beschriebenen Meßanordnung auftreten, ist das Reflexionsvermögen für parallel polarisiertes Licht deutlich niedriger als für nicht bzw. senkrecht polarisiertes Licht. Es ist deshalb das Ziel der Erfindung, die Ausbreitungseigenschaft des austretenden Lichtes der Meßeinrichtung so zu verändern, daß die störenden Reflexe gar nicht erst entstehen und deshalb durch Polyrisationsfilter am Empfängerteil auch nicht unterdrückt werden müssen. Zu diesem Zweck wird der gesamte Lichtaustrittsspalt mit einer Polarisationsfolie abgedeckt, die eine Vorzugsrichtung parallel zur Längserstreckdung des Lichtbandes aufweist. Somit wird ein parallel polarisiertes Licht erzeugt, das an den Kanten des zu messenden blanken Körpers so gut wie keine Reflexe erzeugt. Einziger Nachteil dieser Anordnung ist der nicht unbeträchtliche Verlust der wirksamen Lichtmenge, die in der Größenordnung von 60% liegt. Des weiteren wird die verfügbare Lichtmenge durch die drei schon genannten Faktoren weiter eingeschränkt.

• 1a) Abdeckung des Lichtbandes mit einer Polarisationsfolie mit ca. 60% Minderung der Lichtmenge,
• 1b) Vorgabe einer kurzen Belichtungszeit, um Bewegungsunschärfen zu vermeiden,
• 1c) Erzielung einer großen Schärfentiefe, um in der Meßgeometrie anpassungsfähig zu sein.

Diese Minderung der Lichtmenge kann zum Teil durch den erfinderischen Vorschlag der Dickenänderung des plattenförmigen Körpers kompensiert werden.

Mit abnehmender Querausdehnung des Lichtbandes nähert sich dieses zwar immer mehr dem angestrebten Typ einer linienförmigen Lichtquelle, es wird aber andererseits immer schwieriger, ein so schmales Lichtband mit einem angemessenen Aufwand vom Empfängerteil aus anzuvisieren. In Weiterentwicklung der Erfindung wird deshalb in den Strahlengang zwischen Lichtband und Empfängerteil ein weiteres die Eigenschaften des austretenden Lichtes beeinflussendes Mittel, wie zum Beispiel eine eindimensionale, sich erstreckende Sammellinse angeordnet. Dadurch soll der austretende Lichtstrahl gebündelt und zwischen der Linse und dem Empfängerteil ein vergrößertes scharfes Bild des Lichtbandes erzeugt werden. Vorzugsweise ist diese eindimensionale Sammellinse ein Vollrundstab aus lichtdurchlässigem Material. Die Sammellinse kann auch in Form einer Fresnellinse, die im Gegensatz zur bekannten rotationssymmetrischen, eindimensional gestreckt ist, ausgebildet sein. Zur Verbesserung der Wirksamkeit und um eine kleine Brennweite zu erreichen, können mehrere solcher Fresnellinsen hintereinander zu einem Linsensystem angeordnet werden. Durch die Variation der Entfernung der Linse vom Lichtband kann man erreichen, daß das reelle Bild des Lichtbandes an geeigneter Stelle zwischen Linse und Empfängerteil liegt. Dabei sollte die Brennweite des Linsensystems mindestens der Querausdehnung des Lichtbandes am Austritt entsprechen. Vorzugsweise wird das reelle Bild des Lichtbandes mindestens um den Faktor 3 vergrößert und die Abstände so gewählt, daß das reelle Bild sich in der Nähe der Scharfebene des Meßobjektes befindet.

Alle beschriebenen Maßnahmen sind dazu geeignet, ein schmales, scharf begrenztes Lichtband zu erzeugen, das mit hoher Intensität ohne störende Reflexe das Meßobjekt beleuchtet, welches mit kurzer Belichtungszeit und großer Schärfentiefe abgetastet werden kann. Die kurze Belichtungszeit ermöglicht es, sich schnell bewegende Meßobjekte sicher und ohne Kantenunschärfe zu erfassen und die große Schärfentiefe erlaubt es, den günstigsten Standort für den Empfängerteil in einer großen Variationsbreite frei zu wählen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand einer einzigen Figur erläutert.

Diese zeigt einen Querschnitt durch die schematisch dargestellte Meßeinrichtung.

In einem längsgestreckten Gehäuse 1 ist mittig in der Teilungsebene ein plattenförmig ausgebildeter Kunststoffkörper 2 angeordnet, dessen Seitenflächen 3, 4 den Leuchtstofflampen 5, 6, 7, 8 und eine Schmalseite 9 dem Scanner 10 zugewandt ist. Der Kunststoffkörper 2 besteht aus einem fluoreszierend eingefärbten durchsichtigen Material mit einem Brechungsindex von etwa 1,5, einer sogenannte LISA-Platte.

Das Licht der Leuchtstofflampen 5, 6, 7, 8 tritt durch die Seitenflächen 3, 4 des Körpers 2 in diesen direkt oder nach Reflexion an den Gehäusewänden ein. Das Licht wird in dem Körper 2 durch Fluoreszenz in seiner Wellenlänge umgesetzt. Es entsteht ein vollkommen diffuser Lichtstrom, der in Folge der teilweisen Totalreflexion an den Seitenflächen und der Reflexion an den drei Schmalseiten innerhalb des Gehäuses zum Austritt aus der dem Scanner 10 zugewandten Schmalseite 9 gesammelt wird. Diese Schmalseite 9 erscheint dabei als ein sehr helles Lichtband.

Zur Verstärkung des austretenden Lichtstromes ist die Dicke 11 des Körpers 2 im Bereich des Lichtaustrittes gegenüber der Dicke 12 im Bereich der Lampen 5, 6, 7, 8 verringert. Der Übergang 13 ist asymmetrisch und absatzlos, wobei die eine Längsseite 4 des Körpers 2 geradlinig verläuft und die gegenüberliegende Seite 3 zwei stetig gegenläufig gekrümmte Abschnitte mit einem dazwischenliegenden Wendepunkt aufweist. Der Faktor der Dickenänderung sollte dabei nicht unter 2 liegen. Der verjüngte Querschnitt des Körpers 2 erstreckt sich durch den Längsschlitz 14 des Gehäuses 1 und der Übergangsbereich 13 befindet sich innerhalb des Gehäuses 1, wobei die Längserstreckung hier nicht dargestellt ist.

Im Strahlengang, hier symbolisiert durch die Mittelachse 15, ist eine Polarisationsfolie 16 dem Lichtband 9 nachgeschaltet. Diese Folie 16 weist eine Vorzugsrichtung auf, die parallel zur Längserstreckung des Lichtbandes 9 ausgerichtet ist. Dadurch wird parallel polarisiertes Licht in bezug auf die Längserstreckung des Lichtbandes 9 erzeugt. Diese bevorzugte Schwingungsrichtung vermeidet weitgehend die Reflexion des Lichtes an den Kanten eines z. B. hochreflektierenden, runden Meßobjektes 17. Um das schmale Lichtband 9 vom Scanner 10 aus mit angemessenem Aufwand anvisieren zu können, ist im Strahlengang 15 eine Sammellinse angeordnet, die in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Linsensystem mit drei eindimensional gestreckten Fresnellinsen 18, 19, 20 besteht. Der eine Brennpunkt dieses Systems ist durch ein Kreuz 21 symbolisiert. Der Abstand des Lichtbandes 9 zur Linse bzw. zum Linsensystem 18, 19, 20, hier dargestellt durch den Pfeil 22, wird so gewählt, daß das reelle Bild des Lichtbandes 9 mindestens um den Faktor 3 vergrößert wird und sich in der Nähe der Scharfebene des Meßobjektes 17 befindet.

Der Scanner 10 weist beispielsweise einen Drehspiegel auf, der während einer Teildrehung über das Lichtband 9 hinweggeschwenkt und dabei von dem in kleine Flächen unterteilt zu denkenden Lichtband 9 Impulse auf ein Fotoelement wirft und dadurch Ladungsimpulse erzeugt. Eine andere Scanmethode wäre die Abtastung mittels einer Kamera, die eine Diodenzeile aufweist, die getaktet abgefragt wird. Die Auswertung und Bewertung der Folge von Ladungsimpulsen erfolgt durch Rechner. Letztere können aus den Impulsreihen auch Steuerbefehle oder Meßprotokolle erzeugen.

Claims (14)

1. Fotoelektronische Fühl- oder Meßeinrichtung mit einer den Fühl- und Meßbereich beleuchtenden Lichtquelle einerseits und einem auf die Lichtquelle ausgerichteten Empfängerteil mit in Abhängigkeit von der empfangenen Lichtmenge elektrische Signale erzeugenden Fotoelementanordnungen andererseits des Fühl- oder Meßobjektes, wobei in den Strahlengängen von der Lichtquelle zu den Fotoelementen ein plattenförmiger, sich gegebenenfalls abschnittsweise über den Fühl- oder Meßbereich erstreckender Körper aus einem fluoreszierend eingefärbten Kunststoff zwischen mindestens zwei Leuchtstofflampen in einem Gehäuse angeordnet ist, daß eine flache Seite des Körpers den Leuchtstofflampen und eine Schmalseite der Fotoelementanordnung zugewendet ist und die Schmalseite sich durch eine mit einem Längsschlitz versehene Längswand des Gehäuses hindurch erstreckt, gemäß Patent . . . (Patentanmeldung P 37 24 264.4), dadurch gekennzeichnet, daß der plattenförmige Körper (2) im Bereich des Lichtaustrittes über seine ganze Länge eine geringere Dicke (11) als im Bereich der Leuchtstofflampen (5, 6, 7, 8) aufweist, und zwischen dem Körper (2) und dem Empfängerteil (10) die Eigenschaft des austretenden Lichtes beeinflussende Mittel angeordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang (14) von der Ausgangsdicke (12) im Lampenbereich (5, 6, 7, 8) zur Dicke (11) am Lichtaustritt unter Aufrechterhaltung der Totalreflexion eine absatzlose Kontur aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung des Querschnittes symmetrisch oder asymmetrisch ausgebildet ist.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle der Asymmetrie eine Längsseite (4) des Körpers (2) geradlinig verläuft und die gegenüberliegende Längsseite (3) im Bereich des Lichtaustrittes zwei stetig gegenläufig gekrümmte Abschnitte mit einem dazwischenliegenden Wendepunkt aufweist.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor der Dickenänderung mindestens 2 beträgt.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtband (9) über seine gesamte Länge und Breite mit einer Polarisationsfolie (16) abgedeckt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorzugsrichtung der Folie (16) parallel zur Längserstreckung des Lichtbandes (9) ausgerichtet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Abstand zum Lichtband (9) und parallel zu dessen Längsachse eine eindimensionale sich erstreckende Sammellinse angeordnet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinse ein Vollrundstab aus lichtdurchlässigem Material ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammellinse in Form einer eindimensional gestreckten, dünnen Fresnellinse (18, 19, 20) ausgebildet ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Fesnellinsen (18, 19, 20) im Strahlengang (15) hintereinander angeordnet sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite des Linsensystems (18, 19, 20) mindestens der Querausdehnung (14) des Körpers (2) am Lichtaustritt entspricht.

13. Einrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand vom Lichtband (9) zur Linse bzw. zum Linsensystem (18, 19, 20) so gewählt ist, daß das reelle Bild des Lichtbandes (9) an geeigneter Stelle zwischen Linse (18, 19, 20) und Empfängerteil (10) liegt.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das reelle Bild des Lichtbandes (9) mindestens um den Faktor 3 vergrößert ist und sich in der Nähe der Scharfebene des Meßobjektes (17) befindet.