DE4024929A1 - Ulbrichtkugel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ulbrichtkugel mit einer Lichteintrittsöffnung und einer Lichtaustrittsöffnung. Weiterhin betrifft die Erfindung verschiedene Anwen­ dungsmöglichkeiten einer solchen Ulbrichtkugel.

Die Ulbrichtkugel oder auch Ulbricht′sche Kugel ist ein Gerät zur Messung des Lichtstroms von Lichtquellen. Üblicherweise ist die Ulbrichtkugel als Hohlkugel ausge­ bildet, die innenseitig einen weißen Anstrich aufweist. Beispielsweise befindet sich in deren Inneren eine Licht­ quelle. An einem Meßfenster in der Kugeloberfläche wird die Beleuchtungsstärke gemessen. Der der Beleuchtungs­ stärke proportionale Lichtstrom wird mit einem Referenz­ wert verglichen.

Nun kann man eine solche Ulbricht′sche Kugel auch dazu verwenden, die Intensität von Lichtstrahlen zu ermitteln, indem ein Meßstrahl durch eine Lichteintrittsöffnung in das Innere der Kugel geleitet wird, wobei die Messung dann an einer Lichtaustrittsöffnung der Kugel erfolgt.

Bei der Ulbrichtkugel wird zur Messung die fast vollstän­ dige diffuse Reflektivität an den Innenwänden der Kugel ausgenutzt. Gegenüber den reflektierenden Bereichen der Innenwand der Kugel nehmen Lichteintrittsöffnung und Lichtaustrittsöffnung nur wenig Platz ein, so daß nur we­ nig Licht durch die Öffnungen verloren geht. Um die Meß­ ergebnisse nicht zu verfälschen, wird allgemein eine mög­ lichst genaue Kugelform und ein sehr hoher Grad der dif­ fusen Reflexion angestrebt.

Die bislang bekannten Meßanordnungen mit Ulbrichtkugeln umfassen mehrere Bauteile, die durch Halterungen, Ver­ bindungsstücke usw. miteinander verbunden sind. Diese Bauteile sind im allgemeinen teuer. So beispielsweise benötigt man eine Abbildungsoptik, um einen bestimmten Strahlquerschnitt an die Lichteintrittsöffnung der Ulbrichtkugel anzupassen. Der hohe Aufwand für eine solche Meßanordnung macht den Einsatz der Ulbrichtkugel und der dazugehörigen Bauteile häufig wirtschaftlich uninteressant, zumal der eigentliche Meßbetrieb einen nicht unerheblichen Aufwand für Justierarbeiten und dergleichen erforderlich macht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ulbricht­ kugel der eingangs genannten Art anzugeben, die sich aufgrund eines kompakten und einfachen Aufbaus für preis­ werte Meßanordnungen eignet, ohne daß dabei aufwendige Justierarbeiten vorgenommen werden müssen.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Kugel massiv aus einem transparenten Material herge­ stellt ist und daß sich auf der Außenfläche der Kugel eine reflektierende Beschichtung befindet.

Während die bislang üblichen Ulbrichtkugeln Hohlkörper waren, die mit erheblichem Aufwand hergestellt werden mußten, wozu die innere Beschichtung der Kugel gehörte, ist die erfindungsgemäß ausgestaltete Ulbrichtkugel ein massiver Körper, auf dessen Außenfläche sich die reflek­ tierende Beschichtung befindet.

Insbesondere kann es sich bei dem Material der Kugel um Kunststoff oder auch Acrylglas handeln, speziell dann, wenn es um Anwendungen bei Laserlicht mit einer Wellen­ länge im Sichtbaren oder im nahen Infrarot geht. Ulbrichtkugeln aus Acrylglas in großen Stückzahlen lassen sich billig durch Spritzgießen herstellen. Die durch Spritzgießen aus Acrylglas gefertigte Kugel kann ohne großen Aufwand eine ausreichende Formgenauigkeit aufwei­ sen.

Darüber hinaus können natürlich auch andere Herstellungs­ verfahren benutzt werden, wie z. B. Gießen aus der Flüssigkeit oder spangebende Bearbeitung von Platten­ material.

Die Außenbeschichtung kann ein handelsüblicher weißer Lack sein, z. B. ein Lack, wie er üblicherweise beim Kor­ rigieren von Tippfehlern auf Schreibmaschinenpapier ver­ wendet wird. Dieser Lack wird einfach außen auf die Ober­ fläche der Acrylglaskugel aufgetragen.

Wie oben erwähnt, machen spezielle Anwendungen es häufig erforderlich, der Lichteintrittsöffnung des Kugelkörpers eine Abbildungsoptik vorzuschalten, um den beispielsweise in einem gewissen Winkelbereich einfallenden Strahl in die Lichteintrittsöffnung zu lenken. Eine solche Abbil­ dungsoptik läßt sich bei der erfindungsgemäßen Ulbricht­ kugel besonders einfach dadurch realisieren, daß ein­ stückig mit dem Kugelkörper im Bereich der Eintritts­ öffnung eine Abbildungsoptik angeformt ist. Wenn die Ulbrichtkugel - wie gesagt - aus Acrylglas besteht, so wird die Abbildungsoptik zusammen mit dem eigentlichen Kugelkörper in einem Stück hergestellt. Es ist ersicht­ lich, daß eine solche Kombination von Kugelkörper und Abbildungsoptik keinerlei Justierarbeiten erforderlich macht. Man muß diese Anordnung lediglich in eine ent­ sprechende Position bezüglich des einfallenden Licht­ strahls bringen. Es ist jedoch auch möglich, mehrere Tei­ le mit transparentem Acryl-Kleber zu einem Bauteil zu verbinden.

Weiterhin kann man durch die Ausbildung einer Einschnü­ rung zwischen der Abbildungsoptik und dem eigentlichen Kugelkörper eine Blende definieren. Im Bereich dieser "Blende" befindet sich dann die eigentliche Lichtein­ trittsöffnung der Ulbrichtkugel.

Die Lichtaustrittsfläche, wo das diffuse Licht im Inneren der Kugel gemessen wird, wird vorzugsweise da­ durch hergestellt, daß an dem Kugelkörper ein Ansatz angeformt ist, der an seinem freien Ende ein poliertes Austrittsfenster aufweist. Vorzugsweise befindet sich der Ansatz in dem Kugelkörper direkt hinter der als Blende fungierenden Einschnürung im Bereich der Licht­ eintrittsöffnung. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß nur im Kugelkörper durch Mehrfachreflexion ent­ standenes Licht auf das polierte Lichtaustrittsfenster trifft.

Einstückig mit der gesamten Anordnung aus Abbildungs­ optik, Blende und Kugelkörper können Halterungselemente angeformt sein. Damit entsteht beim Betrieb der Ulbricht­ kugel ein Minimum an Montage- und Justierarbeiten. Die Halterung ist vorzugsweise in Form einer Aussparung in dem Ansatz realisiert und dient dazu, einen Lichtdetektor aufzunehmen. Bei diesem Lichtdetektor handelt es sich - wie üblich - um ein fotoelektrisches Bauelement, dessen Signalstrom proportional zur Beleuchtungsstärke am Licht­ austrittsfenster ist.

Während der eigentliche Kugelkörper mit einer weißen, reflektierenden Beschichtung versehen ist, kann man an dem genannten Ansatz einen lichtabsorbierenden Überzug, z. B. einen schwarzen Anstrich, vorsehen. Durch diese Maßnahme kann man eine einstellbare Abschwächung des Lichts und mithin einen kalibrierbaren Meßkopf reali­ sieren.

Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich durch hohe Kompaktheit und einfache Konstruktion aus. Man kann be­ stimmte Stellen des Acrylkörpers polieren, so daß diese polierten Stellen dann als Umlenkspiegel fungieren. Ge­ genüber den bekannten Anordnungen stellt dies eine we­ sentliche konstruktive Vereinfachung dar.

Es kann nun erwünscht sein, daß ein in die Ulbrichtkugel gelangender Lichtstrahl, insbesondere Laserstrahl, die Ulbrichtkugel nicht mehr verlassen soll. In diesem Fall wird das gesamte Meßlicht absorbiert.

Um die dadurch bedingten thermischen Belastungen des Materials zu begrenzen, kann man mit relativ einfachen Mitteln eine Kühlung erreichen. Hierzu ist erfindungs­ gemäß vorgesehen, daß außen auf der reflektierenden Beschichtung noch eine Absorptionsschicht mit mäßiger thermischer Leitfähigkeit und eine gut wärmeableitende Schicht aufgebracht sind. Auf diese Weise wird die reflektierende Schicht ebenso wie die von ihr einge­ schlossene massive Kugel durch Wärmeableitung nach außen gut gekühlt.

Die erfindungsgemäße Ulbrichtkugel ist für eine Reihe möglicher Anwendungen geeignet. Im vorliegenden Fall sollen speziell zwei Anwendungen näher erläutert werden, wobei spezielle Verfahrensmerkmale jedoch nicht unbe­ dingt auf die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Ulbrichtkugel begrenzt sind, sondern auch - möglicher­ weise weniger gut - mit herkömmlichen Meßanordnungen oder Ausgestaltungen von Ulbrichtkugeln realisierbar sind.

Zunächst soll ein Verfahren zur Lagebestimmung der Kante einer mittels Laserstrahl zu bearbeitenden ID-Karte (z. B. Kreditkarte, Scheckkarte, Ausweiskarte) erläutert werden. Solche ID-Karten werden beispielsweise beim bar­ geldlosen Zahlungsverkehr verwendet. Eine von mehreren Arten von Informationen, welche die ID-Karte trägt, ist eine auf die Person des Karteninhabers bezogene Beschrif­ tung, die üblicherweise mittels Laser eingeschrieben wird.

Hierzu wird die zu bearbeitende Karte in ein Laser-Be­ schriftungsgerät eingebracht und nimmt dort eine bestimm­ te Lage ein. Ein Laserstrahl wird von einem rechnerge­ steuerten Umlenkspiegel auf bestimmte Stellen der Karte gelenkt, wo der Laserstrahl die gewünschten Daten in das Kartenmaterial einbrennt.

Wenn nur eine einzige Kartenseite mit dem Laserstrahl abgetastet wird, kann man daran denken, die Karte zum Beschriften gegen einen festen Anschlag zu fahren, wobei die Stelle, an der die Beschriftung durch den Laserstrahl beginnt, exakt durch entsprechende Lage des Umlenkspie­ gels bestimmt ist. Andererseits kann man daran denken, innerhalb des Geräts beide Seiten der ID-Karte mit dem Laserstrahl zu beschriften. Dann muß die Karte nach Bear­ beitung der einen Seite zur Bearbeitung der anderen Seite gewendet werden.

In diesem Fall wäre aufgrund der mechanischen Toleranzen die Lage der Karte nur in gewissen Grenzen grob festge­ legt.

Aus den obigen Gründen ergibt sich, daß es wünschenswert wäre, ein Mittel zur exakten Lagebestimmung einer Karte zur Verfügung zu haben, wobei dieses Mittel einerseits einfach zu realisieren ist, andererseits präzise arbei­ tet.

Demgemäß schafft die Erfindung ein Verfahren zur Lagebe­ stimmung der Kante einer mittels Laserstrahl zu bearbei­ tenden ID-Karte in einer Bearbeitungsapparatur, insbeson­ dere unter Verwendung einer Ulbrichtkugel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Verfahren dadurch gekenn­ zeichnet ist, daß die Karte in eine grob definierte Bear­ beitungslage hineinbewegt wird, in der sich eine vorbe­ stimmte Kante der Karte innerhalb eines vorgegebenen Intervalls befindet, daß der Laserstrahl mit definierter Intensität von einem Ablenksystem, vorzugsweise in kleinen Schritten, quer zum Kantenverlauf bewegt wird, wobei der Umfang der Abtastung mindestens so groß ist wie das Intervall und daß hinter der Kartenkante die Ulbrichtkugel mit einer Abbildungsoptik im Abtastbe­ reich des Laserstrahls angeordnet ist. Hierbei sorgt die Abbildungsoptik dafür, daß der Laserstrahl über den gan­ zen Umfang der Abtastung die Ulbrichtkugel ungehindert erreicht, ohne dabei einen unerwünschten großen Öffnungs­ winkel für Streulicht zu haben.

Bei diesem Verfahren wird die mit Laserstrahl zu be­ schriftende Karte zunächst in eine grob definierte Lage hineinbewegt. Beispielsweise wird die durch ein Förder­ system antransportierte Karte abgebremst. Es ist klar, daß eine solche Abbremsung nur mit einer begrenzten Genauigkeit hinsichtlich der Anhalteposition der Karte durchgeführt werden kann. Nachdem die Karte ihre grob definierte Ruhelage eingenommen hat, befindet sich eine bestimmte Kante der Karte innerhalb eines gewissen Intervalls, welches durch Versuche und dergleichen er­ mittelt werden kann.

Dann wird mit dem in der Energie gedämpften Laserstrahl eine Abtastung vorgenommen, derart, daß der Laserstrahl sich zunächst über einen Bereich an der betreffenden Kan­ te der Karte bewegt, um anschließend über die Kartenkante hinauszugelangen.

Eine Besonderheit dieses erfindungsgemäßen Verfahrens besteht dabei u. a. darin, daß der Laserstrahl nicht nur zum Beschriften der Karte verwendet wird, sondern auch in der genannten Weise zur Lagebestimmung der Kartenkante dient. Hierzu wird während der Phase der Lagebestimmung die Intensität des Laserstrahls auf einen Wert reduziert, der keine Beschriftung bzw. Materialveränderung der Karte zur Folge hat. Für die Lagebestimmung stehen die bereits für die Laserbeschriftung verwendeten Bauelemente zur Verfügung. Mit dem Umlenkspiegel läßt sich der Laser­ strahl in definierten, präzisen Schritten vorrücken. Da die Lagebeziehung zwischen Umlenkspiegel und Kartenebene vorgegeben ist, ist der jeweilige Auftrefffleck des Laser­ strahls auf der Karte bekannt. Wenn nun zunächst der Laserstrahl auf die Karte auftrifft, wird am Lichtaus­ trittsfenster der Ulbrichtkugel praktisch kein Lichtstrom gemessen, da kein Licht auf die Abbildungsoptik der Ulbrichtkugel fällt. Wenn dann der abtastende Laserstrahl die betreffende Kartenkante überschreitet, fällt Licht auf die Ulbrichtkugel. Der an das Lichtaustrittsfenster der Ulbrichtkugel angeschlossene Lichtdetektor gibt ein Signal ab, welches kennzeichnend ist für eine bestimmte Lichtintensität des Laserstrahls. Das Signal wird mit einem Schwellenwert verglichen, und der Zeitpunkt des Auftretens des Signals kennzeichnet eine bestimmte Stel­ lung des Umlenkspiegels. Damit ist die Lage der Kante bekannt, wobei die Genauigkeit dieser Messung von der Schrittweite des schrittweise bewegten Laserstrahls bzw. Umlenkspiegels abhängt.

Aufgrund der Vielfachreflexionen innerhalb der Ulbricht­ kugel und der damit verbundenen Mittelung der einfallen­ den Strahlungsintensität, ist die am Detektor erzielte Signalstärke nur von der Strahlungsintensität und nicht von dem Einfallwinkel abhängig. Ein ähnlich wirksames Ausgleichen der Winkelabhängigkeit einer herkömmlichen Fotodiode wäre nur mit unverhältnismäßig großem elektro­ nischen Aufwand möglich.

Darüber hinaus liefert die Ulbrichtkugel selbst bei ge­ ringem Kontrast, d. h. bei teilweise transparenten Kar­ ten, noch gute Ergebnisse, da der Schwellwert so gewählt werden kann, daß eine Unterscheidung zwischen direkt ein­ fallendem Licht und dem "Schatten" der Karte möglich ist. Herkömmliche Fotodiodenarrays dagegen gewährleisten in diesem Fall aufgrund der starken Signalschwankungen durch andere Ursachen keine eindeutige Lagebestimmung mehr.

In der oben beschriebenen Weise lassen sich auch zwei senkrecht aufeinanderstehende Kanten der Karte bestimmen. Damit wäre die exakte Lage der Karte bekannt. Nach der Bestimmung der Kartenposition kann mit dem eigentlichen Bearbeitungsvorgang begonnen werden. Hierzu wird der Um­ lenkspiegel in eine Stellung gebracht, gemäß der der Laserstrahl exakt auf den Startpunkt für die Laserbe­ schriftung fällt. Eine solche Einstellung des Umlenk­ spiegels läßt sich mühelos erreichen; denn da die Lage der Kanten bekannt ist, lassen sich die Koordinaten des Anfangspunkts der Beschriftung berechnen.

Speziell sieht die Erfindung hierzu vor, daß, nachdem ein an die Ulbrichtkugel gekoppelter Detektor das Über­ schreiten der Kartenkante durch den Laserstrahl erkannt hat, der etwa auf die Kartenebene fokussierte Laserstrahl zu einem Bearbeitungs-Startpunkt auf der Karte geführt wird und daß dann die Intensität des Laserstrahls von dem die Struktur der Karte praktisch nicht beeinflus­ senden Wert auf einen höheren Bearbeitungsbetriebswert heraufgesetzt wird.

Eine andere Anwendungsmöglichkeit für die erfindungsge­ mäße Ulbrichtkugel ist die Leistungsmessung eines Lasers. Hierzu sieht die Erfindung vor, daß zur Leistungsmessung des Lasers eine erfindungsgemäß ausgestaltete Ulbricht­ kugel verwendet wird. Insbesondere wird aus dem zu messenden Laserstrahl, z. B. durch einen teildurchlässi­ gen Spiegel, ein Meßstrahl abgeleitet, welcher auf die Lichteintrittsöffnung der Ulbrichtkugel gelenkt wird.

Diese Leistungsmessung eines Lasers ist besonders gün­ stig, wenn die erfindungsgemäße Ulbrichtkugel auf dem Ansatz mit einem lichtabsorbierenden Überzug, z. B. einem schwarzen Anstrich, versehen ist. Durch diese Maßnahme läßt sich nämlich ein kalibrierbarer Meßkörper realisie­ ren, mit dem rasch und mühelos die Leistung eines Lasers in der genannten Weise gemessen werden kann.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Skizze einer mit einer Ab­ bildungsoptik ausgestatteten erfindungsgemäßen Ulbrichtkugel in Verbindung mit einer Laser­ anlage,

Fig. 2 den Bereich der Lichtaustrittsöffnung nach Fig. 1 in vergrößerter Darstellung,

Fig. 3 eine Skizze, die den prinzipiellen Aufbau einer Einrichtung zur Lagebestimmung der Kante einer ID-Karte veranschaulicht,

Fig. 4 eine erläuternde Skizze, die den Abtastvorgang einer Kartenkante mittels Laserstrahl veran­ schaulicht,

Fig. 5 ein Signalverlauf, welcher die Veränderung des Pegels eines empfangenen Laserstrahls bei Über­ schreiten einer Kartenkante veranschaulicht,

Fig. 6 eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemä­ ßen Ulbrichtkugel und

Fig. 7 eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemä­ ßen Ulbrichtkugel.

In Fig. 1 ist schematisch ein Laser 2 dargestellt, von dem ein Laserstrahl auf einen Schwenkspiegel 4 gegeben wird. Der vom Schwenkspiegel 4 reflektierte Laserstrahl gelangt abhängig von der Lage des Schwenkspiegels auf eine bestimmte Stelle eines Eintrittsfensters einer insgesamt mit 6 bezeichneten Ulbrichtkugel. Der Winkel­ bereich, der von dem Laserstrahl überstrichen werden kann, ist in Fig. 1 durch gestrichelte Linien angedeutet. Die strichpunktierten Linien markieren polierte Flächen.

Die Ulbrichtkugel 6 ist im wesentlichen ein einstückiger, durch Spritzgießen hergestellter Acrylkörper mit einer Optik 8, einem Blendenteil 10 und dem eigentlichen (Ulbricht′schen) Kugelkörper 12. Auf der Außenfläche des Kugelkörpers 12 befindet sich eine weiße Beschichtung (14). Bei der Beschichtung (14) handelt es sich um ein Material mit weißen Pigmenten, z. B. Titandioxid oder Bariumsulfat. Damit die Beschichtung fest an der Oberflä­ che des Acrylkörpers haftet, wird ein transparenter Bin­ der verwendet. Gute optische und mechanische Eigenschaf­ ten besitzt ein PMMA-Kleber, der sich mit dem Material des Kugelkörpers verbindet und anschließend ausgehärtet wird. Möglich ist auch die Verwendung einer handelsüb­ lichen weißen Deckfarbe (Tipp-Ex), wie sie zum Korri­ gieren von Tippfehlern verwendet wird.

Es ist darauf zu achten, daß an der Grenzschicht zwischen der Außenfläche des Kugelkörpers und der Beschichtung keine spiegelnden Reflexionen entstehen. Angestrebt wird eine möglichst starke Diffusion. Erreicht wird dies da­ durch, daß man den Brechungsindex des Bindematerials mög­ lichst genau so groß wählt wie den des Materials des Kugelkörpers (Acrylglas).

Die Optik 8 erstreckt sich von dem Bereich des Lichtein­ trittsfensters 21 zu dem Blendenteil 10, der als Ein­ schnürung des Acrylglaskörpers ausgebildet ist. Direkt dem in die Eintrittsöffnung 20 mündenden Blendenteil 10 nachgeordnet ist an dem Kugelkörper 12 ein Auskoppelkanal 15 in Form eines Ansatzes ausgebildet. Dieser Auskoppel­ kanal erfüllt gleichzeitig die Funktion eines Lichtaus­ trittsfensters und einer Blende.

Der Auskoppelkanal 15 ist in Fig. 2 in Längsschnittdar­ stellung näher veranschaulicht. Man erkennt oben in Fig. 2 das (weiße) Beschichtungsmaterial 14 und die Aus­ trittsöffnung 13. Der eigentliche Auskoppelkanal 15 ist von einer schwarzen Beschichtung 22 umgeben, die lichtab­ sorbierend ist. An der Stirnseite des Ankoppelkanals ist eine Aussparung 19 angebracht, in welcher ein Detektor 16 befestigt ist, der mit einem fotoelektrischen Bauelement ausgestattet ist, welches ein elektrisches Signal abgibt, dessen Stärke proportional zur Beleuchtungsstärke im Be­ reich des Auskoppelkanals 15 ist. Die dem Detektor zuge­ wandte Stirnfläche 17 des Auskoppelkanals 15 ist poliert. Der Detektor 16 kann jedoch auch auf andere Weise am Aus­ koppelkanal befestigt werden. Zum Beispiel ist es mög­ lich, den Auskoppelkanal plan mit der polierten Stirn­ fläche 17 abzuschließen und anschließend den Detektor mit Klebstoff an dieser Stirnfläche zu befestigen.

Die absorbierende Beschichtung 22 gewährleistet, daß nur paralleles Licht auf den Detektor trifft, das heißt nur das von einer bestimmten Fläche in der Kugel reflektierte Licht kann den Kanal ungehindert durchlaufen. Diese An­ ordnung, Ulbrichtkugel mit schwarz beschichtetem Ankop­ pelkanal, entspricht in ihrer Funktionsweise der klassi­ schen Ulbrichtkugel, bei welcher der Detektor innerhalb der Kugel oder direkt in deren Wand angebracht und durch Blenden von direkter Bestrahlung geschützt ist, und die, wie bereits ausgeführt, zur Messung des Lichtstroms von Lichtquellen benutzt wird. Durch diese schwarze Beschich­ tung läßt sich also eine kalibrierbare Meßvorrichtung erreichen.

Wie in Fig. 1 angedeutet, ist an den Detektor 16 eine Steuerung 18 angeschlossen, die das von dem Detektor 16 gelieferte Signal verarbeitet und auswertet. Wie weiter unten noch näher erläutert werden wird, kann die Steue­ rung 18 z. B. einen Vergleicher beinhalten, der das von dem Detektor 16 gelieferte Signal mit einem Referenz­ signal vergleicht. Das Vergleichsergebnis bedeutet dann, daß der über das Lichteintrittsfenster 21 in die Ulbrichtkugel 6 einfallende Lichtstrahl eine bestimmte Intensität überschreitet oder unterschreitet.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Anwendung einer Ulbrichtkugel. Insbesondere wird eine Ulbrichtkugel des in Fig. 1 und 2 dargestellten Typs eingesetzt. Für das im folgenden zu beschreibende Verfahren kann jedoch grundsätzlich auch eine übliche, z. B. hohle Ulbrichtkugel mit einer diskret ausgebildeten Abbildungsoptik eingesetzt werden. Rechts in Fig. 3 ist prinzipiell eine Ulbrichtkugel 6′ mit einer Abbildungsoptik 8′ und einem Kugelkörper 12′ angedeutet.

Beschrieben wird im folgenden die Bestimmung der Lage einer Kante eines in einer Laserbeschriftungsapparatur mit einer Laserbeschriftung zu versehenden Scheckkarte. Die Scheckkarte 30 ist in der Darstellung nach Fig. 3 von oben nach unten (Pfeilrichtung P1) in eine in einem vor­ gegebenen Intervall grob definierte Lage hineingebremst worden. Die eine Kante 32 der Karte 30 befindet sich mit­ hin in einem Bereich, der auf jeden Fall in den Abtast­ bereich eines von dem Schwenkspiegel 4 bewegten Laser­ strahls fällt.

Bei stillstehender Karte 30 bewegt sich der Laserstrahl in Fig. 3 von oben nach unten, d. h. der Laserstrahl trifft zunächst auf eine Stelle der Karte 30 in der Nähe der Kante 32 auf. Der Laser 2 ist so eingestellt, daß die Intensität des Laserstrahls keinerlei Veränderung der Struktur der Karte 30 hervorruft. Das Licht von dem Laserstrahl wird vollständig oder zumindest teilweise von dem Material der Karte 30 gesperrt, so daß kein Licht auf die nachgeschaltete Ulbrichtkugel 6′ fällt.

Nun wird der Laserstrahl durch Verstellen des Schwenk­ spiegels 4 Stück für Stück weitergerückt in Richtung auf die Kante 32. Wenn schließlich der Laserstrahl die Kante 32 überschreitet, fällt Licht über die Abbildungsoptik 8′ in den Kugelkörper 12′ der Ulbrichtkugel 6′. Dementspre­ chend wird an der Austrittsöffnung 15′ eine gewisse Be­ leuchtungsstärke gemessen, und es wird von dem dort be­ findlichen Detektor 16 ein Signal an die Steuerung 18 ge­ geben. Die Steuerung 18, die die Verstellung des Schwenk­ spiegels 4, die (grob) Bewegung der Karte 30 und den Betrieb des Lasers steuert, errechnet nun aus der bei Auftreten des genannten Signals gerade vorhandenen Stel­ lung des Schwenkspiegels 4 die Lage der Kante 32 der Karte 30.

In der oben beschriebenen Weise läßt sich im Prinzip auch eine zu der Kante 32 senkrecht verlaufende Kante fest­ stellen. Damit wäre die exakte Lage der Karte 30 be­ stimmt. In den Fällen, in denen die Karte 30 mit der un­ teren oder oberen Kante zur Vorrichtung fest positioniert ist, kann aber auf die Positionsbestimmung einer zweiten Kante verzichtet werden. Man kann nun durch entsprechende Berechnung der Koordinaten (X_p) des Startpunkts P für die Laserbeschriftung den Umlenkspiegel 4 in die erforder­ liche Lage bringen. Der auf den Startpunkt P der Be­ schriftung eingestellte Schwenkspiegel 4 lenkt nun das mit erhöhter Intensität von dem Laser 2 abgegebene Laser­ licht auf die Kartenoberfläche (von einer hier nicht näher dargestellten Optik wird der Laserstrahl im wesent­ lichen auf die Kartenebene fokussiert).

Der oben geschilderte Vorgang ist in Fig. 4 skizziert.

Die Karte 30 ist nach Einlauf in die Laserbeschriftungs­ apparatur abgebremst worden, so daß ihre Vorderkante 32 die in Fig. 4 skizzierte Stellung einnimmt. Die Abbrem­ sung der Karte erfolgt so, daß die Kante 32 auf jeden Fall zwischen den zwei Punkten X₁ und X₂ zum Stillstand kommt. Der Laserstrahl beginnt mit der Abtastung am Punkt X_i. In bestimmten Zeitabständen wird der Laser­ strahl ein gewisses Stück vorgerückt. Bis zum Erreichen des Punkts X_k-1fällt auf die hinter der Zeichenebene der Fig. 4 befindliche Ulbrichtkugel kein Licht oder allenfalls ein durch das Material der Karte 30 abge­ schwächtes Licht des Laserstrahls. Dementsprechend wird von dem Detektor 16 an die Steuerung 18 kein Signal ge­ geben. Kurz vor Erreichen des nächsten Abtastpunkts X_k fällt Licht auf die Ulbrichtkugel, so daß der Detektor an der Lichtaustrittsöffnung der Ulbrichtkugel ein entspre­ chendes Signal an die Steuerung 18 liefert.

In Fig. 5 ist der Pegel des von dem Detektor 16 gelie­ ferten Signals dargestellt. Bis zu einem Zeitpunkt t_k liefert der Detektor 16 ein Signal L₁ mit relativ nied­ rigem Pegel. Dann, wenn der Laserstrahl die Kartenkante 32 überschreitet, liefert der Detektor einen sprunghaft erhöhten Signalpegel L₂.

Der Sprung auf den erhöhten Signalpegel L₂ wird dadurch erkannt, daß der Steuerung 18 das von dem Detektor 16 gelieferte Signal mit einem Bezugswert verglichen wird. Wenn das Vergleichsergebnis signalisiert, daß der Laser­ strahl die Kartenkante überschritten hat, so ist zu exakt diesem Zeitpunkt auch die Lage des Schwenkspiegels und mithin der Verlauf des Laserstrahls und damit auch die Lage der Kante bekannt.

Fig. 6 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Ulbrichtkugel, wobei diese Ausgestaltung speziell für solche Anwendungen gedacht ist, wo der zu messende Laserstrahl den Meßkopf nicht mehr verlassen sollte und dabei eine, in Bezug auf die Materialeigenschaften der Ulbrichtkugel, hohe durchschnittliche Leistung hat.

In einem wärmeableitenden Körper 142 befindet sich ein Kugelkörper 120, hier in Form einer Halbkugel aus Acryl­ glas. In der oberen Seite des Kugelkörpers 120 ist links eine Lichteintrittsöffnung 200 dargestellt, rechts ist ein Detektor 160 gezeigt. Dazwischen befindet sich eine bis etwa zur Mitte der Kugelhälfte langende Trennwand 121. Das auf die Lichteintrittsöffnung 200 auftreffende Licht wird in dem massiven Material des Kugelkörpers 120 diffundiert, und der Detektor 160 mißt einen bestimmten Anteil des diffusen Lichts. Außen auf der Oberfläche des Kugelkörpers 120 befindet sich eine weiße Beschichtung 140, und auf der weißen Beschichtung ist lichtabsorbie­ rendes Material 141 zur Energieableitung aufgetragen. Die streuende Wirkung der weißen Schicht verhindert das Auf­ treten von "heißen" Stellen.

Das in die Lichteintrittsöffnung 200 einfallende Licht wird vollständig absorbiert. Die thermische Energie wird über die absorbierende Materialschicht 141 an den wärme­ leitenden Körper 142 abgegeben, so daß das Material des Kugelkörpers 120 und der Beschichtungen wirksam gekühlt wird.

Fig. 7 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ulbrichtkugel, wobei hier Detektor 16 und Optik 50 in Aussparungen 40, 41 der Kugeloberfläche 12 angeordnet sind. Die Aussparungen 40, 41 können an beliebigen Stellen der Kugeloberfläche 12 angebracht wer­ den. Unter Umständen muß jedoch zwischen Eintrittsfenster 43 und Austrittsfenster 42, von denen jedes für sich be­ reits eine Blende darstellt, eine Blende 44 eingeschoben werden, um eine direkte Bestrahlung des Detektors zu ver­ meiden. Hierfür kann z. B. ein Stück schwarzes Papier verwendet werden, das in einen an entsprechender Stelle der Kugel eingefrästen Schlitz eingeschoben wird. Die Herstellung der Abbildungsoptik 50 erfolgt bei dieser Ausführungsform unabhängig von der Kugel. Der schmale, als Blende dienende Hals 51 der Optik 50 wird anschlie­ ßend, z. B. mit transparentem Acrylglas, in der Ausspa­ rung 41 befestigt.

Claims (15)

1. Ulbrichtkugel mit einer Lichteintrittsöffnung und einer Lichtaustrittsöffnung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kugel (6, 12, 120) massiv aus einem transparenten Material hergestellt ist und daß sich auf der Außenfläche der Kugel eine reflek­ tierende Beschichtung (14, 140) befindet.

2. Ulbrichtkugel nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Material Kunststoff ist.

3. Ulbrichtkugel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Material Acrylglas ist.

4. Ulbrichtkugel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kugel durch Spritzgießen oder Gießen aus der Flüssikeit her­ gestellt ist.

5. Ulbrichtkugel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ein- und/oder Austrittsöffnung durch Einschnürungen (13, 20) gebildet sind, die einstückig mit der Kugel verbunden sind und gleichzeitig als Blende dienen.

6. Ulbrichtkugel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß im Bereich der Ein- (20) und/oder Austrittsöffnung (13) ein­ stückig mit dem Kugelkörper eine Abbildungsoptik ange­ formt ist.

7. Ulbrichtkugel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß im Bereich der Ein- (20) und/oder Austrittsöffnung (13) einstückig mit dem Kugelkörper (12) ein Ansatz (15) angeformt ist, der an seinem freien Ende ein poliertes Ein- (21) und/oder Austrittsfenster (17) aufweist.

8. Ulbrichtkugel nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in dem Ansatz (15) eine Aussparung als Halterung für einen Lichtdetektor (16) gebildet ist.

9. Ulbrichtkugel nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz (15) mit einem lichtabsorbierenden Überzug (22), z. B. einem schwarzen Anstrich, versehen ist.

10. Ulbrichtkugel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ein- und/ oder Austrittsöffnung durch Aussparungen (40, 41) in der Kugeloberfläche (12) gebildet sind, wobei die Grund­ fläche der Aussparung als Blende dient.

11. Ulbrichtkugel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß Ein- (20, 41) und Austrittsöffnung (13, 40) so zueinander auf der Ku­ geloberfläche angeordnet sind, daß kein direkter Licht­ einfall auf den Detektor möglich ist.

12. Ulbrichtkugel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß außen auf der reflektierenden Beschichtung (14, 140) noch eine Lichtab­ sorptionsschicht (141) und eine wärmeableitende Schicht (142) aufgebracht sind.

13. Verfahren zur Lagebestimmung der Kante einer mittels Laserstrahl zu bearbeitenden ID-Karte in einer Bearbei­ tungsapparatur, insbesondere unter Verwendung einer Ulbrichtkugel, nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Karte (30) in eine grob definierte Bearbeitungslage hineinbewegt wird, in der sich eine vorbestimmte Kante (32) der Karte (30) innerhalb eines vorgegebenen Intervalls (X₁, X₂) befin­ det, daß der Laserstrahl mit definierter Intensität von einem Ablenksystem (4) vorzugsweise in kleinen Schritten quer zum Kantenverlauf bewegt wird, wobei der Umfang der Abtastung (X_i, X_j) mindestens so groß ist wie das Inter­ vall (X₁, X₂) und daß hinter der Kartenkante (32) die Ulbrichtkugel (6) mit einer Abbildungsoptik (8) im Ab­ tastbereich des Laserstrahls angeordnet ist und den Um­ fang (X_i, X_j) abdeckt.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß, nachdem ein an die Ulbrichtkugel (6) gekoppelter Detektor (16) das überschreiten der Kartenkante (32) durch den Laserstrahl erkannt hat, der etwa auf die Kartenebene fokussierte Laserstrahl zu einem Bearbeitungs-Startpunkt (P) auf der Karte geführt wird und daß dann die Intensität des Laserstrahls von einem die Struktur der Karte praktisch nicht beeinflus­ senden Wert auf einen höheren Bearbeitungsbetriebswert heraufgesetzt wird.

15. Verfahren zur Leistungsmessung eines Lasers, insbe­ sondere unter Verwendung einer Ulbrichtkugel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß aus dem zu messenden Laserstrahl, z. B. durch einen teildurchlässigen Spiegel, ein Meßstrahl abgelenkt wird, welcher auf die Lichteintrittsöffnung der Ulbrichtkugel gelenkt wird.