EP2110355A1 - Vorrichtung zum optischen Erfassen der seitlichen Lage von Merkmalen auf laufenden Materialbahnen und Verfahren beim Betrieb dieser Vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zum optischen Erfassen der seitlichen Lage von Merkmalen auf laufenden Materialbahnen und Verfahren beim Betrieb dieser Vorrichtung Download PDF

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EP2110355A1
EP2110355A1 EP08007671A EP08007671A EP2110355A1 EP 2110355 A1 EP2110355 A1 EP 2110355A1 EP 08007671 A EP08007671 A EP 08007671A EP 08007671 A EP08007671 A EP 08007671A EP 2110355 A1 EP2110355 A1 EP 2110355A1
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EP
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light
der
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lighting
light source
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EP08007671A
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Inventor
Frank Trilling
Peter Kespohl
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Fife Tidland GmbH
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Fife Tidland GmbH
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65H—HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL, e.g. SHEETS, WEBS, CABLES
    • B65H23/00—Registering, tensioning, smoothing or guiding webs
    • B65H23/02—Registering, tensioning, smoothing or guiding webs transversely
    • B65H23/0204—Sensing transverse register of web
    • B65H23/0216—Sensing transverse register of web with an element utilising photoelectric effect

Definitions

  • the invention relates to a device for the optical detection of features on moving webs of material and a method in the operation of this device.
  • Devices of this type are used in industry to control the lateral position of moving webs of material so that the detected feature of the web is maintained at a desired lateral position, even when interfering influences on the web. Control circuits that perform this task are known and often described. An early form is in the patent US 3 431 425 (1969 ).
  • control circuits In order to meet the increasing demands of the processing industry, these control circuits have been developed over time.
  • the optical sensor for detecting the control feature was the goal of continuous development in order to use difficult to detect features for lateral material web control.
  • Features in the sense considered here can be given in the case of printed material webs through parts of a printed image, but also color differences in the material web itself or partial coatings of the web surface should often be used as a feature to regulate the position of the web.
  • This type of optical sensor usually includes one or more light sources, one or more photosensitive receiving elements, light beam forming elements such as lenses, apertures and mirrors and electronic elements for processing the output signals of the photosensitive receiving elements. If necessary, keys and display elements for the operation of the sensor can still be present.
  • photosensitive receiving elements integrated CMOS or CCD circuits are nowadays used, in which a plurality of these receiving elements are combined on a semiconductor crystal and which are preferably arranged in rows for the object under consideration here. Together with the imaging optical elements of such a sensor, this results in a line-shaped scanning region on the surface of the material web which is preferably arranged orthogonal to the direction of movement of the material web.
  • the features to be recorded can, as already in U.S. 3,431,425 specified, linear features or recurring patterns such as bar codes, which are often printed on packaging material. Other, clearly recognizable patterns can also be used as a control feature with the methods of image processing available today.
  • the edge of the web itself can give a corresponding contrast to the surface of a supporting roll and then be used as a feature for position control.
  • Gloss differences of the kind considered can also arise, for example, at the border between glossy coating and uncoated, non-glossy material surface. The same can also be caused by partial mechanical surface treatment or other forms of surface treatment. It is also possible that the edge of a glossy, transparent material surface should be used for position regulation, in contrast to a not less shiny back-up roller or against another background.
  • a recurring task is to use color characteristics of the material web for position control at one and the same point in a system for a production process and gloss features for another production process.
  • the invention is based on the object of providing an optical combination sensor which can be switched over in order to scan color features, even if they lie under a transparent glossy coating, and on the other hand can be used to reliably detect features which are in the form of gloss differences the surface of a material web are present, even if they are applied to light substrates or printed material webs.
  • the second illumination device to be used for detecting gloss features is formed by a point source as light as possible and an optical condenser.
  • point light source is a single-color LED in question, since on the one hand, the light-emitting surface of such a light-emitting diode is very small and thus the punctiform light source is approximated in a very good manner and on the other hand, because in the light reflection on shiny surfaces, the light color (wavelength) plays a subordinate role.
  • Another possibility is the use of a diaphragm with a correspondingly small light exit opening.
  • the maximum diameter of the light emitting diode or a diaphragm depends on the minimum required resolution on the receiver side and the parameters of the light guide.
  • a specific requirement for the resolution results from a size of the photosensitive receiving elements of 12.5 ⁇ m and for a length of the detection range (extension perpendicular to the running direction of the material). of 30 mm and a required resolution of about 125 lines a maximum diameter of the light source of 1 mm.
  • the optical geometry namely the distance between the punctiform light source and the condenser (to be considered as a preferred example of the focusing optics)
  • the focal length of the condenser lens (s) and the sum of the distances between the condenser and the detection area and between the detection area and the lens Imaging system is selected according to claim 1, then it is ensured that all reflected in the detection range of the material web rays also reach the receiving elements.
  • Fig. 1 only by way of example and not to scale shown in three views section of a material web to be scanned consists of running in the direction of the arrow material web 1, on which are shown as obliquely hatched squares pattern 3 printed. Other areas are provided with a transparent glossy coating 5, said shaded areas in the running direction partially overlap with the patterns 3. Furthermore, marked with 7 of the detection area on the web, which is evaluated cyclically repeated by the optical sensor. Depending on the web speed, the various combinations of print image and gloss coating run through the detection area.
  • Fig. 2 shows schematically the components of a device according to the invention.
  • an optical imaging system which consists of an objective 14 and receiving elements 16, wherein the objective 14 images the image of the material web in the detection region 7 onto the receiving elements 16.
  • the imaging system is inclined to the normal to the web 1; his ray of sight closes with this one angle ⁇ .
  • first illumination device 20 which lies on the same side as the imaging system and whose light beams impinge at a smaller angle ⁇ . Insofar as specular reflection takes place in the detection area, the rays reflected at the same angle ⁇ go far past the objective 10 of the optical imaging system.
  • This first illumination device 20 is used primarily for scanning color features. Only rays of diffuse reflection accordingly 3 c can reach the lens 14.
  • the illumination device 20 is composed of a plurality of light elements, which have different light colors and can be switched on and off individually.
  • light emitting diodes which emit light of different wavelengths are used for this purpose.
  • light-emitting diodes with the colors red, green and blue are used.
  • different colored LEDs are added as needed, for example, light emitting diodes in the infrared range or in the UV range light.
  • a second illumination device consists of a point light source 10 and a focusing optics 12 and is relative to the normal to the web 1 on the other side at the angle ⁇ , so that their rays are directed at the lens 14 in specular reflection.

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

Die Vorrichtung zum optischen Erfassen der seitlichen Lage von Merkmalen auf der Oberfläche laufender Materialbahnen hat ein optisches Abbildungssystem aus einem Objektiv (14) und zeilenförmig angeordneten lichtempfindlichen Empfangselementen (16) und zwei Beleuchtungseinrichtungen zur Beleuchtung des Erfassungsbereichs, deren erste (20) so angeordnet ist, daß von ihr ausgehende Lichtstrahlen wählbarer Farbe nicht unter Spiegelreflexion zum Abbildungssystem gelangen, während die zweite aus einer punktförmigen Lichtquelle (10) und einer fokussierenden Optik (12;13) besteht, die so angeordnet und eingerichtet sind, daß die von ihr ausgehenden Strahlen nach Spiegelreflexion am Erfassungsbereich im Objektiv (14) des Abbildungssystems konvergieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Erfassung von Merkmalen auf laufenden Materialbahnen und ein Verfahren beim Betrieb dieser Vorrichtung.
  • Vorrichtungen dieser Art werden in der Industrie eingesetzt um die seitliche Position laufender Materialbahnen so zu steuern, dass das erfaßte Merkmal der Materialbahn an einer gewünschten lateralen Position gehalten wird, auch wenn störende Einflüsse auf die Materialbahn einwirken. Regelkreise die diese Aufgabe erfüllen sind an sich bekannt und oft beschrieben worden. Eine frühe Form ist in der Patentschrift US 3 431 425 (1969 ) beschrieben.
  • Um den steigenden Anforderungen der verarbeitenden Industrie gerecht zu werden wurden diese Regelkreise im Laufe der Zeit immer weiter entwickelt. Insbesondere auch der optische Sensor zur Erfassung des Steuermerkmals war Ziel ständiger Fortentwicklung, um auch schwierig zu erfassende Merkmale zur lateralen Materialbahnregelung benutzen zu können. Merkmale in dem hier betrachteten Sinn können im Fall von bedruckten Materialbahnen durch Teile eines Druckbildes gegeben sein, aber auch farbliche Unterschiede in der Materialbahn selbst oder partielle Beschichtungen der Materialbahnoberfläche sollen oft als Merkmal benutzt werden um die Position der Materialbahn zu regeln.
  • Diese Art der optischen Sensoren enthält üblicher Weise eine oder mehrere Lichtquellen, ein oder mehrere lichtempfindliche Empfangselemente, Lichtstrahl formende Elemente wie zum Beispiel Linsen, Blenden und Spiegel und elektronische Elemente zur Verarbeitung der Ausgangssignale der lichtempfindlichen Empfangselemente. Bei Bedarf können noch Tasten und Anzeigeelemente für die Bedienung des Sensors vorhanden sein. Als lichtempfindliche Empfangselemente werden heutzutage integrierte CMOS oder CCD Schaltkreise eingesetzt, bei denen eine Vielzahl dieser Empfangselemente auf einem Halbleiterkristall vereint sind und die für die hier betrachtete Aufgabe vorzugsweise zeilenförmig angeordnet sind. Zusammen mit den abbildenden optischen Elementen eines solchen Sensors ergibt sich dadurch ein zeilenförmiger Abtastbereich auf der Oberfläche der Materialbahn welcher vorzugsweise orthogonal zu Bewegungsrichtung der Materialbahn angeordnet wird.
  • Die zu erfassenden Merkmale können zum einen, wie schon in US 3 431 425 angegeben, linienförmige Merkmale sein oder wiederkehrende Muster wie zum Beispiel Strichcodes, die oft auf Verpackungsmaterial aufgedruckt werden. Auch andere, eindeutig wiedererkennbare Muster sind mit den heute zur Verfügung stehenden Methoden der Bildverarbeitung als Steuermerkmal nutzbar. Ebenso kann die Kante der Materialbahn selbst gegenüber der Oberfläche einer stützenden Walze einen entsprechenden Kontrast ergeben und dann als Merkmal zur Positionsregelung verwendet werden.
  • Weiterhin werden Geräte nachgefragt, die auf Merkmale reagieren die dadurch entstehen, daß Oberflächenpartien sich in ihrem Glanz von Ihrer Nachbarschaft unterscheiden. Beispielsweise wird auf Arzneimittelpackungen, deren glänzende Beschichtung ein Beschreiben mit Bleistift, Kugelschreiber oder Filzstift nicht einwandfrei zuläßt, ein kleines Feld von der Beschichtung ausgenommen, um die handschriftliche Eintragung von z. B. Dosierungsvorschriften zu ermöglichen. Diese matten Felder unterscheiden sich weder farblich noch helligkeitsmäßig von der Umgebung, sondern nur durch ihr Reflexionsverhalten.
  • Glanzunterschiede der betrachteten Art können auch zum Beispiel an der Grenze zwischen glänzender Beschichtung und unbeschichteter, nicht glänzender Materialoberfläche entstehen. Gleiches kann aber auch durch partielle mechanische Oberflächenbearbeitung oder andere Formen der Oberflächenbearbeitung entstanden sein. Ebenso kommt es vor, dass die Kante einer glänzenden, transparenten Materialoberfläche, in Kontrast zu einer nicht ober weniger glänzenden Stützwalze oder gegenüber einem anderen Hintergrund, zur Positionsregelung verwendet werden soll. Eine immer wieder gestellte Aufgabe ist es, an ein und der selben Stelle in einer Anlage für einen Produktionsvorgang farbliche Merkmale der Materialbahn zur Positionsregelung zu verwenden und für einen anderen Produktionsvorgang Glanzmerkmale.
  • Schon in DE 36 37 874 A1 (1988 ) wurde eine Vorrichtung beschrieben, die es erlaubt die Kante einer glänzenden, transparenten Materialoberfläche gegenüber einem weniger glänzenden Hintergrund abzutasten. In DE 100 22 597 (2001 ) ist ein kompletter Sensor für beide Aufgaben beschrieben, nämlich erstens die Abtastung von Glanzmerkmalen und zweitens die Abtastung von Farbmerkmalen, wobei hier für die beiden Aufgaben gewidmete Beleuchtungsquellen für den Abtastbereich vorgesehen sind, die alternativ und kumulativ eingeschaltet werden.
  • Auch in US 6,566,670 (2003 ) ist ein derartiges Kombinationsgerät beschrieben. Bei allen drei genannten Geräten wird zur Beleuchtung der glänzenden Oberfläche eine flächige diffuse Lichtquelle verwendet, die im wesentlichen aus einer Mattscheibe besteht, welche von hinten angeleuchtet wird.
  • Es hat sich nun gezeigt, daß Vorrichtungen der oben genannten Art insbesondere dann keinen guten Kontrast zwischen glänzender und nicht glänzender Oberfläche ergeben, wenn die nicht glänzende Oberfläche von heller Farbe ist. Dieser Effekt wird von der diffusen Lichtquelle verursacht. Bei einer diffusen Lichtquelle gehen von jedem Teil ihrer Oberfläche Lichtstrahlen in alle Raumrichtungen aus. Nur ein kleiner Teil dieser Lichtstrahlen hat beim Auftreffen auf die glänzende Oberfläche den richtigen Winkel, um unter der Spiegelbedingung Einfallswinkel = Ausfallswinkel zu den Empfangselementen zu gelangen. Der wesentlich größere Teil der Strahlung der diffusen Lichtquelle erreicht nach der Reflexion an der glänzenden Oberfläche die Empfangselemente nicht. Wenn sich aber kein glänzender sondern der nicht glänzende Bereich der Oberfläche im Sichtbereich des Sensors befindet, dann sorgen alle Lichtstrahlen der diffusen Lichtquelle die diesen Sichtbereich treffen für ein Aufhellen der Materialbahn. Somit erklärt sich der geringe Kontrastunterschied in dem angesprochen Fall.
  • Ähnliche Probleme bestehen bei bedruckten Materialbahnen die noch zusätzlich mit einer transparenten Schicht partiell beschichtet sind. Das unter der transparenten Schicht liegende Druckbild reflektiert alle Lichtstrahlen der diffusen Lichtquelle entsprechend der verwendeten Druckfarbe, während die transparente Schicht wieder nur die Lichtstrahlen, die die Spiegelbedingung erfüllen, zu den Empfangselementen reflektiert. Eine sichere Erkennung der Grenze zwischen beschichteten und nicht beschichteten Oberflächenpartien wird jetzt dadurch gestört, daß Teile des Druckbildes durch die transparente Beschichtung hindurchscheinen und diese nicht ausreichend durch die Reflexion des Lichtes an der transparenten Beschichtung überdeckt werden.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde einen optischen Kombinationssensor zu schaffen, der umschaltbar ist um zum einen farbliche Merkmale abzutasten, auch wenn diese unter einer transparenten glänzenden Beschichtung liegen, und zum andern dazu benutzt werden kann, Merkmale sicher zu erfassen, die als Glanzunterschiede auf der Oberfläche einer Materialbahn vorhanden sind, auch dann wenn diese auf hellen Untergründen oder bedruckten Materialbahnen aufgebracht sind.
  • Die Lösung der gestellten Aufgabe ist in den Patentansprüchen angegeben.
  • Die zur Erfassung von Glanzmerkmalen zu verwendende zweite Beleuchtungseinrichtung wird von einer möglichst punktförmigen Lichtquelle und einem optischen Kondensor gebildet. Als punktförmige Lichtquelle kommt eine einfarbige Leuchtdiode in Frage, da zum einen die Licht abstrahlende Fläche einer derartigen Leuchtdiode sehr klein ist und somit die punktförmige Lichtquelle in sehr guter Weise angenähert wird und zum andern, weil bei der Lichtreflexion an glänzenden Oberflächen die Lichtfarbe (Wellenlänge) eine eher untergeordnete Rolle spielt. Eine andere Möglichkeit ist die Benutzung einer Blende mit entsprechend kleiner Lichtaustrittsöffnung.
  • Der maximale Durchmesser der Leuchtdiode bzw. einer Blende hängt ab von der empfängerseitig mindestens geforderten Auflösung und den Parametern der Lichtführung. In einer bezüglich Anzahl und Anordnung der Linsen, Blendengröße und anderer relevanter Parameter konkreten Ausführung ergibt sich bei einer bestimmten Forderung an die Auflösung aus einer Größe der lichtempfindlichen Empfangselemente von 12,5 µm und für eine Länge des Erfassungsbereichs (Erstrekkung rechtwinklig zur Laufrichtung des Materials) von 30 mm und einer hierfür geforderten Auflösung von ca. 125 Linien ein maximaler Durchmesser der Lichtquelle von 1 mm.
  • Wenn nun die optische Geometrie, nämlich der Abstand zwischen der punktförmigen Lichtquelle und dem (als bevorzugtes Beispiel für die fokussierende Optik zu betrachtenden) Kondensor, die Brennweite der Kondensorlinse(n) und die Summe der Abstände zwischen Kondensor und Erfassungsbereich sowie zwischen Erfassungsbereich und Objektiv des Abbildungssystems gemäß Anspruch 1 gewählt wird, dann ist sichergestellt, daß alle im Erfassungsbereich von der Materialbahn reflektierten Strahlen auch zu den Empfangselementen gelangen.
  • Nachfolgend wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der beigegebenen Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt:
    • Fig. 1 schematisch in der Draufsicht, einer Seitenansicht und einer Querschnittsansicht einen Abschnitt einer partiell mit farblichen Merkmalen bedruckten und partiell glänzend beschichteten laufenden Materialbahn;
    • Fig. 2 schematisch die Anordnung der Baugruppen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
    • Fig. 3a den Strahlengang eines auf eine vollständig spiegelnde Oberfläche auftreffenden Lichtstrahls;
    • Fig. 3b den Fall von Fig. 3a bei glänzender Oberfläche;
    • Fig. 3c den Fall von Fig. 3a bei matter, d. h. diffus reflektierender Oberfläche;
    • Fig. 4a schematisch die zur Erfassung glänzender Elemente bestimmten Teile der Vorrichtung, wobei die optisch äquivalente entfaltete Darstellung des Strahlengangs gestrichelt gezeichnet ist;
    • Fig. 4b die um 90° gedrehte Darstellung von Fig. 4a, in der die Materialbahn in die Zeichenebene hineinläuft;
    • Fig. 5 die Situation gemäß Stand der Technik;
    • Fig. 6 die Strahlengänge bei einer Unterbringung der Lichtquellen in einem gemeinsamen Gehäuse und Verwendung eines konkaven Spiegelstreifens als fokussierende Optik;
    • Fig. 7 schematisch eine Vorrichtung mit allen wesentlichen Baugruppen;
    • Fig. 8 schematisch den signaltechnischen Aufbau der Vorrichtung.
  • Der in Fig. 1 nur beispielhaft und nicht maßstäblich in drei Ansichten gezeigte Ausschnitt aus einer abzutastenden Materialbahn besteht aus der in Pfeilrichtung laufenden Materialbahn 1, auf der als schrägschraffierte Quadrate dargestellte Muster 3 aufgedruckt sind. Andere Bereiche sind mit einer transparenten glänzenden Beschichtung 5 versehen, wobei diese in Laufrichtung schraffierten Bereiche sich teilweise überdecken mit den Mustern 3. Weiterhin ist mit 7 der Erfassungsbereich auf der Materialbahn markiert, welcher von dem optischen Sensor zyklisch wiederholend ausgewertet wird. Entsprechend der Bahngeschwindigkeit laufen die verschiedenen Kombinationen von Druckbild und Glanzbeschichtung durch den Erfassungsbereich.
  • Fig. 2 zeigt schematisch die Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Oberhalb der in einer der Pfeilrichtungen laufenden Materialbahn 1 ist ein optisches Abbildungssystem angeordnet, welches aus einem Objektiv 14 und Empfangselementen 16 besteht, wobei das Objektiv 14 das Bild der Materialbahn im Erfassungsbereich 7 auf die Empfangselemente 16 abbildet. Das Abbildungssystem ist gegenüber der Normalen auf die Materialbahn 1 geneigt; sein Sehstrahl schließt mit dieser einen Winkel α ein.
  • Zur Beleuchtung der in Pfeilrichtung laufenden Materialbahn 1 im Erfassungsbereich gibt es eine erste Beleuchtungseinrichtung 20, die auf der gleichen Seite wie das Abbildungssystem liegt und deren Lichtstrahlen unter einem kleineren Winkel β auftreffen. Soweit im Erfassungsbereich spiegelnde Reflexion stattfindet, gehen die unter dem gleichen Winkel β reflektierten Strahlen weit am Objektiv 10 des optischen Abbildungssystems vorbei.
  • Diese erste Beleuchtungseinrichtung 20 dient vorwiegend zur Abtastung farblicher Merkmale. Nur Strahlen diffuser Reflexion entsprechend Fig.3c können das Objektiv 14 erreichen. Für die Detektion von Farbmerkmalen ist die Beleuchtungseinrichtung 20 aus mehreren Leuchtelementen zusammengesetzt, welche unterschiedliche Lichtfarben aufweisen und individuell ein- und ausgeschaltet werden können. Vorzugsweise werden hierfür Leuchtdioden, welche Licht unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, verwendet. Für Sensoren, die Farbmerkmale ähnlich dem menschlichen Farbempfinden unterscheiden sollen, werden Leuchtdioden mit den Farben rot, grün und blau verwendet. Für Sensoren, die technische Farbmerkmale in anderen Wellenbereichen auswerten sollen, werden je nach Bedarf auch andersfarbige Leuchtdioden hinzugefügt, beispielsweise auch Leuchtdioden die im Infrarotbereich oder im UV-Bereich Licht abstrahlen.
  • Eine zweite Beleuchtungseinrichtung besteht aus einer punktförmigen Lichtquelle 10 und einer fokussierenden Optik 12 und liegt bezüglich der Normalen auf die Materialbahn 1 auf der anderen Seite unter dem Winkel α, sodaß ihre Strahlen bei spiegelnder Reflexion auf das Objektiv 14 gerichtet sind.
  • Die optischen Eigenschaften dieser zweiten Beleuchtungseinrichtung sollen bestimmten Bedingungen genügen, zu deren Erläuterung die nachfolgenden Betrachtungen dienen:
    • Fig.3a zeigt das Verhalten eines Lichtstrahls, wenn dieser von einer Lichtquelle 10 auf eine vollständig spiegelnde Materialbahn 1 fällt. Er wird reflektiert und kann nur in einer Richtung α von einem Empfangselement registriert werden. An der Position 10' ist das Spiegelbild der Lichtquelle zu beobachten. Fig.3b zeigt das Verhalten des Lichtstrahls auf glänzenden Materialbahnen und Fig.3c das Verhalten des Lichtstrahls auf ausschließlich diffus reflektierenden Oberflächen.
    • Fig.4a ergänzt die Darstellung Fig.3a um die Elemente des optischen Abbildungssystems und der zweiten Beleuchtungseinrichtung. Die Spiegelbilder der näherungsweise punktförmigen Lichtquelle 10 und der Kondensorlinse 12 sind mit 10' und 12' bezeichnet. Der Strahlengang der Lichtquelle und der abbildenden Optik ist jeweils so zur Materialbahn angeordnet, dass die Spiegelbedingungen eingehalten sind, das heißt, daß sie gleiche Winkel (α) zur Materialbahn aufweisen.
    • Fig.4b zeigt die Elemente der Darstellung in Fig.4a in einer um 90° gedrehten Ansicht, wobei die realen Elemente 10 und 12 zur Vermeidung von Überdeckungen weggelassen sind und nur deren Spiegelbilder 10' und 12' gezeichnet sind. Zusätzlich sind strichpunktiert die Ebenen der optischen Wirkung eingezeichnet, die die Kondensorlinse 12' und das Objektiv 14 als ideal dünne Linsen hätten. Ebenso sind die Gegenstandsweite g und die Bildweite b der Kondensorlinse 12' eingezeichnet. Diese erfüllen die Bedingung, daß das ausgangsseitige Strahlenbündel der Kondensorlinse 12' und somit ein vom Erfassungsbereich 7 spiegelnd reflektiertes Strahlenbündel der realen Kondensorlinse 12 im Objektiv 14 konvergiert.
    • Bei Verwendung eines Normalobjektivs muß der Abstand zwischen Abbildungssystem 14/16 und Materialbahn konstant gehalten werden oder es müssen Toleranzen bezüglich der Erkennungsgenauigkeit zugelassen werden. Diese Einschränkungen können entfallen, wenn ein allerdings teureres Spezialobjektiv, insbesondere ein telezentrisches Objektiv Verwendung findet und die fokussierende Optik in gleicher Weise wie oben beschrieben an dessen Strahlengang angepaßt wird, wobei die Vorteile einer solchen Ausbildung insbesondere dann zum Tragen kommen, wenn im Betrieb der Vorrichtung die Charakteristika der zyklisch abgetasteten Bilder des Erfassungsbereichs verglichen werden mit einem abgespeicherten Muster oder einer erlernten Vorlage und es dabei um Abstände von einem Farbübergang zu einem anderen geht.
    • Fig. 5 zeigt ergänzend in der Spiegeldarstellung, wie bei den bekannten Erfassungsvorrichtungen gemäß Stand der Technik an der Stelle der fokussierenden Optik 12' eine Mattscheibe 18' angeordnet ist, von der Lichtstrahlen in alle Raumrichtungen ausgehen, sodaß jeder Punkt der Materialbahn 1 im Auswertebereich des Sensors aus einem ganzen Winkelbereich beleuchtet wird.
    • Wenn also nach dem vorliegenden Vorschlag nur solche Lichtstrahlen auf den ausgewerteten Bereich der Materialbahn fallen, die nach den Spiegelgesetzen die Empfangselemente erreichen und keine weiteren Lichtstahlen, die diese Forderung nicht erfüllen, dann stellt sich ein deutlicher Amplitudenunterschied zwischen nicht glänzenden und glänzenden Oberflächenteilen ein. Wenn dagegen, wie beim Stand der Technik, noch weitere Lichtstrahlen unter anderen Winkeln hinzukämen, dann würden im wesentlichen die nicht glänzenden Bereiche der Materialbahn aufgehellt und der Amplitudenunterschied zwischen nicht glänzenden und glänzenden Oberflächenteilen verringerte sich oder verschwände völlig.
    • Die Anordnung nach Fig.6 erfüllt denselben Zweck wie die Anordnung nach Fig.2. In dieser ist der aus einer Linse bestehende Kondensor ersetzt worden durch einen konkaven Spiegelstreifen 13, der die Lichtstrahlen der punktförmigen Lichtquelle 10 ebenso fokussiert und gleichzeitig so ablenkt, daß sie unter Einhaltung der Spiegelbedingung unter dem Winkel des Sehstrahls der abbildenden Optik 14 auftreffen. Bei dieser Anordnung kann die punktförmige Lichtquelle 10 der zweiten Beleuchtungseinrichtung und die erste Beleuchtungseinrichtung 20 zu einer Einheit zusammengefaßt werden, sodaß die elektrische Energiezufuhr und die Wärmeableitung einfacher und wirksamer zentral erfolgen kann.
    • Fig.7 zeigt schließlich schematisch eine Gesamtanordnung mit einem Gehäuse 24 und einer in der Gehäusewand vorgesehenen transparenten Scheibe 22. Diese schützt den Sensor vor Staub und anderen schädlichen Umgebungseinflüssen.
    • Diese Scheibe ist nun so anzuordnen, daß keine Lichtreflexion von ihrer inneren Oberfläche in das Objektiv 14 gelangen kann. Vorzugsweise ist diese Scheibe rechtwinklig zu dem Strahlengang des Objektivs angeordnet. Die Materialbahn wird vorzugsweise in der Nähe oder auf einer Stützwalze 40 abgetastet um eine stabile Geometrie der Anordnung zu gewährleisten. Ein Anschluß für den elektrischen Signalaustausch zu den weiteren Komponenten einer Bahnlaufregelung ist mit 28 bezeichnet. Dieser Signalaustausch soll vorzugsweise als digitale Schnittstelle ausgeführt sein um auch komplexe Informationen übertragen zu können. Bei geringeren Anforderungen kann aber auch ein analoger Signalaustausch verwendet werden. Auf diese Weise steht die sensor-interne Signalverarbeitungseinheit 30 mit den weiteren Komponenten der Bahnlaufregelung in Verbindung. Weiterhin ist noch ein Bedienfeld 26 vorgesehen.
    • Fig.8 zeigt den signaltechnischen Zusammenhang der einzelnen Komponenten des Sensors. Das Bedienfeld 26 steht mit der Signalverarbeitungseinheit 30 in Verbindung. Dieses Bedienfeld kann mit mechanischen Tasten oder einer Folientastatur gestaltet sein und Leuchtdioden und/oder ein LCD-Display für die Benutzerführung enthalten. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Benutzer über dieses Bedienfeld auswählt, ob Farbmerkmale oder ob Glanzmerkmale vom Sensor ausgewertet werden sollen. Eine zusätzliche Betriebsart soll es aber auch erlauben, diese Auswahl über den elektrischen Signalaustausch 28 von außen vorzunehmen. So wird die Signalverarbeitungseinheit 30 in die Lage versetzt die richtige Lichtquelle 10 oder 20 auszuwählen. Weiterhin stehen die lichtempfindlichen Empfangselemente 16 mit der Signalverarbeitungseinheit 30 in Verbindung, damit es dieser möglich ist, die Merkmalsposition zu ermitteln und im Falle von Farbmerkmalen diejenige Lichtfarbe der ersten Beleuchtungseinrichtung 20 automatisch zu wählen, welche für das erfaßte Merkmal die höchsten Signalamplituden an den Empfangselementen 16 erzeugt.

Claims (9)

  1. Vorrichtung zum optischen Erfassen der seitlichen Lage von Merkmalen auf laufenden Materialbahnen
    - mit einem optischen Abbildungssystem aus einem Objektiv (14) und zeilenförmig angeordneten lichtempfindlichen Empfangselementen (16), wobei das Objektiv (14) einen quer zur Laufrichtung orientierten streifenförmigen Erfassungsbereich (7) auf der Materialbahn (1) auf die lichtempfindlichen Empfangselemente (16) abbildet
    - und mit zwei Beleuchtungseinrichtungen zur Beleuchtung des Erfassungsbereichs (7),
    - deren erste (20) so angeordnet ist, daß die von ihr ausgehenden Lichtstrahlen nicht unter Spiegelreflexion zum Abbildungssystem gelangen,
    dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Beleuchtungseinrichtung aus einer punktförmigen Lichtquelle (10) und einer fokussierenden Optik (12; 13) besteht, die so angeordnet und eingerichtet sind, daß die von ihr ausgehenden Strahlen (11)
    nach Spiegelreflexion am Erfassungbereich (7) im Objektiv (14) des Abbildungssystems konvergieren,
    - wobei die Einschaltung der Beleuchtungseinrichtungen in Abhängigkeit davon geschieht, welche Art von Merkmalen zu erfassen ist
    - und zur Erfassung von gleichfarbigen, sich nur durch ihr Reflexionsverhalten unterscheidenden Bereichen nur die zweite Beleuchtungseinrichtung (10/12) eingeschaltet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildweite (b) der fokussierenden Optik (12, 13) gleich dem Abstand zwischen dieser und dem Erfassungsbereich (7) plus dem Abstand zwischen Erfassungsbereich (7) und Objektiv (14) ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
    fokussierende Optik eine Kondensorlinse (12) ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die fokussierende Optik ein konkaver Spiegelstreifen (13) ist.
  5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer einfarbigen Leuchtdiode als punktförmige Lichtquelle (10).
  6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die punktförmige Lichtquelle von der Lichtaustrittsöffnung einer Blende gebildet ist.
  7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Beleuchtungseinrichtung (20) aus einer Mehrzahl von verschiedenfarbigen, einzeln einschaltbaren Leuchtelementen besteht.
  8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtelemente der ersten Beleuchtungseinrichtung (20) und die Lichtquelle (10) der zweiten Beleuchtungseinrichtung zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind und die Anordnung des fokussierenden Spiegelstreifens (13) der Spiegelbedingung genügt.
  9. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung farbiger Merkmale auch die erste Beleuchtungseinrichtung (20) eingeschaltet wird und deren Leuchtelemente nach einem Programm nacheinander eingeschaltet werden und die Beleuchtung gewählt wird, bei der sich der größte Signalhub an den Empfangselementen (16) ergibt.
EP08007671A 2008-04-19 2008-04-19 Vorrichtung zum optischen Erfassen der seitlichen Lage von Merkmalen auf laufenden Materialbahnen und Verfahren beim Betrieb dieser Vorrichtung Withdrawn EP2110355A1 (de)

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