JP2009258111A - 進行する材料ウェブ上の目印の横方向位置の光学的検出装置および上記装置の操作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 進行する材料ウェブ上の目印の横方向位置の光学的検出装置および上記装置の運転における方法を提供する。
【解決手段】
進行する材料ウェブの表面上の目印の横方向位置を光学的に検出するための装置が対物レンズ（１４）と行状に配列された感光性受光素子（１６）とからなる光学結像系と、上記検出領域（７）を照明するための２つの照明装置とを有し、上記第１の照明装置（２０）が、この照明装置から出る選択可能の色の光線が鏡面反射下に結像系へ到達しないように配列されており、他方、第２の照明装置が点状の光源（１０）および合焦光学系（１２；１３）からなり、上記光学系から出る光線が鏡面反射後に結像系の対物レンズ（１４）内の検出領域（７）で収束するように上記光学系が配置かつ調節されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、進行する材料ウェブ上の目印の光学的検出装置および上記装置の操作方法に関する。

上記形式の装置は、材料ウェブに妨害的影響が作用する場合でも、所望の横方向の位置に検出された材料ウェブの目印が保持されるように、進行する材料ウェブの横方向位置を制御するため工業界で使用されている。この課題を満たす制御回路は自体公知であり、かつしばしば説明されてきた。以前の形態は特許文献１（１９６９）に記載されている。

上記制御回路は、増大する加工産業の要求に応じるため、時代の流れの中でさらに引き続き開発されてきた。特に、制御目印を検出する光学センサも、検出が困難な目印を横方向の材料ウェブ制御に利用できるようにするための絶えざる継続開発の目的であった。ここで考察した意味における目印は、印刷された材料ウェブの場合は印刷像の部分によって付与することができ、しかしまた材料ウェブ自体内の色の違いまたは材料ウェブ表面の局部的コーティングがしばしば材料ウェブの位置を制御するための目印として利用されている。

上記形式の光学センサは、通常１つ以上の光源、１つ以上の感光性受光素子、たとえばレンズ、シャッターおよびミラーのような光線形成素子および感光性受光素子の出力信号を処理する電子素子を含む。さらに、必要に応じてセンサを操作するためのキーおよび表示要素を設けてもよい。感光性受光素子として今日、多数の上記受光素子を１つの半導体結晶上にまとめ、ここで考察した課題のために好ましくは行状に配列された集積ＣＭＯＳまたはＣＣＤ切換回路が使用される。それによって好ましくは、このようなセンサの結像光学素子と共に材料ウェブの移動方向に対して直角に配置される材料ウェブの表面上の行状の走査領域が生じる。

検出される目印は、一方ですでに特許文献１に記載されているように、線状の目印または、たとえばしばしば包装材料に印刷されるバーコードのような繰返しパターンにすることができる。またその他の一義的に再検出可能のパターンも今日提供されている像処理方法と共に制御目印として利用することができる。同様に、材料ウェブ自体の端部は、支持ローラの表面に対して相応のコントラストを付与し、かつそれにより位置制御の目印として使用することができる。

さらに、表面部分がその光沢によりその隣接物から区別されることによって生じる目印に応答する装置が求められている。例えば、医薬品包装上では、その光沢のあるコーティングが上記コーティングの小領域を除き、たとえば服用規則の手書きの書き込みを可能にするために、申し分なく鉛筆、ボールペンまたはフェルトペンによる書き込みができない。この半光沢の領域は、色によっても輝度によっても周囲から区別されず、その反射特性によってのみ区別される。

上記形式の輝度差は、たとえば光沢のあるコーティングと、コーティングされていない光沢のない材料表面との間の境界でも生じ得る。しかしまた、同様のことは局部的な機械表面処理またはその他の表面処理の形態によっても生じ得る。同様に、光沢のある透明の材料表面の端部が光沢のないまたは光沢の少ない支持ローラまたはその他の背景に対するコントラストで位置制御に使用されることもある。再三設定されている課題の１つは、一方の生産工程に対して１つの設備内の同一の箇所で位置制御のために材料ウェブの色目印を使用し、かつ他方の生産工程に対しては光沢目印を使用することである。

すでに特許文献２（１９８８）に、光沢のある透明の材料表面の端部を光沢の少ない背景に対して走査することを可能にする装置が記載されている。特許文献３（２００１）に、上記両方の課題に対して、すなわち第１に光沢目印の走査と、第２に色目印の走査に対する一式のセンサが記載されており、ここで両課題に対して提供される択一的および累積的にスイッチが入れられる走査領域用の照明源が設けられている。

また特許文献４（２００３）にもこの種の組合せ装置が記載されている。上記３つの装置すべてにおいて、光沢のある表面の照明のために後方から照明される本質的に１つの反光沢円板からなる平坦な散乱光源が使用される。

ここで上記形式の装置は、明色の光沢のない表面である場合には、特に光沢のある表面と光沢のない表面との間に好適なコントラストを生じないことが判明した。この効果は散乱光源によって生じている。散乱光源の場合、その表面の各部分から光線が全空間方向へ出る。この光線の小部分のみが光沢のある表面に衝突する際に、鏡面条件下に受光素子に対して入射角＝出射角に達するための正確な角度を有する。本質的に散乱光源の放射の大部分は光沢表面での反射後に受光素子に到達しない。しかし、表面の光沢のある領域ではなく、光沢のない領域がセンサの視野領域にない場合、上記視野領域に衝突する散乱光源の全光線が材料ウェブの明るさに寄与する。従って、少ないコントラスト差は上記の事例で説明される。

類似の問題は、さらに付加的に透明の層で局部的にコーティングされている印刷された材料ウェブにもある。透明の層の下にある印刷像は、使用する印刷カラーに応じて散乱光源の全光線を反射し、他方、透明の層は再び鏡面条件を満たす光線のみを受光素子へ反射する。コーティングされた表面部分とコーティングされていない表面部分との間の境界の確実な検出は、そこで印刷像の部分が透明のコーティングを通して透過され、かつ上記部分が十分に透明のコーティングで光の反射によってカバーされないことによって妨害されている。

米国特許第３４３１４２５号（１９６９） ドイツ連邦共和国特許出願公開第３６３７８７４号明細書（１９８８） ドイツ連邦共和国特許第１００２２５９７号（２００１） 米国特許第６，５６６，６７０号（２００３）

ここで本発明の基礎におく課題は、一方で色目印が透明の光沢のあるコーティングの下にある場合でもこの目印を走査するために切換可能であり、かつ他方では、上記目印が明るい下地または印刷された材料ウェブ上に塗布されている場合でも光沢差として材料ウェブの表面上にある目印を確実に検出することに利用できる光学的組合せセンサを作ることである。

この設定された課題の解決策は特許請求の範囲に記載されている。

光沢目印の検出に使用される第２の照明装置は、可能な限り点状の光源と光学コンデンサとによって形成される。点状の光源として、一方で光を放出するこの種の発光ダイオードの面積が非常に小さく、それによって点状の光源を非常に良好な方法で近似でき、かつ他方では光沢のある表面での光反射により光の色（波長）がむしろ二次的な役割を果たしているので、単色の発光ダイオードが対象となる。もう１つの可能性は相応の小さい光出射開口部を備えるシャッターの利用である。

発光ダイオードもしくはシャッターの最大直径は、受光器側で少なくとも要求される解像度と光ガイドのパラメータとに依存する。レンズ数および配列、シャッターサイズおよびその他の重要なパラメータに関する具体的な態様において、解像度に対する所定の条件により１２．５μｍの感光性受光素子のサイズと、３０ｍｍの検出領域の長さ（材料の進行方向に対して直角に延伸）と、それに対して要求される約１２５ラインの解像度に対して１ｍｍの光源の最大直径が生じる。

ここで光学的形状、すなわち点状の光源（合焦光学系の好ましい例と見なせる）とコンデンサとの間の距離、コンデンサレンズ（群）の焦点距離およびコンデンサと検出領域との間ならびに検出領域と請求項１記載の結像系の対物レンズとの間の距離の合計が選択されるとき、検出領域で材料ウェブから反射した全光線が受光素子にも到達することが保証されている。

局部的に色の目印で印刷され、かつ局部的に光沢のあるコーティングされた進行する材料ウェブの区間の模式的平面図、側面図および横断面図である。 本発明に係る装置の構造群の模式的配列である。 完全に光反射表面上に衝突する光線の光路である。 光沢のある表面による図３ａの事例である。 反光沢、すなわち散乱反射表面による図３ａの事例である。 光沢のある要素の検出用に指定された装置部分において光学的に等価な光路の展開図が点線で描かれている装置の模式図である。 材料ウェブが図平面内に流れ込む図４ａの９０°回転した図である。 先行技術による状態である。 共通のハウジング内の光源の収容時の光路および合焦光学系としての凹面鏡帯状体の使用である。 本質的な全構造群を有する装置の模式図である。 装置の信号技術的構造の模式図である。

以下、本発明は添付した図面を利用して実施例の説明によってさらに説明する。

図１に例としてのみ示しかつ実寸どおりではない３つの図に示した走査される材料ウェブの部分は斜線で描いた正方形として図示したパターン３が印刷されている矢印方向に進行する材料ウェブ１からなる。他方の領域は、透明の光沢のあるコーティング５を備えており、この進行方向に斜線を入れた領域は局部的にパターン３で覆われる。さらに７で、検出領域が光センサから周期的に繰り返して評価される材料ウェブ上にマークされている。ウェブ速度に応じて検出領域を通る印刷像と光沢コーティングの異なる組合せが進行する。

図２は、模式的に本発明に係る装置の構成要素を示す。矢印方向に進行する材料ウェブ１の上方に、１つの対物レンズ１４と受光素子１６とからなる光学結像系が配置されており、上記対物レンズ１４は材料ウェブの像を検出領域７で受光素子１６上に結像する。上記結像系は、材料ウェブ１上の法線に対して傾斜している。その可視光線は上記法線と角度αをなす。

検出領域内で矢印方向へ進行する材料ウェブ１を照明するために、結像系と同じ側にあり、かつその光線がより小さい角度βで衝突する第１の照明装置２０がある。検出領域内で鏡面反射が生じる場合、同じ角度βで反射した光線は光学結像系の対物レンズ１０で離れて通過する。

この第１の照明装置２０は、主として色目印の走査に利用される。図３ｃにより散乱反射の光線のみが対物レンズ１４に到達することができる。色目印の検出のために第１の照明装置２０は、異なる光色を有し、かつ個別的にスイッチを入および切にできる複数の発光素子から構成されている。好ましくはそれに対して異なる波長の光を放出する発光ダイオードが使用される。色目印を人間の色感覚と類似に区別するセンサに対しては赤、緑および青の色を有する発光ダイオードが使用される。別の波長領域の技術的色目印を評価するセンサに対しては、それぞれの必要に応じて別の色の発光ダイオード、たとえば赤外領域または紫外領域の光を放射する発光ダイオードも付加される。

第２の照明装置は、１つの点状の光源１０と、１つの合焦光学系１２とからなり、かつ材料ウェブ１への法線を基準に他方の側で角度α以下にあり、その結果、その光線が鏡面反射時に上記対物レンズ１４へ向けられている。

この第２の照明装置の光学的性質は、その説明に以下の考察を利用する特別の条件を満たすものである。

図３ａは、光線が光源１０から完全に鏡面反射する材料ウェブ１へ入射する場合の光線の挙動を示す。この光線が反射され、かつ１方向αへのみ受光素子によって記録することができる。位置１０’に光源の鏡像が観察される。図３ｂは、光沢のある材料ウェブ上での光線の挙動を示し、図３ｃは専ら散乱反射表面での光線の挙動を示す。

図４ａは、光学結像系および第２の照明装置の要素だけ図３ａの図示を補完する。近似的に点状の光源１０およびコンデンサレンズ１２の鏡像は１０’および１２’で表されている。光源および結像光学系の光路は、それぞれ鏡面反射条件が維持されるように、すなわち上記鏡面反射条件が材料ウェブに対して等しい角度（α）を有するように材料ウェブに対して配置されている。

図４ｂは、９０°だけ回転された図による図４ａの図示の要素を示し、実際の要素１０および１２は重複を避けるために省略されており、その鏡像１０’および１２’のみが示されている。さらに、点線でコンデンサレンズ１２’と対物レンズ１４を理想的に薄いレンズとして有する光学作用の平面が描かれている。同様に対物距離ｇとコンデンサレンズ１２’の像距離ｂとが描かれている。これらはコンデンサレンズ１２’の出口側の光束と、それによって検出領域７から鏡面反射する実際のコンデンサレンズ１２の光束が対物レンズ１４内で収束する条件を満たす。

標準対物レンズを使用する場合、結像系１４／１６と材料ウェブとの間の距離は一定に保持しなければならず、または検出精度に対する許容差が許容されなければならない。これらの制限は、いずれにしても高価な特殊対物レンズ、特にテレセントリックレンズが使用され、かつ合焦光学系が上記と同様の方法でその光路に適合される場合は省くことができ、このような構成の長所は特に装置の運転時に周期的に走査される検出領域の像の特性が記憶されたパターンまたは学習した基準値と比較され、かつその際に一方の色移行部から他方への距離が重要になる場合に用いられる。

図５は、補足的に鏡像図示により先行技術による公知の検出装置において合焦光学系１２’の箇所に半光沢円板１８’が配置されているように、光線が全空間方向へ出ることを示しており、その結果、材料ウェブ１の各点はセンサの評価領域で全角度領域から照明される。

つまり、本提案に従って反射の法則により受光素子に到達し、かつ上記条件を満たさない別の光線がないような光線のみが材料ウェブの評価領域へ入射する場合、光沢のない表面部分と光沢のある表面部分との間の明確な振幅差が調節される。それに対して、先行技術の場合のように、さらに別の光線が別の角度以下で入射する場合、本質的に光沢のない材料ウェブの領域が明るく照明され、かつ光沢のない表面部分と光沢のある表面部分との間の振幅差が縮小し、または完全に消滅する。

図６記載の配列は、図２記載の配列と同じ目的を満たす。上記配列において１つのレンズからなるコンデンサが点状の光源１０の光線を同様に合焦し、かつ同時に、上記光線が反射条件を維持して結像光学系１４の可視光線の角度以下で衝突するように偏光する凹面鏡帯状体１３に置換されている。この配列において、第２の照明装置の点状の光源１０および第１の照明装置２０は１つのユニットにまとめることができ、その結果、電気エネルギー供給および排熱をより簡単かつ効率的に中央で行うことができる。

図７は、最後に模式的にハウジング２４と、上記ハウジング壁の中に設けた透明の円板２２とを備える全配列を示す。これは、センサを粉塵とその他の有害な周囲の影響から保護する。

上記円板は、ここで光反射がその内部表面から対物レンズ１４へ到達できないように配置されている。上記円板は、好ましくは対物レンズの光路と直角に配置されている。材料ウェブは、好ましくは上記配列の安定した形状を保証するために、支持ローラ４０の近傍または上記支持ローラ上で走査される。ウェブ進行制御の他の構成要素との電気信号交換の接続は２８で表されている。この信号交換は、好ましくは複雑な情報も伝送できるようにするため、デジタルインタフェースとして構成される。しかしまた、要件がより少ない場合、アナログの信号交換も使用することができる。この方法により、センサ内部の信号処理ユニット３０はウェブ進行制御の他の構成要素と接続される。さらに、もう１つの操作領域２６が設けられている。

図８は、センサの個々の構成要素の信号技術的関係を示す。操作領域２６は、信号処理ユニット３０に接続されている。この操作領域は、機械式キーまたはフィルムキーで形成し、かつ利用者ガイドのために発光ダイオードおよび／またはＬＣＤディスプレイを含むことができる。特に、利用者が上記操作領域を介して色目印または光沢目印がセンサによって評価されるかどうかを選択することが考慮されている。しかしまた、付加的な操作方式は、上記選択を外部からの電気信号交換２８を介して行うことも可能にし得る。つまり、信号処理ユニット３０は、適正な光源１０または２０を選択する状態へ移行される。さらに、感光性受光素子１６は信号処理ユニット３０に接続されており、それによって目印位置を検出し、かつそれに色目印の場合で検出された目印に対して受光素子１６で最大の信号振幅を発生する第１の照明装置２０の光の色を自動的に選択することを可能にする。

Claims (9)

1. 進行する材料ウェブの横方向位置を検出する光学装置であって、
   当該光学装置は光学結像系を有し、
   該光学結像系は：
   対物レンズ；
   前記対物レンズを介して前記進行する材料ウェブ上の検出領域の像を受ける感光性受光素子；
   光源を有する第1照射装置であって、前記光源は、前記第1照射装置によって放出される光ビームが鏡面反射によって前記光学結像系に到達しないように備えられている、第1照射装置；並びに、
   点光源及び集束素子を有する第2照射装置であって、前記点光源及び集束素子は、前記第2照射装置によって放出される光ビームが、前記対物レンズ内の前記検出領域での鏡面反射後に収束するように備えられている、第2照射装置；
   を有し、
   前記第1照射装置及び前記第2照射装置は、前記進行する材料ウェブ上の前記検出領域での特性に依存して起動し、かつ
   前記の検出領域での特性が、光沢は異なるが色は異ならない2つの成分を有するときにのみ、前記第2照射装置は起動する、
   
   光学装置。
2. 合焦光学系の焦点距離が前記合焦光学系と検出領域との間の距離に前記検出領域と対物レンズとの間の距離を足したものに等しいことを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 合焦光学系がコンデンサレンズであることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
4. 合焦光学系が凹面鏡帯状体であることを特徴とする、請求項１または２記載の装置。
5. 点光源としての単色の発光ダイオードの使用を特徴とする、上記請求項のいずれか１項または複数項に記載の装置。
6. 点光源がシャッターの光出射開口部から形成されていることを特徴とする、上記請求項１から４のいずれか１項または複数項に記載の装置。
7. 第１の照明装置が複数の異なる色の、個別的にスイッチを投入できる発光素子から構成されていることを特徴とする、上記請求項のいずれか１項または複数に記載の装置。
8. 第１の照明装置の発光素子および第２の照明装置の光源が１つの構造ユニットにまとめられ、かつ合焦鏡帯状体の配列が鏡面条件を満たすことを特徴とする、上記請求項のいずれか１項または複数項に記載の装置。
9. 色の目印を検出するために第１の照明装置もスイッチが入れられ、前記照明装置の発光素子が１つのプログラムに従って順々にスイッチを入れられ、かつ最大の信号偏差が受光素子に生じる照明が選択されることを特徴とする、請求項５記載の装置の運転方法。

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