DE2808360C3

DE2808360C3 - Optische Vorrichtung zur Bestimmung des Lichtaustrittswinkels

Info

Publication number: DE2808360C3
Application number: DE2808360A
Authority: DE
Inventors: Erwin 8021 Icking Sick
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1978-02-27
Filing date: 1978-02-27
Publication date: 1981-09-24
Also published as: SE434780B; GB2015728B; GB2015728A; JPS54154341A; DE2808360B2; SE7901692L; JPS6234097B2; DE2808360A1; US4227091A

Description

2. Vorrichtung ich Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß pro Gruppe 4 bis 12 und vorzugsweise 9 einzelne Fotoempfänger angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einzelne f-otoempfänger (12) aus mehreren fotoelektrischen Wandlern, z. B. Fotodioden, zusammengesetzt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß pro Meter 5 bis 20 und vorzugsweise IO aneinandergereihte Fresnellinsen (16) und eine entsprechende Anzahl von Fotoempfängergruppen (19) vorgesehen sind.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung /ur getrennten Erfassung von Lichtstrahlen, die unter verschiedenen Winkeln von einer mit einem Lichtpunkt abgetasteten Oberfläche ausgehen, mn das von der Oberfläche ausgehende Licht erfassenden, sich in Abtastrichtung erstreckenden streifenförmigen optischen Mitteln, in deren Brennebene eine (»nippe von mehreren F otoempfängern angeordnet ist.

Es ist liereits bekannt (I)L-OS 21 15979). /.IS. auf Fehler zu überwachende laufende Papier oder Stoffbahnen mittels eines von einem Laser stammenden Lichtstrahls quer /u ihrer Laufrichtung fortwährend abzutasten |e nach Art der Oberfläche b/w. der Fehlerstelle wird Licht in unterschiedlichen Kichtutigen zurückgeworfen. Wobei die Intensität der Lichtstrahlen in den einzelnen Richtungen insgesamt charakteristisch für den Zustand der Oberfläche ist, Es ist bekannt, daß die Empfangsanordiuirtgen zur Erfassung des von der Oberfläche ausgehenden Lichts, welche meistens einen sich parallel zur Ablastrichitmg erstreckenden Liclulciistab sowie eine davor angeordnete Zylinderlinse umfassen, uitier verschiedenen Winkeln angeordnet

ίο

werden können, um die günstigsten Empfangsverhältnisse zu schaffen. Im allgemeinen wird die von der Empfangsanordnung aufgenommene Lichtintensität in Richtung des Winkels der Spiegelreflexion am größten sein und unter davon abweichenden Winkeln mehr oder weniger abnehmen.

Der Nachteil aller bekannten Empfangsanordnungen für derartige optische Abtastvorrichtungen besteht darin, daß die Lichterfassung meistens auf eine einzige oder allenfalls zwei Richtungen relativ zur Oberfläche beschränkt ist.

Den gleichen Nachteil weist auch eine Vorrichtung zur Prüfung und Sortierung von bahn- oder blattförmigen Erzeugnissen (DE-OS 15 73 496) auf. Hier werden zu fLchenartigen Gebilden zusammengefaßte Lichtleiter mit ihrer Stirnseite in der Nähe einer zu überwachenden Bahn angeordnet Für jeden Winkel, aus dem Licht empfangen werden soll, muß eine gesonderte Lichtleiteranordnung vorgesehen werden, was nicht nur aufwendig ist, sondern auch die Zahl der erfaßbaren Winkelbereiche beschränkt.

Es ist auch bereits eine optische Vorrichtung zur Bestimmung des Lichtaustrittswinkels bekannt geworden (DE-OS 25 32 603), bei der eine an einem Lichtleitstab angeordnete Stufenspiegelanordnung die unter verschiedenen Winkeln von der Oberfläche ausgehenden Lichtstrahlen so auf eine Anordnung von einzelnen Fotoempfängern lenkt, daß ein bestimmter einzelner Fotoempfänger immer nur von dem Licht aus einem eng begrenzten Winkelbereich erfaßt wird.

Die bekannte Vorrichtung ist relativ einfach aufgebaut. Die Herstellung von Stufenspiegelanordnungen und insbesondere Lichtleitstäben ist bei den hier erforderlichen Qualitätsanforderungen jedoch aufwendig.

Des weiteren ist aus der DE-OS 25 56 395 eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung bekanni, die zur Überprüfung von Glasplatten oder -bändern dient. Sie weist zwei Hohlspiegel -¹J, 7 am. die sich über die gesamte Abtastbreite erstrecken und die daher eine beträchtliche Brennweite aufweisen müssen. Die Vorrichtung erfaßt zwar unter verschiedenen Winkeln von der Oberfläche ausgehende Lichtstrahlen, ist aber aufgrund der Hohlspieeelkonfiguration sehr aufwendig und kostspielig und benotigt /um anderen auch nicht unerheblichen Raum.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung /u schaffen, mit der einerseits die unter verschiedenen Winkeln von der Oberfläche ausgehenden Lichtstrahlen sehr genau erfaßt werden können, die aber andererseits mit geringem Aufwand herstellbar ist und einen kompakten Aufbau besitzt.

/ur lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor. daß die optischen Mittel aus einer fresnellinsenreihe bestehen, welche aus rechteckig geschnittenen, mit ihren Schmalseiten unmittelbar aneinanderstoßenden fresnellinsen besteht, daß jeder I restiellinsenreihe eine gleichartige Gruppe von F otoempf.ingern zugeordnet ist, daß aus den einander entsprethenden F/uiuempfangern der verschiedenen Gruppen ein gemeinsames elektrisches Atisgangssignal gebildet ist und daß die Fötoempfänger an eine Auswerteelektronik angeschlossen sind, in der die Zusammenschaltung der einzelnen Foiocmpfänger und die Bildung von Koordinaicnausgangssignalcn vorgenommen wird.

Die effindufigsgemäß verwendeten relativ klein ausgebildeten Frcsncilinscii lassen sich mit sehr

O C /Λ

geringem Aufwand beispielsweise als PreQteile aus transparentem Kunststoff ohne weiteres herstellen. Durch sie wird ein sehr kompakter Aufbau gewährleistet, weil die kurze Brennweite der Fresnellinse eine Anordnung der Fotoempfänger in geringem Abstand vom Linsenkörper ermöglicht. Überdies hat die relativ geringe Linsengröße und -brennweite zur Folge, daß durch optische Fehler hervorgerufene Fehlablenkungen verringert werden.

Überraschenderweise ist der Aufwand für die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr gering, obwohl für jede Fresnellinse eine Gruppe von mehreren Fotoempfängern erforderlich ist Fotoempfänger sind jedoch in Form von Fotodioden so preiswert verfügbar, daß der zusätzliche Aufwand für die größere Anzahl von Fotoempfängern in keiner Weise die Ersparnisse aufwiegt, die durch den Verzicht auf einen Lichtleitstab mit hohen optischen Anforderungen erzielt werden. Von besonderer Bedeutung ist, daß aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung die Genauigkeit bei der Zuordnung der unter einem bestimmten Winkel von der Oberfläche weggehenden Lichtstrahlen zu den einzelnen Fotoempfängern wesentlich verbessert ist.

Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.

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

F i g. 1 eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung zur Bestimmung des Lichtaustrittswinkels,

F i g. 2 eine Ansicht in Richtung tier Linie H-II,

Fig. 3 eine Ansicht nach Linie III III in Fig. 1 und

F i g. 4 eine Ansicht nach Linie IVIV in F i g. 1.

Nach den Fig. 1 und 4 tastet ein Laserstrahl 15 eine Materialbahn 17 in Richtung des Pfeiles Fin Fig. 1 periodisch quer zu ihrer Bewegungsrichtung flab. Dabei läuft ein Lichtfleck 20 periodisch quer über die Oberfläche 11 der Bahn 17.

Zum Empfang des von der Oberfläche 11 reflektierten Lichtes ist emndungsgemäß eine Fresnellinsenreihe 21 (Fig. 2) vorgesehen, welche aus rechteckig ausgeschnittenen einzelnen Fresnellinsen 16a, b. c. d besteht, wobei der Mittelpunkt der einzelnen Rechtecke mit dem optischen Mittelpunkt der betreffenden Fresnellinse zusammenfällt. Durch die stirnseitige Ane'nanderanordnung der einzelnen Fresnellinsen entsteht eine leistenförmige Anordnung gemäß F i g. 2. welche über ihre gesamte Länge Lichl empfangen und in der im folgenden beschriebenen Weise konzentrieren kann.

Alle 1 rcsnellinsen 16a. b. c\ d weisen eine gemeinsame Brennebene 18 auf, in der Gruppen 19,7. h. r. d von einzelnen Photoempfängern 12 in der im einzelnen aus den V ι g. 1. i und 4 ersichtlichen Weist· angeordnet sind.

leder 1 rc«.nellinse 16.·, b. c. t/ist eine Gruppe 19a. b. c bzw c/von Photoempfängern 12 zugeordnet. Diese sind nach Fig.3 nach der Art eines X-V-Koordinatensystems angeordnet, können aber auch nach einem anderen System, beispielsweise nach einem Polar-Koordinatensystem, gruppiert sein.

Nach Fig.3 sind jeder Fresnellinse 16 insgesamt sechs Photoempfänger 12a, b, c, d, e, f.g, h, /zugeordnet, welche um den im Brennpunkt sitzenden zentralen Photoempfänger 12e herum nach einem regelmäßigen Muster (Quadratform) gruppiert sind.

ίο Gemäß F i g. 3 sind die jeweils einander entsprechenden Photoempfänger 12a, 126, c, ... bzw. 12/ zusammengeschaltet und einer Auswerteelektronik !4 zugeführt. Die Zusammenschaltung der einzelnen entsprechenden Photoempfänger 12a,b.c....kann auch

is in der Weise vorgenommen werden, daß sie an die unterschiedlichen Eingänge eines ODER-Gatters angelegt sind.

Am Ausgang der elektronischen Auswerteschaltung können dann drei X- und drei K-Signale abgenommen werden, durch welche die Lage d · von einem Lichtstrahl beaufschlagten Photoempfänger; 12 genau definiert wird.

Unter der Annahme, daß die Oberfläche 11 der Bnhn 17 gerichtet reflektierende Eigenschaften aufweist, wird

-'5 der Laser.rahl 15 gemäß den Fig. 1 und 4 als Lichtstrahl 13 so reflektiert, daß er durch eine der Fresnellinsen 16a, b, c. d jeweils auf den mittleren Photoempfänger 12egelenkt wird.

Weist nun die Oberfläche 11 der Bahn 17 gemäß

so Fig. 1 eine Störung 22 auf, welche den Laserstrahl 15 unter einem anderen Winkel als Reflexionsstrahl 23 zurückwirft, so gelangt dieser Reflexionsstrahl 23 aufgrund der Abbildungseigenschaften der Fresnellinsen 16 auf einen det äußeren Photoempfänger, im

is vorliegenden Beispiel auf die Photoempfänger 12c/. In Fig.] ist der Fehler 22 so ausgedehnt gezeichnet, daß er sich über zwei benachbarte Fresnellinsen 16a. \bb erstreckt. Ersichtlich wird jedoch durch die Anordnung und Schaltung gewährleistet, daß gleichwohl stets die

■ίο entsprechenden Photoempfänger 12c/. welche parallel- bzw. zjsammengeschaltet sind, beaufschlagt werden. Am Ausgang der elektronischen Auswerteschaltung 14 würde also für X das Signal - 1 und für Y das S'gnal 0 erscheinen. Hierdurch ist der Ort des vom Lichtstrahl 23

*'< beaufschlagten Photoempfängers eindeutig bestimmt.

Es wäre auch denkbar, daß der Fehler gemäß Fi g. 4 so ausgebildet ist. daß der Laserstrahl 15 als Reflexionsstrahl 13' oder 13" auf andere benachbarte Photoempfänger gelenkt wird. Auf jeden Fall gibt der

i" von Licht beaufschlagte Photoempfänger eindeutig an. unter welchem Winkel das ihn beaufschlagende Licht von der Oberfläche 11 der Bahn 17 ausgegangen ist. [e feinGr die A.!Ordnung der Photoempfänger 12 ist. um so genauer kann zwischen benachbarten schmalen Winkel

v- bcreichen unterschiede,! werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur getrennten Erfassung von Lichtstrahlen, die unter verschiedenen Winkeln von einer mit einem Lichtpunkt abgetasteten Oberfläche ausgehen, mit das von der Oberfläche ausgehende Licht erfassenden, sich in Abtastrichtung erstreckenden streifenförmigen optischen Mitteln, in deren Brennebene eine Gruppe von mehreren Fotoempfängern angeordnet ist, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) die optischen Mittel bestehen aus einer Fresnellinsenreihe (21), welche aus rechteckig geschnittenen, mit ihren Schmalseiten unmittelbar aneinanderstoßenden Fresnellinsen (16a, b, c, d) besteht,

b) jeder Fresnellinsenreihe (16,?, b, c, d) ist eine gleichartige Gruppe von Fotoempfängern (12a, b, c....) zugeordnet,

c) aus den einander entsprechenden Fotoempfängern (12a, b, c,...) der verschiedenen Gruppen (19a, b. c. d) ist ein gemeinsames elektrisches Ausgangssignal gebildet, und die Fotoempfänger sind an eine Auswerteelektronik (14) angeschlossen, in der die Zusammenschaltung der einzelnen Fotoempfänger und die Bildung von Koordinatenausgangssignalen vorgenommen wird.