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Vorrichtung
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zur Vereinigung von von einem linearen Abtastfeld ausgehendem Licht
auf einem Empfänger Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vereinigung von
von einem linearen Abtastfeld ausgehendem Licht auf einem relativ kleinen Empfänger
über eine den Abtastlichtfleck erzeugende optische Anordnung mit einer von einem
Lichtbündel beaufschlagten Lichtablenkvorrichtung, einem sich in Abtastrichtung
erstreckenden Hohlspiegel und einer sich parallel zum Abtastfeld in dessen Nähe
erstreckenden Zylinderlinse, wobei Sende- und Empfangsstrahlen
bündel
durch Pupillenteilung getrennt sind.
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Derartige Vorrichtungen arbeiten im allgemeinen mit einem Laser als
Lichtquelle, weil dieser ein für die Erzeugung eines feinen Abtastlichtfleckes besonders
vorteilhaftes schmales Parallelbündel aussendet. Ublicherweise wird der Laserstrahl
über zwei gekreuzte Zylinderlinsen und ein Objektiv auf ein die Lichtablenkvorrichtung
bildendes Spiegelrad geschickt. Die Zylinderlinsen haben dabei den Zweck, den Laserstrahl
so aufzufächern , daß er die einzelnen Flächen des Spiegelrades voll ausleuchtet.
Das Spiegelrad arbeitet voftellbaft weise mit 12 bis 20, vorzugsweise 16 Spiegelflächen,
die gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Grundsätzlich ist auch die Verwendung
eines Schwingspiegels als Lichtablenkvorrichtung möglich.
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Von dem Spieg,lrad wird das Lichtbündel über einen streifenförmigen
Planspiegel auf einen ebenfalls streifenförmigen Hohlspiegel umgelenkt, dessen Brennpunkt
bzw. Brennlinie sich in etwa auf der reflektierenden Oberfläche des Spiegelrades
befindet. Der Hohlspiegel richtet das auf ihn fallende Sendestrahlenbündel auf eine
parallel dazu angeordnete Zylinderlinse, die sich im wesentlichen im Abstand ihrer
Brennweite von einer Fläche befindet, auf der ein linear abtastender Lichtfleck
erzeugt werden soll. Bei der Fläche handelt es sich im allgemeinen um eine auf Fehlstellen
zu überwachende Bahn, wie eine Metall- oder Papierbahnoberfläche. Die Bahn bewegt
sich dabei zweckmäßig senkrecht zur geradlinigen Abtastrichtung, so daß bei geeigneter
Wahl des Verhältnisses von Bahn- zu Abtastgeschwindigkeit eine kontinuierliche Zeilenabtastung
der Bahn gewährleistet ist.
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Obwohl das von dem auf der Bahn erzeugten Lichtfleck ausgehende Empfangs-Lichtbündel
von einer gesonderten Empfangsvorrichtung empfangen und ausgewertet werden kann,
ist es bevorzugt, das Empfangslichtbündel zumindest teilweise auf dem gleichen Weg
wie das Sendestrahl-Bündel zu einer vorzugsweise photoelektrisch arbeitenden Empfangsanordnung
zurückzuleiten.
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Das von dem photoelektrischen Empfänger abgegebene elektrische Signal
ist dann ein Maß für den Zustand der abgetasteten Oberfläche. Beispielsweise zeigt
eine Änderung des elektrischen Signals Kratzer oder sonstige Fehlstellen in einer
Metalloberfläche an oder Fehlstellen, wie dunkle Flecke oder Löcher bei einer Papierbahn.
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Sofern die optischen Elemente des Sendestrahlenganges gleichzeitig
für die Weiterleitung des Empfangsstrahlenbündels ausgenutzt werden, spricht man
von einem Auto-Kollimationsstrahlengang. Dabei ist es für eine gute Trennung von
Empfangs- und Sendestrahlenbündel zweckmäßig, von der sogenannten Pupillenteilung
Gebrauch zu machen, was bedeutet, daß ein Teil, z.B.
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ein Drittel zumindest einiger optischer Elemente für die Weiterleitung
des Sendestrahlenbündels, der Rest, z.B. zwei Drittel, für die Weiterleitung des
Empfangsstrahlenbündels genutzt wird.
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Ein wesentliches Problem bei Auto-Kollimationsstrahlengängen besteht
nun darin, daß einerseits ein ausreichend großer und die erforderlichen Abmessungen
aufweisender Lichtfleck auf der Bahn erzeugt wird, die Empfangsstrahlen sicher auf
andererseits die Lichtablenkvorrichtung zurückgeworfen werden und /eine sichere
räumliche Trennung zwischen Sende- und Empfangs-Strahlenbündel im Bereich des Photoempfängers
vorliegt. Dabei ist auf einen einfachen und vor allen Dingen kompakten Aufbau der
Vorrichtung ebenso zu achten wie auf weitgehende Vermeidung
einer
Anfälligkeit für Erschütterungen oder Verstellungen nach längeren Zeiträumen. Insbesondere
muß dafür gesorgt werden, daß im Empfangsstrahlengang nicht zuviel Empfangslicht
verloren geht, damit am photoelektrischen Empfänger noch eine deutlich über dem
Grundrauschen liegende Lichtmenge für die Auswertung zur Verfügung steht.
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Normalerweise wird der Strahl des als Lichtquelle verwendeten Lasers
durch eine gekreuzte Zylinderlinsenanordnung und ein Objektiv so aufgefächert, daß
er die Lichtablenkvorrichtung insbesondere das Spiegelrad voll ausleuchtet. Die
Zylinderlinse zieht dann das Lichtbündel zu einem schmalen scharfen Lichtfleck zusammen,
welcher in Abtastrichtung eine geringfügig längliche Form hat. Insbesondere senkrecht
zur Abtastrichtung erfolgt jedoch eine Verkleinerung des Licht fleckes beispielsweise
im Verhältnis 1:10, was in vielen Fällen unerwünscht ist.
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Die Erfindung kann somit das Ziel, eine Vorrichtung der eingangs genannten
Gattung zu schaffen, bei der die erwähnte Verkleinerung des Licht fleckes senkrecht
zur Abtastrichtung nicht vorliegt und somit ein Lichtfleck erzielt wird, der senkrecht
zur Abtastrichtung, d.h. in Bewegungsrichtung der zu überwachenden Materialbahn
eine längliche, nicht zu kleine Form aufweist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß die gekrümmte
Oberfläche der Zylinderlinse im Bereich des Eintritts des Sendestrahlenbündels plan
geschliffen ist. Der plane Teil der Oberfläche weist dabei zweckmäßigerweise eine
Neigung gleich der mittleren Steigung der ursprünglichen Krümmung der Zylinderlinse
in diesem Bereich auf.
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Erfindungsgemäß wird also im Sendeteil auf die Wirkung der Zylinderlinse
als verkleinerndes optisches Element verzichtet.
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Beibehalten wird jedoch bewußt die ablenkende Wirkung der Zylinderlinse
, so daß zwar an der gewünschten Stelle im Abtastfeld ein in Bewegungsrichtung der
Bahn wesentlich grösserer langlicher Lichtfleck erzielt wird, welcher sich jedoch
im Bereich der Brennlinie der Zylinderlinse befindet.
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Aus diesem Grunde tritt aus dem Empfangsteil der Zylinderlinse ein
paralleles Lichtbündel aus, welches zum Sendestrahlenbündel parallel verläuft.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform nimmt der keilförmige Teil
der Zylinderlinse etwa 1/5 bis l/3, vorzugsweise 1/4, der Gesamtbreite der Zylinderlinse
ein. Dies hat den Vorteil, daß ein wesentlich größerer Flächenbereich der Zylinderlinse
für den Empfangsstrahlengang zur Verfügung steht. Dadurch ist der Tatsache Rechnung
getragen, daß das Sendestrahlenbündel scharf gebündelt ist, während das von der
Materialbahn zurückgeworfene Licht im allgemeinen eine starke Streuung aufweist,
Während bei Nichteinschaltung irgendwelcher Linsen in den Sendestrahlengang auf
Grund der Wirkung des Hohlspiegels im Abtastfeld ein punktförmiger Lichtfleck erzeugt
wird, kann nach einer weiter A Ausführungsform ein sich in Bewegungsrichtung der
Materialbahn erstreckender Lichtstrich dadurch erzielt werden, daß zwischen der
durch einen Laser gebildeten Lichtquelle und der Lichtablenkvorrichtung ein das
Sendestrahlenbündel um einen solchen Betrag auffächerndes Streuelement angeordnet
ist, daß der Abtastlichtfleck eine sich senkrecht zur Abtastrichtung erstreckende,
längliche Form annimmt.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigt Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 2 eine teilweise geschnittene
Ansicht nach Linie II-II in Fig. 1, wobei die beiden an der Spiegelanordnung 14
abgeknickten Strahlengänge der einfachen Darstellung halber gestreckt wiedergegeben
sind und die Spiegelanordnung 14 nur durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist.
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Nach der Zeichnung gelangt der von einem Laser 11 ausgesandte schmale
und nur eine geringe Divergenz aufweisende Lichtstrahl über eine Zerstreuungs-Zylinderlinse
29 zu einem Spiegelrad 13.
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Die Zerstreuungslinse 24, die übrigens auch durch eine Sammel-Zylinderlinse
ersetzt werden könnte, erteilt dem Laserstrahl eine relativ geringfügige Divergenz,
wie sie aus Fig. 1 ersichtlich ist.
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Das Sendestrahlenbündel 17 fällt z.B. auf die eine Hälfte eines in
der dargestellten Weise leicht gekippten Spiegelrades 13, wobei der Durchstoßpunkt
der optischen Achse des Sendestrahlenbündels 17 bei 28 angedeutet ist.
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Von dem leicht gekippten Spiegelrad 13 wird das Sendestrahlenbündel
zu einem Planspiegel 14a reflektiert, welcher als Streifen ausgebildet ist, dessen
Längsachse sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckt. Gemäß Fig. 2 muß die Länge
des Spiegels 14a so groß sein, daß er alle innerhalb des Abtastbereiches vom Spiegelrad
13 reflektierten Lichtbündel voll erfassen kann.
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Von dem wiederum etwas gekippten Planspiegel 1 4a wird das Sendestrahlenbündel
17 zu einem ersten ebenfalls senkrecht zur Zeichenebene streifenförmigen Hohlspiegel
23a reflektiert, dessen Brennpunkt bzw. Brennlinie sich im wesentlichen auf der
reflektierenden Oberfläche des Spiegelrades 13 befindet.
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Bevorzugt liegt die reflektierende Oberfläche des Spiegelrades 13
jedoch etwas innerhalb der Brennweite des Hohlspiegels 23a, derart, daß die vom
Hohlspiegel 23a reflektierten Bündel eine geringe Divergenz aufweisen, wie das in
Fig. 2 in der linken Hälfte angedeutet ist.
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Unmittelbar vor der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung auf Fehlstellen
zu überwachenden Bahn M, welche sich in Richtung des Pfeiles P kontinuierlich bewegt,
befindet sich eine Zylinderlinse 15, deren Achse parallel zu der mit A bezeichneten
Abtastrichtung verläuft und welche im wesentlichen einen ihrer Brennweite entsprechenden
Abstand von der Oberfläche der Materialbahn M hat.
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Erfindungsgemäß fällt das Empfangsstrahlenbündel 17 nur auf einen
Teilbereich 15 | der Zylinderlinse 15, innerhalb dessen die in Fig. 1 gestrichelt
angedeutete Krümmung der Zylinderlinse 15 abgeschliffen ist, derart, daß eine in
ausgezogenen Linien dargestellte plane Oberfläche in diesem Bereich entsteht. Das
Sendestrahlenbündel 17 fällt also auf einen optischen Keil 15', dessen Keilwinkel
mit Z bezeichnet ist. Der Keilwinkel entspricht der mittleren Steigung des weggeschliffenen
gekrümmten Teils der Zylinderlinse 15.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahme wird das Sendestrahlenbündel
17 lediglich in der dargestellten Weise zum Abtastfeld F hin abgeknickt, ohne daß
eine Zusammenziehung des Strahlenbündels 17 erfolgt, wie es der Fall wäre, wenn
die Zylinderlinse 15 im Bereich des Keiles 15' nicht abgeschliffen sein würde. Es
wird also in der erwünschten
Weise ein nicht zu kleiner Lichtfleck
16 im Abtastfeld F erzielt. Bei Verwendung einer vollständigen Zylinderlinse auch
im Bereich 15' würde eine Verkleinerung des Lichtfleckes bis zu einem Faktor 10
zu verzeichnen sein, welche erfindungsgemäß vermieden wird.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Wahl des Keilwinkels Q erscheint jedoch
der Lichtfleck 16 im Bereich der Brennlinie der Zylinderlinse 15, so daß das vom
Lichtfleck 16 in die Zylinderlinse 15 zurückgestreute Licht zu einem in der Ansicht
nach Fig. 1 im wesentlichen parallelen Empfangsstrahlenbündel vereinigt wird.
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Das Empfangsstrahlenbündel fällt auf einen weiteren Hohlspiegel 23b,
welcher gegenüber dem Sendehohlspiegel 23a um ein Stück d in Richtung der Zylinderlinse
15 versetzt ist. Der Empfangshohlspiegel 23b ist außerdem in der dargestellten Weise
breiter als der Sendehohlspiegel 23a ausgebildet, um soviel Licht wie möglich zu
erfassen. Im übrigen sind die beiden Hohlspiegel 23a, 23b, was ihre Erstreckung
senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 1 und ihre Brennweite anbetrifft gleich ausgebildet.
Bei der Versetzung d ist darauf zu achten, daß in der dargestellten Weise parallel
auf die beiden Spiegel 23a, 23b auffallende Lichtbündel auch wieder parallel zueinander
reflektiert werden.
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Nach der Reflexion des Empfangsstrahlenbündels 25 am Hohlspiegel 23b
fällt dieses auf einen weiteren Planspiegel 14b, welcher in Fr dargestellten Weise
wesentlich breiter als der Planspiegel 14a ausgebildet und gegenüber dem Planspiegel
14a um eine senkrecht auf der Zeichenebene der Fig. 1 stehende Achse 30 um ein bestimmtes
Stück relativ zu diesem gekippt ist. Es wird somit eine aus den beiden Planspiegeln
14a, 14b bestehende Knickspiegelanordnung 14 geschaffen. Der Knickwinkel ist dabei
so großt daß das am Planspiegel 14b reflektierte Empfangsstrahlenbündel 25
möglichst
vollständig auf die jeweils reflektierende Fläche des Spiegelrades 13 gerichtet
wird. Das Empfangsstrahlenbündel 25 erfährt somit eine Versetzung in Richtung auf
die Durchstoßstelle 28 der optischen Achse des Sendestrahlenbündels 17. Aufgrund
des Knickwinkels zwischen den Planspiegeln 14a, 14b wird das Empfangsstrahlenbündel
25 in der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise am Spiegelrad 13 unter einem vom Einfallswinkel
des Sendestrahlenbündels 17 verschiedenen Winkel reflektiert, so daß nach einer
gewissen Strecke eine vollständige Trennung zwischen Sendestrahlenbündel 17 und
Empfangsstrahlenbündel 25 festzustellen ist. Nach der Trennungsstelle wird im Empfangsstrahlenbündel
25 eine Sammellinse 31 angeordnet, in deren Brennpunkt sich ein z.B. als Photovervielfacher
ausgebildeter photoelektrischer Empfänger 19 befindet, an dessen Ausgang ein elektrisches
Signal erscheint, welches für den Zustand des gerade abgetasteten Punktes im Abtastfeld
F repräsentativ ist.
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Der in Fig. 1 wiedergegebene Sendestrahlengang 17 hat den !.
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teil, daß die von Haus aus schmale Ausbildung des Laserstrahleo unmittelbar
zur Erzeugung des Lichtfleckes 16 ausgenutzt wird.
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Die von der Zylinderlinse 29 hervorgerufene Divergenz ist dabei derart
gewählt, daß der Lichtfleck 16 in Bewegungsrichtung P eine längliche Form hat. Insbesondere
ist der Lichtfleck 16 ein sich in Bewegungsrichtung P erstreckender Strich, was
z.B.
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zur Feststellung von Längskratzern in Blechoberflächen vorteilhaft
ist.
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Die erfindungsgemXiße Anordnung ersetzt die in Fig. 1 gestrichelt
dargestellten Laserstrahl-Aufweitungszylinderlinsen 21, 22 und das von diesen Zylinderlinsen
voll ausgeleuchtete Objektiv 12, welche ein einen wesentlich größeren Teil des Spiegelrades
13 ausleuchtendes Bündel ergeben, das durch die Zylinderlinse 15 wieder zusammengezogen
werden muß.
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Die Zylinderlinse 29 ist so zu dimensionieren, daß der Sendestrahl
17 unter Berücksichtigung der Konvergenzeigenschaften des Hohlspiegels 23a eine
zur Bildung des lnglichen Lichtflecks 16 ausreichende Divergenz erhalt Aus iig.
2 ist die wirkung der Versetzung d der beiden Hohlspiegel 23a, 23b zu ersehen. Diese
Versetzung ist wichtig, um auch von den Randstrahlen 17' noch ein ausreichendes
Rücksignal zu erhalten. In lig. 2 ist im Bereich der einen Geh.:iusewand 18 ein
unmittelbar an der Wand gelegener Randstrahl 17' dargestellt, elcher durch Reflexion
des Sendestrahlenbündels 17 am Sendehohlspiegel 23a in der dargestellten Weise erzeugt
wird.
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Der Randstrahl 17' gelangt durch die Zylinderlinse 15 hindurch auf
die Oberfläche der Naterialbahn M, wo ein Lichtfleck 16' erzeugt wird.
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Es sei nun angenommen, daß die Oberfläche der Iaterialbahn II Reflexionseigenschaften
hat, wie sie durch die Keule 24 schematisch
angedeutet sind. Die
Reflexionsintensität ergibt sich durch vom Lichtfleck 16' aus zu der Keule 24 in
den einzelnen Richtungen gezogene Geraden. Die Länge der Geraden vom Fußpunkt bei
16' bis zum Rand der Keule ist ein Maß für die Reflexionsintensität. Ersichtlich
gehen beispielsweise vom Fleck 16' in der Richtung 25" zurückgeworfene Lichtstrahlen
für die Auswertung verloren, da sie auf die Gehäusewand 18 treffen oder sogar außerhalb
der Gehäusewand 18 verbeilaufen.
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Hingegen gelangt beispielsweise ein weiter nach innen zurückgeworfener
Empfangslichtstrahl 25 zurück zum Sendehohlspiegel 23a. Aufgrund der gegenüber dem
Randstrahl 17' anderen Neigung relativ zur Oberfläche der Bahn M würde dieser zurückgeworfene
Strahl jedoch nicht mehr auf diejenige Fläche 13des Spiegelrades 13 auftreffen,
von der das Sendestrahlenbündel 17 reflektiert wurde. Vielmehr würde der bei 23a
reflektierte Empfangslichtstrahl 25' in der gestrichelt dargestellten Weise sogar
vollständig am Spiegelrad 13 vorbeigehen.
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Versetzt man nun jedoch den Empfangshohlspiegel 23b um das Stück d
in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen Eingangs-und Ausgangsstrahl, so wird
der von der Oberfläche M zurückgestreute Empfangslichtstrahl 25' in der in ausgezogenen
Linien angedeuteten Weise zur Fläche 13a des Spiegelrades 13 gelangen.
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Es steht somit Licht zur Verfügung, welches in der aus Fig. 1 ersichtlichen
Weise zum photoelektrischen Empfänger 19 gelangt.
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Die Versetzung d von Sende- und Empfangshohlspiegel 23a, 23b ist auch
wichtig, wenn iran mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen nahtlos aneinandersetzen
und eine Abtastlücke zwischen zwei aneinandergesetzten Vorrichtungen vermeiden will.
Zu diesem Zweck wird nach der Darstellung in der linken Hälfte der Fig. 2 das Spiegelrad
13 etwas innerhalb der Brennweite
des Sendehohlspiegels 23a angeordnet,
derart, daß insbesondere in den Randbereichen die Randstrahlen 17" eine gewisse
Divergenz aufweisen, die zumindest so groß ist, daß der Abtastbereich geringfügig
breiter als das Gehäuse ist. Im Falle einer vollständig spiegelnden Oberfläche der
Materialbahn M würde das Licht beispielsweise entlang der gestrichelten Linie 25"'
außerhalb der Gehäusewand 20 reflektiert werden. Im Falle einer Oberfläche M mit
einer Streukeule, wie sie rechts bei 24 dargestellt ist, würde jedoch auch Licht
beispielsweise in Richtung der Linie 25 "" in das Innere des Gehäuses 18, 20 zurückgeworfen
werden, wo es auf den Empfangshohlspiegel 23b trifft und von dort auf die Fläche
13b des Spiegelrades 13 gelenkt wird, auf die auch das Sendestrahlenbündel 17 aufgetroffen
ist. Man erkennt also, daß selbst bei Verwendung eines divergierenden Abtaststrahlenganges
aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung stets noch genügend Licht zu der vom Sendelichtstrahl
17 beaufschlagten Spiegelradfläche 13b zurückgelangt. Voraussetzung ist allerdings,
daß die Oberfläche der Materialbahn M nicht absolut spiegelnd ist, sondern einen
gewissen Streubereich aufweist, wie er beispielsweise durch die Streukeule 24 angedeutet
ist. Derartige Streuungen sind jedoch bei Papierbahnen in jedem Fall und auch bei
üblichen Metalloberflächen in Walzwerken allgemein vorhanden.
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Besonders eignet sich die erfindungsgemäße Zeilentastvorrichtung für
die Ermittlung von Löchern in Papierbahnen. In diesem Falle kommt es darauf an,
daß man die Papierbahn M über eine beispielsweise aus Metall bestehende Walze 26
führt, deren Oberfläche sehr gut, jedoch nicht absolut spiegelnd reflektiert.
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Vorzugsweise sollte die Streucharakteristik einer derartigen Oberfläche
etwa so wie die Streukeule 24 ausgebildet sein.
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In Fig. 2 ist nur ein geringer Ausschnitt einer derartigen Walze 26
schematisch angedeutet. Befindet sich nun in der
Papierbahn ein
Loch 27, so wird durch dieses Loch auf die Oberfläche der Walze 26 gelangendes Licht
zumindest zu einem wesentlichen Teil auch dann noch zum Photoempfänger 19 zurückgelenkt,
wenn sich das Loch 27, wie das in Fig. 2 angedeutet ist, ganz am Rande der Vorrichtung
im Bereich einer der Wände 18, 20 befindet. Ein Loch 27 in der Papierbahn M führt
somit zu einem Hell-Signal an der Photozelle 19. Eine dunkle Stelle auf der Papierbahn
M würde demgegenüber zu einem Dunkelsignal führen. Die erfindungsgemäße Anordnung
ermöglicht es also, Löcher und Dunkelstellen auf Papierbahnen auf einfache Weise
zu unterscheiden. Dabei ist es sogar noch möglich, zur Erfassung größerer Papierbahnbreiten
mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen unmittelbar aneinanderzureihen, indem die
Wand 18 einer ersten Vorrichtung unmittelbar in Anlage an die Wand 20 einer identisch
ausgebildeten weiteren Vorrichtung usw. zur Anlage gebracht wird.
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Die Größe der Verschiebung d ist zweckmäßig im wesentlichen so groß,
daß die in sich zurückreflektierten Randstrahlen 17', 17" als Empfangsstrahlen 25a
gerade auf einem Endbereich (in Umfangsrichtung gesehen) der zugeordneten Spiegelradfläche
13a, 13b auftreffen, wenn der Sendestrahl 17 auf dem anderen Endbereich der gleichen
Fläche 13a bzw. 13b auftrifft, wie dies in Fig. 2 wiedergegeben ist. Dies ergibt
eine optimale Ausleuchtung des Spiegelrades und damit eine optimale Lichtausbeute.