DE2552332C3 - Abtastvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung mit über Spiegelrad, Schwenkspiegel od. dgl. abgelenktem, über einen bogenförmigen Spiegel und ein in der anderen Koordinatenrichtung sammelndes Element zu einem Lichtfleck auf dem f.btastoijekt konzentrierten Sendelichtstrahl und mit nach dem Autokollimationsprinzip zurücklaufendem, geomet. sch abgeteiltem, einen Punkt des Abtastobjektes erfassenden Empfangslichtstrahl.

Bei einer bekannten Abtastvorrichtung dieser Art wird das Sendelicht über einen bogenförmigen Spiegel und eine Zylinderlinse auf dem Abtastobjekt fokussiert, während das Empfangslicht durch physikalische Strahlteilung einem Photoempfänger zugeführt wird. Es ist aber auch schon eine geometrische Abteilung des Empfangslichtstrahls bei einer derartigen Abtastvorrichtung bekannt.

Des weiteren ist es schon bekannt, die auf die Oberfläche eines Spiegelrades fokussieren Sende- bzw. Empfangslichtstrahlen dadurch zu entkoppeln, daß eine vor dem Spiegelrad angeordnete Linse in zwei Teillinsen unterteilt wird, denen ein Abstand quer zum Strahlengang gegeben wird. Hierdurch kommen die Fokussierungspunkte der beiden Strahlen räumlich getrennt nebeneinander zu liegen, wodurch eine geometrische Trennung zwischen Sende- und Empfangslichtstrahl herbeigeführt wird. Das Spiegelrad muß jedoch eine solche Ausdehnung haben, daß Sende- und Empfangslichtstrahl räumlich getrennt nebeneinander Platz haben.

Bei einer Abtastvorrichtung mit durch Pupillenteilung geometrisch abgeteiltem Empfangslichtstrahl liegen die Sende- Und Empfangslichtstrahlen auf dem Spiegelrad ebenfalls nebeneinander, so daß der Platzbedarf für das Spiegelrad ebenfalls relativ groß ist.

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 Lichtfleckes beispielsweise im Verhältnis 1 :10, was in vielen Fällen unerwünscht ist

Die Erfindung hat somit das Ziel, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der die erwähnte Verkleinerung des Lichtfleckes senkrecht zur Abtastrichtung nicht vorliegt und somit ein Lichtfleck

in erzielt wird, der senkrecht zur Abtastrichtung, d.h. in Bewegungsrichtung der zu überwachenden Materialbahn, eine längliche, nicht zu kleine Form aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß das sammelnde Element eine vor dem Abtastobjekt

ii angeordnete Zylinderlinse ist, die bezüglich des vom Sendestrahl durchlaufenen Bereiches prismatisch abgeflacht ist.

Erfindungsgemäß wird also im Sendeteil auf die Wirkung der Zylinderlinse als verkleinerndes optisches Element verzichtet Beibehalten wird jedoch bewußt die ablenkende Wirkung, so daß zwar an der gewünschten Stelle im Abtastfeld ein in Bewegungsrichtung der Bahn wesentlich größerer länglicher Lichtfleck erzielt wird, welcher sich jedoch im Bereich der Brennlinie des zylinderlinsenförmigen Bereiches des sammelnden Elementes befindet

Aus diesem Grunde tritt aus dem Empfangsteil der Zylinderlinse ein paralleles Lichtbündei aus, weiches zum Sendestrahlenbündel parallel verläuft.

jo Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Bildung eines sich in Bewegungsrichtung der Materialbahn erstreckenden Lichtstriches dadurch unterstützt werden, daß zwischen der durch einen Laser gebildeten Lichtquelle und dem Spiegelrad ein den Sendestrahl um einen solchen Betrag auffächerndes Streuelement angeordnet ist, daß der Abtastlichtfleck eine sich senkrecht zur Abtastrichtung erstreckende, längliche Form annimmt.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; es zeigt

F i g. 1 eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Abtastvorrichtung und

F i g. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht nach Linie H-Il in Fig. 1, wobei die beiden an der Spiegelanord-

4·) nung 14 abgeknickten Strahlengänge der einfachen Darstellung halber gestreckt wiedergegeben sind und die Spiegelanordnung 14 nur durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist.

Nach der Zeichnung gelangt der von einem Laser M

V) ausgesandte schmale und nur eine geringe Divergenz aufweisende Lichtstrahl über eine Zerstreuungs-Zylinderlinse 29 zu einem Spiegelrad 13. Die Zerstreuungslinse 29, die übrigens auch durch eine Sammel-Zylinderlinse ersetzt werden könnte, erteilt dem Laserstrahl eine

^r>^r> relativ geringfügige Divergenz, wie sie aus F i g. 1 ersichtlich ist.

Der Sendestrahl 17 fällt z. B. auf die eine Hälfte eines in der dargestellten Weise leicht gekippten Spiegelrades 13, wobei der Durchstoßpunkt der optischen Achse des

M) Sendestrahles 17 bei 28 angedeutet ist.

Von dem leicht gekippten Spiegelrad 13 wird der Sendestrahl zu einem Planspiegel 14a reflektiert, welcher als Streifen ausgebildet ist, dessen Längsachse sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckt. Gemäß

b^r> F i g. 2 muß die Länge des Spiegels 14,-/ so groß sein, daß er alle innerhalb des Abtastbereiches vom Spiegelrad 13 reflektierten Lichtstrahlen voll erfassen kann.

Von dem wiederum etwas gekippten Planspiegel 14a

wird der Sendestrahl 17 zu einem ersten bogenförmigen Spiegel 23a reflektiert, dessen Brennpunkt bzw. Brennlinie sich im wesentlichen auf der reflektierenden Oberfläche des Spiegelrades 13 befindet. Bevorzugt liegt die reflektierende Oberfläche des Spiegelrades 13 jedoch etwas innerhalb der Brennweite des Spiegels 23a, derart, daß die vom Spiegel 23a reflektierten Strahlen eine gninge Divergenz aufweisen, wie das in F i g. 2 in der linken Hälfte angedeutet ist.

Unmittelbar vor der durch die Abtastvorrichtung auf Fehlsteilen zu überwachenden Bahn M, welche sich in Richtung des Pfeiles P kontinuierlich bewegt, befindet sich nur in einer Richtung sammelndes, ein optisches Element 15, dessen Achse parallel zu der mit A bezeichneten Abtastrichtung verläuft und welches ein paralleles Strahlenbündel auf der Materialbahn konzentriert.

Der Empfangsctrahl 17 fällt nur auf einen Teilbereich 15' des Elementes 15, innerhalb dessen die in F i g. 1 gestrichelt angedeutete zunächst vorhandene Krümmung einer Zylinderlinse abgeschliffen ist, derart, daß eine in ausgezogenen Linien dargestellte plane Oberfläche in diesem Bereich entsteht. Der Sendestrahl 17 fällt also auf einen optischen Keil 15', dessen Keilwinkel mit α bezeichnet ist Der Keilwinkel entspricht der mittleren Steigung des weggeschliffenen gekrümmten Teils der zunächst vorhandenen Zylinderlinse.

Aufgrund des Keiles 15' wird der Sendestrahl 17 lediglich in der dargestellten Weise zum Abtastfeld F hin abgeknickt, ohne daß eine Zusammenziehung des Strahles 17 erfolgt. Es wird also ein länglicher Lichtfleck 16 im Abtastfeld F erzielt, was zur Erkennung von in Längsrichtung des Fleckes 16 verlaufenden Kratzern auf der Oberfläche zweckmäßig ist.

Aufgrund des Keilwinkels α erscheint jedoch der Lichtfleck 16 im Bereich der Brennlinie des sich an den Keil 15' stetig anschließenden Zylinderlinsenbereiches des Elementes 15, so daß das vom Lichtfleck 16 in den Zylinderlinsewbereich zurückgestreute Licht zu einem in der Ansicht nach Fig. 1 im wesentlichen parallelen Empfangsstrahl vereinigt wird. Der Empfangssirahl fällt auf einen weiteren bogenförmigen Spiegel 236, welcher gegenüber dem Sendespiegel 23a um ein Stück d in Richtung der Zylinderlinse 15 versetzt ist. Der Empfangsspiegel 236 ist außerdem in der dargestellten Weise breiter als der Sendespiegel 23a ausgebildet, um soviel Licht wie möglich zu erfassen. Im übrigen sind die beiden Spiegel 23a, 236, 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, 236 auffallende Lichtbündel auch wieder parallel zueinander reflektiert werden.

Nach der Reflexion des Empfangsstrahles 25 am Spiegel 236 fällt dieses auf einen weiteren Planspiegel 146, welcher wesentlich breiter als der Planspiegel 14a ausgebildet und gegenüber dem Planspiegel 14a um eine senkrecht auf der Zeichenebene der F i g. 1 stehende Achse 30 um ein bestimmtes Stück relativ zu diesem gekippt ist. Es wird somit ein aus den beiden Planspiegeln 14a, 146 bestehender geknickter Spiegel 14 geschaffen. Der Knickwinkel ist dabei so groß, daß der am Planspiegel 146 reflektierte Empfangsstrahl 25 möglichst vollständig auf die jeweils reflektierende Fläche des Spiegelrades 13 gerichtet wird. Der Empfangsstrahl 25 erfäh.M somit eine Versetzung in Richtung auf die Durchstoßstelle 28 der optischen Achse des Sendestrahles 17 und überlagert diesen somit.

Aufgrund des Knickwinkels zwischen den Planspiegeln 14a, 146 wird der Empfangsstrahl 25 in der aus F i g. 1 ersichtlichen Weise am Spiegelrad 13 unter einem vom Einfallswinkel des Sendestrahles 17 verschiedenen Winkel reflektiert, so daß nach einer gewissen Strecke eine vollständige Trennung zwischen Sendestrahl 17 und Empfangsstrahl 25 festzustellen ist. Nach der Trennungsstelle wird im Empfangsstrahl 25 eine Sammellinse 31 angeordnet, in deren Brennpunkt sich

in 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 Frepräsentativ ist.

Ii Der in Fig. 1 wiedergegebene Sendestrahlengang hat den Vorteil, daß die schmale Ausbildung des Laserstrahles unmittelbar zur Erzeugung des Lichtflekkes 16 ausgenutzt wird. Die von der Zylinderlinse 29 hervorgerufene Divergenz ist dabei dv art gewählt, daß der Lichtfleck 16 in Bewegungsrichtung /Vine längliche Form hat Insbesondere ist der Lichtfleck 16 ein sich in Bewegungsrichtung Perstreckender Strich, was z. B. zur Festellung von Längskratzern in Blechoberflächen vorteilhaft ist.

Anstelle der Zylinderlinse 29 können auch gekreuzte Zylinderlinsen 21, 22 und ein Objektiv 12 vorgesehen werden. Diese Elemente sind in F i g. 1 gestrichelt und rein schematisch angedeutet.

Die Zylinderlinse 29 ist so zu dimensionieren, daß der Sendestrahl 17 unter Berücksichtigung der Konvergenzeigenschaften des Spiegels 23a eine zur Bildung des länglichen Lichtflecks 16 ausreichende Divergenz erhält.
Aus Fig.2 ist die Wirkung der Versetzung d der

v> beiden bogenförmigen Spiegel 23a, 236 zu ersehen. Diese Versetzung ist wichtig, um auch von den Randstrahlen 17' noch ein ausreichendes Rürksigral zu erhalten. In Fig.2 ist im Bereich der einen Gehäusewand 18 ein unmittelbar an der Wand gelegener Ran-istrahl 17' dargestellt, welcher durch Reflexion des Sendestrahles 17 am Sendespiegel 23a in der dargestellten Weise erzeugt wird. Der Randstrahl 17' gelangt durch das sammelnde Element 15 hindurch auf die Oberfläche der Materialbahn M, wo ein Lichtfleck 16'

•4") erzeugt wird.

Es sei nun angenommen, daß die Oberfläche der Materialbahn M Reflexionseigenschaften hat, wie sie durch die Keule 24 schematisch angedeutet sind. Die Reflexionsintensität ergibt sich durch vom Lichtfleck 16'

Vi aus zu der Keule 24 in den einzelnen Richtungen gezogene Geraden. Die Länge der Geraden vom Fußpunkf bei 16' bis zum Rand der Keule ist ein Maß für die Reflexionsintensität. Ersichtlich gehen beispielsweise vom Fleck 16' in der Richtung 25" zurückgeworfene

■■< ι Lichtstrahlen für die Auswertung verloren, da sie auf die Gehäusewand 18 treffen oder sogar außerhalb der Gehäusewand 18 vorbeilaufen. Hingegen gelangt beispielsweise ein \.eiter nach innen zurückgeworfener Empfangslichtstrahl 25' zurück zum Sendespiegel 23a.

Wi Aufgrund der gegenüber dem Randstrahl 17' anderen Neigung relativ zur Oberfläche der Bah.i M würde dieser zurückgeworfene Strahl jedoch nicht mehr auf diejenige Fläche 13a des Spiegelrades 13 auftreffen, von der das Sendestrahienbünciel 17 reflektiert wurde.

μ Vielmehr würde der bei 23a reflektierte Empfangslichtstrahl 25' in der gestrichelt dargestellten Weise sogar vollständig am Spiegelrad 13 vorbeigehen.

Versetzt man nun jedoch den EmpfaiKSspiegel 236

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. Es steht somit Licht zur Verfugung, welches in der aus Fig. 1 ersichtlichen Weise zum photoelektrischen Empfänger 19 gelangt.

Die Versetzung d von Sende- und Empfangsspiegel 23;/. 23b ist auch wichtig, wenn man mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen nahtlos aneindersetzen 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 Sendespiegels 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 Af 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 Empfangsspiegel 236 trifft und von dort a-f 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 stets noch genügend Licht zu der vom Sendelichtstrahl 17 beaufschlagten Spiegelradfläche 136 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 jeden Fall und auch bei üblichen Metalloberflächen in Walzwerken allgemein

vorhanden.

Besonders eignet sich die Abtastvorrichtung 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. Vorzugsweise sollte die Streucharakteristik einer derartigen Oberfläche etwa so wie die Streukeule 24 ausgebildet sein. In F i g. 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 F i g. 2 angedeutet ist, ganz am Rande der Vorrichtung im Bereich einer der Wände 18,20 befindet. Ein Loch 27 in der Papierbahn /V/ führt somit zu einem Heil-Signal an der Photozelle 19. Line dunkle Stelle auf der Papierbahn M würde demgegenüber zu einem Dunkelsignal führen. Die beschriebene Anordnung ermöglicht es also. Löcher und Dunkelsteilen auf Papierbahnen auf einfache Weise zu unterscheiden. Dabei ist es sogar noch möglich, zur Erfassung größerer Papierbahnbreiten mehrere Abtastvorrichtungen 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.

Die Größe der Verschiebung dist im wesentlichen so groß, daß die in sich zurückreflektierten Randstrahlen 17', 17" als Empfangsstrahlen 25a gerade auf einem Endbereich (in Umlangsrichtung gesehen) der zugeordneten Spiegelradfläche 13a, 136 auftreffen, wenn der Sendestrahl 17 auf dem anderen Endbereich der gleichen Fläche 13a bzw. 136 auftrifft, wie dies in F i g. 2 wiedergegeben ist. Dies ergibt eine optimale Ausleuchtung des Spiegelrades und damit eine optimale Lichtausbeute.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Abtastvorrichtung mit über Spiegelrad, Schwenkspiegel od. dgl. abgelenktem, über einen bogenförmigen Spiegel und ein in der anderen Koordinatenrichtung sammelndes Element zu einem Lichtfleck auf dem Abtastobjekt konzentrierten Sendelichtstrahl und mit nach dem Autokollimationsprinzip zurücklaufenden, geometrisch abgeteiltem, einen Punkt des Abtastobjektes erfassenden Empfangslichtstrahl, dadurch gekennzeichnet, daß das sammelnde Element eine vor dem Abtastobjekt angeordnete Zylinderlinse (15) ist, die bezüglich des vom Sendestrahl durchlaufenen Bereiches (15') prismatisch abgeflacht ist.

2. Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der durch einen Laser gebildeten Lichtquelle (H) und dem Spiegelrad (13) ein den Secdsstrahl (17) um einen solchen Betrag auffächerndes Streuelement (29) angeordnet ist, daß der Abtastlichtfleck (16) eine sich senkrecht zur Abtastvorrichtung erstreckende, längliche Form annimmt