DE2754450B2 - Photoelektrische Reflex-Abtastvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine photoelektrische Reflex-Abtastvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Abtastvorrichtung ist aus der DE-OS 2424073 bekannt. Dort sind in einem Gehäuse die Lichtquelle, die Linse und der Photodetektor räumlich in einer Reihe angeordnet, wobei die Linse auf der der Lichtquelle zugewendeten Seite mit einem Reflektor versehen ist, der in der Strahlenbahn von reflektierten Lichtbündeln liegt. Hierbei ist nachteilig, daß das Gehäuse relativ lang ausgeführt werden muß, der Photodetektor der Lichtquelle zugewendet ist, wodurch auch direkt von der Lichtquelle kommende Strciistrahliing empfangen werden kann, und daß die Ausbeute der festgestellten reflektierten Strahlung relativ klein ist, Bei einer Abtasteinrichtung gemäß der US-PS 3 238 373 befindet sich ein Photodetektor hinter einer Lichtquelle, Unter diesen Verhältnissen

ist die Menge der von dem Photodetektor absorbierten reflektierten Energie klein im Vergleich zu der meinem solchen System vorhandenen Gesamtmenge der reflektierten Energie. Der Wirkungsgrad dieses Typs eines photoelekfrischen Systems für reflektierte

>o Energie ist daher naturgemäß sehr gering.

Ferner ist bei einer anderen photoelektrischen Abtastvorrichtung gemäß der US-PS Re. 26915 eine Lichtquelle in dem Brennpunkt einer Hauptlinse angeordnet, und ein Bündel von kollimierten parallelen

Ii Lichtstrahlen wird aus der Hauptlinse austretend erzeugt In diesem Strahlenbündel wird ein Photodetektor und eine Hilfslinse angeordnet zur Erfassung und Messung der reflektierten Energie. Da der Photode-. tektor und die zugeordnete Linse klein sein müssen,

2» um den Hauptteil des aus der Hauptlinse abgestrahlten Lichtes nicht zu stören, werden dabei der Photodetektor und die zugeordnete Linse eine solche Lage besitzen, daß sie nur einen geringen Anteil der an einem Gegenstand reflektierten Lichtenergie aufneh-

-'> men.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine photoelektrische Abtastvorrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß eine kurze kompakte Vorrichtung erhalten wird, die viel Strah-

iii lung emittiert und die reflektierte Strahlung mit großer Genauigkeit feststellt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteran-

Γ) Sprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Photodetektor und die ihm zugeordnete zweite Linse trotz ihrer koaxialen Anordnung im Strahlengang der Lichtquelle die von

4Ii dieser abgegebene Lichtmenge nur geringfügig verkleinern und darüber hinaus das reflektierte Licht nahezu vollständig abtasten. Die Ausgangsgröße des Photodetektors wird dabei auch nicht durch Streustrahlung von der Lichtquelle verfälscht, da die Ein-

r. fallsflache des Photodetektors von der Lichtquelle weggerichtet ist. Ferner lassen sich der Photodetektor und die ihm zugeordnete zweite Linse auf einfache Weise in ihrem Abstand relativ zueinander verstellen, um die vom Phoiodetektor aufgenommene reflek-

-.Ii tierte Lichtmenge in Abhängigkeit von den jeweiligen Umständen zu optimieren. Die Abtastvorrichtung gemäß der Erfindung erfordert dabei nur eine kurze Baulänge.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung

r> und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht von einer photoelektrischen Reflex-Abtastvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

w) Fi g. 2 zeigt eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer koaxialen photoelektrisehen Reflex-Abtastvorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 3 ist eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eir.es koaxialen Systems für rcflek-

(i, tierte Energie nach Fig. 2.

Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine koaxiale photoelektrische Rcflexabtastvorrichtung 10 ein Gehäuse 12, eine erste Linse

14, eine zweite Linse 16, einen Photodetektor 18, eine photoelektrische Lichtquelle, beispielsweise eine Festkörper-Lichtemitterdiode, eine Wärmesenke 22 und Tragscheiben 24 und 26 aus Kunststoff enthält.

Das Gehäuse 12 kann eine Zylindermilse sein und aus einem mechanisch geeigneten Metall oder undurchsichtigem Kunststoff bestehen, beispielsweise aus einem Polykarbonat-Xunststoff. Die Linse 14 kann aus einem Polykarbonat-Material bestehen, welches unter Verwendung von standardmäßigen Preß-oder Gußverfahren zu einer Linse geformt wird, die eine Oberfläche bestehend aus konzentrischen Reihen einfacher Linsenabschnitte besitzt, so daß eine dünne linse mit einer kurzen Brennweite und einem großen Durchmesser möglich ist. Eine solche linse wird allgemein als Fresnel-Iinse bezeichnet.

Neben ihrer Funktion als Linse kann die Linse 14 auch noch als Filter zum Durchlaß von Infrarotstrahlung und gleichzeitiger Sperrung nahezu des gesamten sichtbaren Lichtes dienen. Dies wird dadurch erreicht, daß die Fresnel-Linse 14 in eine Tiichloräthylen-Lösung eingetaucht wird, in welcher Farbstoff- aufgelöst sind, wobei die Farben im Verhältnis 1 g Violett B, 0,1 g Gelb 3G, 0,3 g Rot G und 0,1 g Orange 3G gemischt sind. Dabei wird durch das Trichloräthylen-Lösungsmittel die Oberfläche der Kunststoff-Linse weich, und die Farbstoffe können durch die Oberfläche bis zu einer Tiefe von etwa 0,05 mm (etwa 0,002 Zoll) eindringen. Obwohl die Linse 14 vorstehend als Fresnel-Linse beschrieben wurde, können selbstverständlich auch andere Linsenarten verwendet werden, beispielsweise eine plan-konvexe Glaslinse.

Die Tragscheiben 24 und 26 können aus durchsichtigem Acryl-Kunststoff oder aus einem Polykarbonat-Kunststoffmaterial bestehen. Die Tragscheiben 24 und 26 besitzen jeweils mittlere Offnungen zur Aufnahme und Halterung des Photodetektors 18 bzw. der Linse 16. Die Linse 16 ist in der Abbildung als plan-konvexe Glaslinse dargestellt, sie könnte jedoch auch aus einer Fresnel-Linse aus geformtem Kunststoff ähnlich der Linse 14 bestehen. Der Photodetektor 18 kann ein normaler Silicium-Phototransistor oder irgendein anderer lichtempfindlicher Photodetektor sein, welcher elektrisch mit standardmäßigen Verstärker- und Meßanordnungen verbunden ist (nicht gezeigt). Die photoelektri&:he Lichtquelle 20 kann aus irgendeiner üblichen photoelektrischen Festkörper-Lichtquelle bestehen, beispielsweise aus den allgemein erhältlichen Festkörper-Lichtemitter-Dioden, welche beim Durchgang eines elektrischen Stroms Infrarotstrahlung aussenden. Die photoelektrische Lichtquelle 20 ist elektrisch mit einer Stromquelle verbunden (nicht gezeigt) und ist in einer öffnung in einer Wärmesenke 22 befestigt. Durch die wärmeleitende Verbindung der Lichtquelle 20 mit der Wärmesenke 22 kann eine größere elektrische Stromstärke durch die Lichtquelle fließen, als dies normalerweise ohne Zerstörung des Festkörpers möglich ist. Hierdurch kann die photoelektrische Lichtquelle 20 mit höherer Lichtleistung betrieben werden, als dies zuvor bei koaxialen photoclektrisehen Reflex-Abtastvorrichtungen möglich war. Es ist zu beachten, daß die Linse 14 und die Scheiben 24 und 26 und die Wärmesenke 22 in dem zylindrischen Gehäuse 12 unter Verwendung von bekannten Verfahren zur Halterung und Befestigung angebracht werden können, wie sie dem Fachmann hckat;r·. sind. Alternativ hierzu ist zu beachten, daß bei gleichem Material iür die Scheiben 24 und 26, die Linse 14 und das Gehäuse 12 diese Teile in Form eines einzigen Teils durch Gießen oder Pressen hergestellt werden können. In der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Struktur ist die photoelektrische Lichtquelle 20, der Photodetektor 18 und die Linsen 14 und 16 koaxial zueinander ausgerichtet und befestigt.

Wenn beispielsweise die Linse 14 einen Durchmesser von etwa 5 cm (2 Zoll) besitzt, die Linse 16 einen Durchmesser von etwa 9,5 mm (0,375 Zoll) und die photoelektriscben Einrichtungen 18 und 20 jeweils einen Durchmesser von etwa 6 mm (0,25 Zoll) besitzen und gleichzeitig der Abstand zwischen den photoelektrischen Einrichtungen 18 und 20 etwa 6 mm (0,25 Zoll) beträgt, dann beträgt der Abstand zwischen den Linsen 14 und 16 etwa 32 mm (1,25 Zoll) und der Abstand zwischen der Linre 16 und dem photoelektrischen Empfänger 18 beträgt etwa 8,9 mm (0,35 Zoll) und die Brennweite der Linse 14 beträgt etwa 44 mm (1,75 Zoll). Wenn d':nn an der photoelektrischen Lichtquelle 20 elektrische Leistung zugeführt wird, dann erzeugt die von dieser abgegebene Infrarotstrahlung ein kollimiertes paralleles Lichtbündel an 90% der Fläche der Fresnel-Linse 14. Unter diesen Verhältnissen wird das von der photoelektrischen Abtastvorrichtung aasgesandte Licht nach dem Auftreffen auf einen Zielgegenstand durch die Linse 14 zurückreflektiert und dann durch die Linse 16, so daß ein optimaler Anteil der reflektierten Lichtenergie von dem Photodetektor 18 empfangen wird. Diese aufgenommene Energie wird verstärkt und gemessen unter Verwendung von an sich bekannten üblichen elektronischen Verfahren.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht ein hülsenförmiges zylindrisches Gehäuse für eine photoelektrische Abtastvorrichtung 28 aus einem ersten, zweiten und dritten Gehäuseabschnitt 30, 32 und 34 gemäß Fig. 2. Aus den Fig. 2 und 3 ist ersichtlich, daß die Abtastvorrichtung weiterhin eine Linse 36, scheibenförmige Tragteile 38 und 40 und eine scheibenförmige gedruckte Schaltung 42 enthält. In dem Teil 38 ist eine mittlere öffnung 44 vorhanden zur Aufnahme einer plan-konvexen Linse 46 (siehe Fig. 2). In ähnlicher Weise besitzt das scheibenförmige Tragteil 40 ebenfalls eine mittlere öffnung 48 zur Aufnahme und Halterung eines Photodetektors 50 (siehe Fig. 2). In der Mitte ist auf der gedruckten Schaltung 43 eine Sockelfassung 52 zur Aufnahme und Halterung einer photoelektrischen Lichtquelle 54 (siehe Fig. 2) vorhanden. Ebenfalls am Sockel 52 befestigt und thermisch mit der Lichtquelle 54 verbunden ist eine Wärmesenke 56.

In der Abtastvorrichtung 28 sind auch noch C-Rmge 58,60 und 62 enthalten. Es kann angenommen werden, daß für die Linsen 36 und 46, die Scheiben 38 und 40 und die photoelektrischen Bauelemente 50 und 54 Bauteile des gleichen Typs wie die Linsen 14 und 16, Scheiben 26 und 24 und photoelektrische Baueleme"te 18 und 20 nach Fig. I verwendet werden können und daß die Gehäuseabschnitte 30, 32 und 34 aus dem gleichen Material wie das Gehäuse 12 nach Fig. 1 bestehen. Weiterhin können in dieser zweiten Ausführungsform diese Bauelemente die gleiche Abmessung und die gleiche koaxiale Lage wie ihre entsprechende,i Gegenstücke nach Fig. I besitzen. Der Unterschied zwischen der ersten und zweiten Ausführungsform besteht in folgendem: luden Fig. 2 und 3 wird der O-Ring 58 verwendet, um dir I inse

36 in einer festen Lage gegen einen inneren llanschteil 64 des Gehäuseabschnittes 34 zu hallen, der O-Ring 60 wird verwendet zur Halterung der Scheibe 38 in einer festen Lage gegen einen Flanschteil 66 des Gehäuseabschnittes 32, und der O-Ring 62 wird verwendet zur Halterung der Scheibe 40 in einer festen Lage gegen einen Flanschteil 68 des Gehäuseabschnittes 30. Weiterhin ist anstelle der Befestigung einer scheibenförmigen Wärmesenke 22 in dein Gehäuse 12 gemäß Fig. 1 hier eine gedruckte Schaltung 42 in dem Gehäuseabschnitt 30 befestigt unter Verwendung an sich bekannter Befestigungsmittel, und diese gedruckte Schaltung kann die notwendigen elektrischen Schaltkreise zur Leistungszufuhr zur Lichtquelle 54 und zur Verstärkung und Messung der vom photoelektrischen Bauelement 50 aufgenommenen Infrarotlichtenergie enthalten. Alternativ hierzu kann die gedruckte Schaltung 42 als Anschlußteil zur Herstellu!!⁰ «der «ekirischsn Verbindung zu einer außerhalb der Abtastvorrichtung befindlichen Leistungsquelle für die Lichtquelle 54 und zur Verstärker- und Meßeinrichtung für die Infrarotenergie dienen. Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, besitzt das photoelektrische Bauelement 50 elektrische Zuleitungen 70 und 72, welche auf geeignete Anschlüsse oder Schaltungen (nicht gezeigt) auf der gedruckten Schaltung 42 geführt sind. Weiterhin ergeben die Gehäuseabschnitte 30 um) 32 eine Möglichkeit zur Einstellungdes Abstandes «wischen der Linse 46 und dem Photodetektor 50 zur Erzielung einer maximalen Absorption der reflektierten Infrarotlichtenergie, welche von dein Photodetektor aufgenommen wird. Diese Einstellvorrichtung besteht aus entsprechenden Gewindeteilen 74 und 76 an den Gehäuseabschnitten 30 und 32, welche in Eingriff miteinander sind, so daß beider Drehung des Gehäuseabschnittes 30 gegen den Gehäuseabschnitt 32 der Abstand zwischen dem Photodetektor 50 und der Linse 46 verändert wird. Zur Erleichterung der Drehung des Gehäuseabschnittes 30 gegen den Gehäuseabschnitt 32 besitzt der Gehäuseabschnitt 32 eine Reihe von öffnungen 78 zur Aufnahme eines geeigneten stabähnlichen Gegenstandes in irgendeiner dieser öffnungen, so daß der Abschnitt 32 während der Drehung des Abschnitts 30 festgehalten werden kann. Da die Linsen und phctoc'ckirischen Bauelemente nach den Fig. 2 und 3 koaxial zueinander sind und die gleiche Abmessung und die gleichen Lageverhältnisse zueinander wie ihre Gegenstücke in Fig. 1 besitzen können, ist die Arbeitsweise der zweiten Ausführungsform praktisch gleich der zuvor beschriebenen Arbeitsweise der ersten Ausführungsform.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Photoelektrische Reflex-Abtastvorrichtung mit einem Gehäuse, einer ersten in dem Gehäuse befestigten Linse, einer in dem Gehäuse befestigten photoelektrischen Lichtquelle zur Abstrahlung von Licht auf die eine Seite der Linse, die auf ihrer anderen Seite parallele Lichtstrahlen erzeugt, und einem Photodetektor, der koaxial zur Lichtquelle und zur ersten Linse angeordnet ist und das von einem Gegenstand durch die erste Linse reflektierte Licht empfängt, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (18; 50) zwischen der Lichtquelle (20; 54) und der ersten Linse (14; 36) angeordnet und auf die erste linse (14; 36) gerichtet ist und daß zwischen dem Photodetektor (18; 50) und der ersten Linse (14; 36) eine zweite Linse (16; 46) koaxial angeordnet ist, die die reflektierten Lichtstrahlen zum Photodetektor (ig 50) hin beugt.

2. Reflex-Abtastvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der zweiten Linse (16; 46) und dem Photodetektor (18; 50) einstellbar ist.

3. Reflex-Abtastvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, düß der Photodetektor (50) in einem ersten zylinderförmigen Gehäuseabschnitt (30) und die zweite Linse (46) in einem zweiten zylinderförmigen Gehäuseabschnitt (32) angebracht sind, wobei die ersten und zweiten Gehäuseabschiiitte (30, 32) jeweils entsprechende Gewindeteile (74, 76) aufweisen und zur Veränderung des Abstandes zwischen dem Photodetektor (50) und der zweiten Linse '46) gegeneinander verdrehbar sind.

4. Reflex-Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linse (14; 36) eine Fresnel-Linse ist.

5. Reflex-Abtastvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linse (14; 36) aus einem geformten Polykarbonat-Kunststoffmaterial besteht und zusätzlich einen Filter zum Ausfiltern von sichtbarem Licht aus der Infrarotstrahlung bildet.

6. Reflex-Abtastvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (20; 54) mit einer Wärmesenke (22; 56) verbunden ist.