DE4036745A1 - Optische abtastvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Abtastvorrichtung, die zur Inspektion runder oder zylindrischer Objekte auf Risse, Kerben oder Unrundheit geeignet ist.

Zur Inspektion der Innenoberflächen von Glasflaschen auf Schmutz ist es aus der GB 11 82 413 bekannt, einen Strahl von ultraviolettem Licht zu verwenden, das schraubenförmig über die Innenoberfläche getastet wird, wobei in dem Glas durch Fluoreszenz erzeugtes Licht entlang dem optischen Weg zurückkehrt, gefolgt von der Reflexion der auftreffenden Strahlung durch einen dichroischen Spiegel auf einen Sensor. Der Abtastmechanismus enthält ein Hohlrohr, entlang welchem die Strahlung verläuft, wobei am einen Ende eine Spiegelbauteilgruppe angeordnet ist. Die Differenz der Frequenz zwischen der auftreffenden Strahlung und der Fluoreszenz ist ein wesentliches Merkmal der Technik, so daß die Technik nur anwendbar ist, wenn entweder das Glas oder der Schmutz fluoresziert.

Erfindungsgemäß wird eine optische Abtastvorrichtung zur Inspektion eines Objektes geschaffen, um irgendwelche Oberflächendefekte oder Abweichungen von der Rundheit zu ermitteln, wobei die Vorrichtung sich zusammensetzt aus einer optischen Bauteilgruppe, aus Mitteln zum Drehen der optischen Bauteilgruppe, aus Mitteln zum Vorsehen eines Lichtstrahles, der so angeordnet ist, daß im Betrieb der Lichtstrahl sich durch die optische Bauteilgruppe fortsetzt, um auf ein Objekt zu treffen, sowie aus Mitteln zum Abtasten des vom Objekt reflektierten Lichtes, wobei die optische Bauteilgruppe sich zusammensetzt aus mindestens einer zylindrischen Linse, aus zwei Prismen mit kleinem Keilwinkel, die so angeordnet sind, daß sie den Lichtstrahl durch Brechung ablenken, wobei eines der Prismen relativ zum anderen Prisma drehbar ist, um den Ablenkwinkel einzustellen, sowie aus zwei keilförmigen Ausgleichstücken, um die Asymmetrie in der Verteilung der Masse der Prismen auszugleichen, wobei jedes Ausgleichstück eine Öffnung für den Lichtstrahl bildet.

Der Lichtsensor ist im allgemeinen so angeordnet, daß er Licht, das durch das Objekt diffus reflektiert worden ist, eher abtastet als ordentlich reflektiertes Licht.

Die Kombination von Linsen, Keilen und Ausgleichstücken, die die optische Bauteilgruppe bilden, ermöglicht es, die Form des Abtastflecks einzustellen, und ermöglicht es auch, den Winkel, um welchen der Lichtstrahl abgelenkt wird, einzuregeln, während sichergestellt wird, daß die Rotation der Bauteilgruppe keinerlei Vibrationen oder Schwingkräfte auf die Dreheinrichtung erzeugt. Dies ist ein wichtiger Punkt, wenn die Rotationsrate hoch liegt, z. B. bei 80 Hz oder 70 Hz.

Die Erfindung wird nunmehr beispielsweise anhand der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer optischen Abtastvorrichtung und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die optische Bauteilgruppe der Vorrichtung nach Fig. 1.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist eine optische Abtastvorrichtung 10 einen rechteckigen Basisabschnitt 12 auf, der elektrische und elektronische Komponenten (nicht dargestellt) enthält, sowie einen oberen rechteckigen Abschnitt 14 in einem Metallgehäuse 18, das die optischen Komponenten enthält. Der obere Abschnitt 14 steht über den Basisabschnitt 12 hinaus am einen Ende vor, und eine runde Öffnung 18 ist in dem Gehäuse 18 dieses Teils gebildet, durch welche ein Abtast-Lichtstrahl 20 austritt.

Der Lichtstrahl 20 wird durch einen 5 mW-Helium/Neon- Laser 22 erzeugt und durch zwei einstellbare ebene Spiegel 24 so reflektiert, daß er axial entlang der Hohlwelle 25 eines Gleichstrom-Servomotors 28 mit gedrucktem Anker verläuft. Am anderen Ende der Welle 25 ist eine optische Bauteilgruppe 28 (weiter unten im einzelnen beschrieben) befestigt, die den Lichtstrahl 20 ablenkt bzw. spreizt, so daß bei Drehung der Welle 25 der austretende Strahl 20 konisch abtastet. Ein kleiner elliptischer Spiegel 30 reflektiert den Strahl 20 nach außen durch die Öffnung 18 hindurch; der Spiegel 30 ist eine aluminierte und harte beschichtete Fläche auf einem ebenen Glasplättchen 32.

Licht aus dem Strahl 20, das nach Reflexion von einem Objekt, das gerade abgetastet wird, rückgestreut wird, kann durch die Öffnung 18 und die nicht­ reflektierenden Teile des Glasplättchens 32 gelangen, um auf einen ebenen elliptischen Spiegel 34 aufzutreffen. Dieser reflektiert das Licht durch eine konvergierende Linse 38 hindurch auf einen Fotoelektronen-Vervielfacher 38. Wenn der Lichtstrahl 20 um ein Objekt herumtastet, dann repräsentieren die Veränderungen in den durch den Fotoelektronen-Vervielfacher 38 erzeugten elektrischen Signalen die Veränderungen im Rückstrahlvermögen oder in der Oberflächenstruktur des Objektes. Der Lichtstrahl 20 beschreibt einen kreisförmigen Weg auf jedem flachen Objekt, das senkrecht zur Achse des Kegels angeordnet ist, und ist auf diese Weise besonders geeignet zum Ermitteln von Oberflächendefekten in runden Objekten, wie beispielsweise elektrischen Zellen, O-Ringen oder Blechdosen.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist die optische Bauteilgruppe 28 in einem zylindrischen rohrförmigen Gehäuse 40 eingeschlossen, das am einen Ende offen ist und mit einer am einen Ende offenen rohrförmigen und mit Innengewinde versehenen Muffe 42 am anderen Ende in Verbindung steht, mit welcher die Bauteilgruppe 28 an der Hohlwelle 25 befestigt wird. Innerhalb des Gehäuses 40 befinden sich vier kurze zylindrische optische Einbaustücke 44, die je mit einer zylindrischen Wand versehen sind, wobei die eine Endwand eine axiale Öffnung für den Lichtstrahl 20 bildet; die Einbaustücke 44 sind dicht aneinandergereiht. In die beiden Einbaustücke 44 sind Linsen 50, 52 mit zylindrisch gekrümmten optischen Oberflächen eingeklebt; die eine Linse 50 ist eine konvergierende Linse mit geringer Energie (Fokallänge etwa +300 mm) und die andere Linse 52 eine divergierende Linse mit höherer Energie (Fokallänge etwa -80 mm), und die Linsen 50 und 52 sind so angeordnet, daß die Achsen der zylindrisch gekrümmten optischen Oberflächen im rechten Winkel zueinander liegen. In den anderen beiden Einbaustücken 44 befinden sich Glasprismen 54 und Aluminium-Ausgleichstücke 55 (die Form der Prismen 54 ist schematisch dargestellt, wobei der Keilwinkel der Klarheit wegen übertrieben dargestellt ist). Jedes Einbaustück 44 ist in einer besonderen Orientierung durch ein Paar von Schrauben 58 gehalten, die in sich diametral gegenüberliegende entsprechende Gewindelöcher im Einbaustück 44 eingreifen, wobei sich die Schrauben 58 durch Schlitze 58 im Gehäuse 40 erstrecken (nur ein Paar der Schrauben 58 ist dargestellt); jeder Schlitz 58 erstreckt sich um ein Viertel des Umfangs des Gehäuses, so daß die Orientierung jedes Einbaustücks 44 über einen Bereich von 80° eingestellt werden kann.

Jedes Ausgleichstück 55 - und natürlich auch jedes Prisma 54 - ist von runder Gestalt, und zwar entlang der Drehachse des Einbaustücks 44 gesehen, und hat den gleichen Außendurchmesser wie das Prisma 54. Die benachbarten Flächen des Prismas 54 und des Ausgleichstücks 55 sind im gleichen Keilwinkel geneigt, so daß sie im zusammengebauten Zustand ein geradzylindrisches Objekt bilden. Ein rundes Loch 80 ist durch die Mitte jedes Ausgleichstücks 55 vorgesehen, und zwar sowohl für den Durchgang des Lichtstrahls 20 als auch für die Gewährleistung, daß die Bauteilgruppe dynamisch ausgewuchtet ist; dies wird dadurch erzielt, daß der Durchmesser des Loches 80 gleich dem Außendurchmesser des Ausgleichstückes 55, multipliziert mit der vierten Wurzel des folgenden Bruches ist: Differenz zwischen den Dichten von Glas und Aluminium, geteilt durch die Dichte des Aluminiums. Die sich daraus ergebende optische Bauteilgruppe 28 hat sich als ausreichend gut ausgewuchtet erwiesen, um eine vernachlässigbar geringe Vibration zu erzeugen, selbst wenn sie mit 70 Hz rotiert.

Es versteht sich, daß der Winkel, um welchen der Lichtstrahl 20 durch die optische Bauteilgruppe 28 abgelenkt wird, und so auch der Radius der runden Abtastung leicht durch Drehen des Einbaustücks 44, welches das eine Prisma 54 enthält, relativ zu demjenigen, das das andere Prisma enthält, eingestellt werden können. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel kann der Ablenkwinkel zwischen 0 und 10° eingesetllt werden. Die Einbaustücke 44, die die Linsen 50 und 52 enthalten, werden vorzugsweise so eingestellt, daß der Strahl 20 in der Ebene der ankommenden und der abgelenkten Lichtstrahlen 20 divergiert, während er in der Ebene im rechten Winkel konvergiert. Dies stellt sicher, daß der Abtastfleck in der Form elliptisch ist, wobei dessen lange Achse jederzeit auf die Mitte der Abtastung gerichtet ist.

Die Abtastvorrichtung 10 kann in einer Produktionsstraße eingesetzt werden, um defekte Objekte zu ermitteln. Die Objekte würden zur Vorrichtung 12 nacheinander ausgerichtet und dieser dargeboten, für mindestens eine Umdrehung des Strahles 20 abgetastet und dann weiterbewegt. Defekte können dadurch ermittelt werden, daß die Änderungen in dem durch den Fotoelektronen-Vervielfacher 38 erzeugten Signal überwacht werden und daß jegliche Signaländerungen, die einen Grenzwert überschreiten, bemerkt werden. Bewegen sich die Objekte, dann kann ein zusätzlicher Schaltkreis verwendet werden, um festzustellen, wann das Objekt zum Abtasten zentriert ist, wobei dies durch Integrieren der Signalintensität während einer kompletten Umdrehung geschieht. Werden leicht getönte Objekte gegen einen dunklen Hintergrund betrachtet, dann nimmt das integrierte Signal bis zu einem Maximum zu, wenn das Objekt zentriert ist. Dies kann beispielsweise durch eine Grenzwertschaltung ermittelt und zum Triggern eines vorübergehenden Rekorders verwendet werden, um die Signale während der nächsten Umdrehung für Analysezwecke aufzuzeichnen.

Claims (5)

1. Optische Abtastvorrichtung zur Inspektion eines Objektes, um irgendwelche Oberflächendefekte oder Abweichungen von der Rundheit zu ermitteln, wobei die Vorrichtung sich zusammensetzt aus einer optischen Bauteilgruppe, aus Mitteln zum Drehen der optischen Bauteilgruppe, aus Mitteln, die einen Lichtstrahl vorsehen, der so angeordnet ist, daß im Betrieb der Lichtstrahl durch die optische Bauteilgruppe hindurch gelangt, um auf das Objekt aufzutreffen, sowie aus Mitteln zum Abtasten des vom Objekt reflektierten Lichtes, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Bauteilgruppe (28) mindestens eine zylindrische Linse (50), zwei Prismen (54) mit kleinem Teilwinkel, die so angeordnet sind, daß sie den Lichtstrahl durch Brechung ablenken, wobei eines der Prismen relativ zum anderen Prisma drehbar ist, um den Ablenkungswinkel einzustellen, sowie zwei keilförmige Ausgleichstücke (55) aufweist, um die Asymmetrie in der Verteilung der Masse der Prismen (54) auszugleichen, wobei jedes Ausgleichstück eine Öffnung (80) für den Lichtstrahl bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Prismen (54) den gleichen Winkel haben und so ausgebildet sind daß der Ablenkwinkel zwischen Null und etwa zehn Grad einstellbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel jedes keilförmigen Ausgleichstücks (55) gleich dem Winkel des entsprechenden Prismas (54) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ausgleichstück (55) den gleichen Außendurchmesser wie das entsprechende Prisma (54) aufweist, und daß die Öffnung (80) rund ist, koaxial zur Drehachse der Bauteilgruppe (28) angeordnet ist und einen Durchmesser hat, der gleich dem Außendurchmesser des Ausgleichstücks multipliziert mit der vierten Wurzel der Gleichung: ist, wobei D die Dichte des Materials des Prismas (54) und d die Dichte des Materials des Ausgleichstückes (55) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Prisma (54) unmittelbar dem entsprechenden Ausgleichstück (55) benachbart ist, wobei die aneinander grenzenden Flächen des Prismas und des Ausgleichstücks im gleichen Keilwinkel zur Drehachse der Bauteilgruppe (58) geneigt sind, und daß die Außenflächen des Prismas und des Ausgleichstücks senkrecht zur Drehachse liegen.