DE7112646U - Vorrichtung zur Messung der Inten sitat von nacheinander an unterschied liehen Stellen einer Linie auftretendem Licht mit einem Lichtleitstab - Google Patents

Description

M0LLER-BOR6 DIPL-PHYS. DR. MANITZ DIPL-CHEM. DR, DEUFEL DIPL-ING. FINSTERWALD DIPL-ING. GRXMKOW PATENTANWÄLTE

München, den M/bg - S 2254

ERWIN SICK
Waldkirch (Breisgau)

Vorrichtung zur Messung der Intensität von nacheinander an unterschiedlichen Stellen einer Linie auftretendem Licht mit einem Lichtleitstab.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Intensität von nacheinander an unterschiedlichen Stellen einer Linie auftretendem Licht mit einem Lichtleitstab, der an verschiedenen Stellen seiner Länge von aussen in der Weise mit dem Licht beaufschlagt wird, dass eine Komponente des Lichtes sich in Richtung der Stabachse fortpflanzt, wobei an einer oder beiden Stirnseiten des Stabes fotoelektrische Empfänger zur Umsetzung des empfangenen Lichtetromes in ein elektrisches Signal vorgesehen sind.

Derartige Vorrichtungen werden bevorzugt bei Abtastvorrichtungen verwendet, in denen ein scharf gebündelter Lichtstrahl, z.B. ein Laserstrah, eine Ebene abtastet, in der beispielsweise eine auf Fehle ? zu untersuchende durchlaufende Bahn geführt wird. Ein Teil des durch diese Ebene hindurch auf die Mantelfläche des Lichtleitstabes gela-ngenden Lichtes

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pflaozt aich aufgrund von Totalreflexionen im Inneren des Lichtleitstabes fort und gelangt zu dem bzw. den stirnseitig vorgesehenen fotoelektriachen Empfängern, die ein lichtstromabh&ngiges elektrisches Signal liefern. Dieses elektrische Signal kann verwendet werden, um eine Fehleranzeige zu liefern, einen Alarm auszulösen oder eine Maschine abzuschalten.

Ein Problem bei derartigen Vorrichtungen besteht darin, dass das an verschiedenen Stellen des Lichtleitstabes auffallende Licht unterschiedliche Wege bis zum Empfänger zurücklegen muss, wobei Inhomogenitäten im Material des Lichtleitstabes sowie Oberflächenverformungen, Kratzer und dergleichen bewirken, dass an unterschiedlichen Stellen des Stabes auftreffende gleiche Lichtmengen im Empfänger unterschiedliche Signale hervorrufen*

Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der der bzw. die fotoelektrischen Empfänger an den Stirnseiten des Lichtleitstabes im Falle des Auftreffens gleich starker Lichtstrahlen an unterschiedlichen Stellen der Länge des Stabes zu verschiedenen Zeiten weitgehend das gleiche Ausgangssignal liefern.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass das in den Stab eingedrungene und wieder zur Oberfläche gelangende Licht wenigstens an einigen Stellen der Stablänge durch an der Oberfläche und/oder ausserhalb des Stabes vorgesehene Lichtreflexions-, Lichtabsorptions- und/oder Lichtstreuanordnungen derart beeinflusst ist, dass/Öer zum Empfänger gelangende Lichtstrom einen von Störeinflüssen weitgehend unabhängigen, vorgegebenen Verlauf nimmt. Die Lichtreflexions-,

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Lichtabsorptions- und/oder Liohtatreuanordntingen werden erfindungsgemäss also ao dimensioniert und ausgebildet, dass durch Inhomogenitäten des lichtleitstabes, Oberflächenfehler oder auch sonstige Unvollkommenheiten des optischen Systems bedingte Veränderungen des Lichtstromes an dem bzw. den fotoelektrischen Empfängern kompensiert werden.

Um eine ausreichende Streuung von Licht mit einer Komponente in Achsenrichtung zu erhalten, ist der Lichtleitstab entlang des sich parallel zu einer Erzeugenden erstreckenden Bereiches, auf dender zu messende Lichtstrahl auffällt, vorzugsweise mattiert.

Vorzugsweise wird die Fehlerkompensation dadurch verwirklicht, dass auf der Oberfläche des Sta> 3 oder in einem Abstand davon eine lichtreflektierende Fläche vorgesehen ist, deren wirksame Erstreekung senkrecht zur Stabachse der erforderlichen Kompensation an dieser Stelle entspricht. Auf diese Weise wird ein mehr oder weniger grosser Teil des aus dem Stab austretenden Lichtes reflektiert und gelangt in den Stab zurück, derart, dass an anderer Stelle aufgetretene Verluste ausgeglichen werden.

Die Anordnung ist besonders wirksam und empfindlich, wenn die lichtreflektierende Fläche dem mattierten Bereich gegenüberliegt. Vorzugsweise ist die lichtreflektierende Fläche die Oberfläche eines Planspiegels.

Eine herstellungsmässig besonders bevorzugte Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, dass die lichtreflektierende Fläche eine konstante Breite aufweist, und durch eine die erforderliche effektive Breite verwirklichende Blonde an den verschiedenen Stellen ihrer Länge mehr oder weniger abgedeckt ist.

Um eine einfache Justierung der erfindungsgemässen Vorrichtung zu gewährleisten, besteht die Blende vorzugsweise aus diskreten Einzelblenden, wobei vorteilhafterweise jede Einzelblende individuell einstellbar ist. Aufgrund dieser Ausbildung kann beispielsweise durch Beobachtung eines mit dem elektrischen Ausgangesignal des fotoelektrischen Empfängers beaufschlagten Oszillographen solange an den Einzelblenden gestellt werden, bis der Abtastlichtstrahl ein konstantes Ausgangssignal lieferte Die Intensität des Abtastetrahls ist über die Abtastbreite nicht konstant, so dass erfindungsgemäss auch dieser Fehler kompensiert werden kann.

Vorteilhafterweise ist jede Einzelblende mit einer von aussen zugänglichen Schraubspindelanordnung einstellbar.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind ein fotoelektrischer Empfänger nur an einer Stirnseite und an der gegenüberliegenden Stirnseite ein Planspiegel angeordnet. Letzterer reflektiert das auftreffende Licht und lenkt es zum fotoelektrischen Empfänger.

Die Dimensionierung ist vorzugsweise so, dass die Breite der lichtreflektierenden Fläche geringer als der Durchmesser dee Stabes ist. Vorzugsweise besitzt die Breite der fläche einen Wert zwischen dem Radius und dem Durchmesser des Stabes.

Die Gesamtanordnung ist vorteilhafterweise in ein Gehäuse eingeschlossen, das an der Lichteintritteseite einen sich parallel zu der Stabachse erstreckenden Schlitz aufweist.

Der Lichtleitstab ist bevorzugt in den Stirnwänden des Gehäuses mit Abstand vom Boden desselben gehaltert, wobei

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der Spiegel und die Blenda am Boden des Gehäuses befestigt sind. Im allgemeinen ist der Licjtlsitstah "in Kreiszylinder mit ebenen Stirnflächen und der mattierte Bereich geradlinig. Vorzugsweise wird der mattierte Bereich periodisch von einem lichtstrahl, der bevorzugt ein Laserstrahl ist, abgetastet.

Die Erfindung wird vorzugsweise bei einer mit einem Lichtabtaststrahl arbeitenden Überwachungsvorrichtung verwendet.

Ein bevorzugtes Verfahren zum Justieren einer erfindungsgemässen Vorrichtung sieht vor, dass mittels der verstellbaren Einzelblenden zunächst die erforderlichen Reflöxionsbreiten an jeder Stelle festgestellt und dann die verstellbaren Blenden durch eine feststehende Blende ersetzt werden.

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

Fig. 1 einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemassen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Stirnansicht in etwas verkleinertem Maßstab, Fig. 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht und die

Fig. 4 bis 6 Stirnansichten bzw. Querschnitte weiterer Ausführungsf ormen .

Nach der Zeichnung ist in den Stirnwänden 22, 23 eines Gehäuses 20 ein Lichtleitstab 11 mit kreisförmigem Querschnitt und ebenen Stirnflächen gelagert, wobei die Enden des Stabes aus dem Gehäuse 20 heraueragan. Die Lagerung erfolgt nur an

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zwei möglichst wenig ausgedehnten Stellen 28, um die Totalreflexion möglichst wenig zu behindern.

Entlang eines parallel zu einer Erzeugenden verlaufenden Bereiches H ist der geradlinige Lichtleitstab mattiert. Die Mattierung kann durch Anschleifen oder Ätzen erzeugt sein.Oberhalb des mattierten Bereiches H weist das Gehäuse einen Schlitz 21 auf.

ITm das Gehäuse allseits abgeschlossen halten zu können und somit das Eindringen von Staub zu verhindern, ist das Gehäuse oben vorzugsweise durch eine durchsichtige Platte 25 abgeschlossen, die ausserhalb des Bereiches des Schlitzes 21 duxh eine Blende 26 für Licht undurchlässig gemacht ist.

Erfindungsgemäas erstreckt sich parallel zum Stab 11 am Boden 24 des Gehäuses 20 ein länglicher Planspiegel 12, der im Abstand von dem Lichtleitstab 11 angeordnet ist.

Zwischen dem Lichtleitstab 11 und dem Spiegel 12 erstreckt sich teilweise eine Blende 16, die durch eine Schraubspindelanordnung 17 derart verstellbar ist, dass sie sich entweder in den Spalt zwischen dem Lichtleitstab 11 und dem Spiegel hinein oder aus diesem heraus schiebt und so den Spiegel 12 mehr oder weniger abdeckt.

An der in Fig. 3 rechten Stirnseite des Lichtleitstabes ist unter Zwischenschaltung eines Filters 19 ein fotoelektrischer Empfänger 13 in einem Gehäuse 36 befestigt. Der Zweck des Filters 19 ist der, nur definierte Wellenlängen zum Empfänger 13 durchzulassen, wodurch Störlicht weitgehend ausgeschalxet werden kann. An der gegenüberliegenden Stirnseite des Stabes 11 ist ein Planspiegel 18 befestigt, der den zum Empfänger 13 gelangenden Lichtstrom verstärkt.

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In der Zeichnung ist ausserdem ein scharf gebündelter Laserstrahl 15 dargestellt, welcher den mattierten Be- ·!·«·! nVi 1 A im ffiwrxs riots Tlnnnei nf si 1 os i« T?-i σ. 'Ί naHn/i<a^h

abtastet. Das Licht wird an dem mattierten Bereich 14 gestreut, wodurch aiifgrund von Totalreflexion an den Wänden des Lichtleitstabas 11 ein Teil des Lichtes zu dem fotoelektrischen Empfänger 13 gelenkt wird.

Nach Pig. 3 ist die Blende 16 in verschiedene individuell einstellbare Einzelblenden 16a - 16i unterteilt.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung ist wie folgt:

Gremäss Pig. 1 verlässt jeweils ein Teil des in den Lichtleitstab 11 eingedrungenen Laserstrahles 15 den Lichtleitstab und gelangt in dessen Umgebung. Im Bereich des Spiegels 12 wird das aus dem Stab 11 austretende Licht jedoch zurückgeworfen und tritt erneut in den Stab ein. Je nach den Ein- und Austrittswinkeln kann dieses zurückgeworfene Licht wenigstens teilweise zum Empfänger 13 gelangen. In Abhängigkeit von der Einschubtiefe der Blende 16 bzw. der Einzelblenden 16a - 16i wird ein mehr oder weniger grosser Teil des ausgetretenen Lichtes in den Lichtleitstab 11 zurückgeworfen.

Tritt nun an irgendeiner Stelle entlang des Lichtleitstabes 1t ein LichtverluBt durch eine Inhomogenität oder einen Oberflächenfehler auf, so kann dieser durch Herausziehen der Blende 16 um ein definiertes Stück voll kompensiert werden.

Die Unterteilung der Blende 16 in Einzelblenden 16a - 16i kann in Abhängigkeit von dem für den Lichtleitstab 11 verwendeten Material vorgenommen werden. Ändern sich die Inhomo-

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genitäten auf kurzen Strecken atark, so sind mehr Einzelblenden vorzusehen, als wenn die Inhomogenitätsschwankungen nur über relativ grosae Strecken vorkommen.

Ist einmal die richtige Sinsteilung der Einzelblenden 16a 16i gefunden worden, so kann eine entsprechend auegebildete feststehende Blende an deren Stelle gesetzt werden· Sie verstellbaren Blenden können dann in einer weiteren Anordnung zur Justierung benutzt werden.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform in einer Querschnittsansicht, bei der der Lichtleitetab 11 keinen mattierten Bereich aufweist; statt dessen ist das Gehäuse Oben mit einer Mattscheibe 27 abgedeckt, die die erforderliche lichtstreuung mit Axialkompon -ite hervorruft* Diese Ausführungsform ist besonders wirtschaftlich herstellbar und dann bevorzugt, wenn eine ausreichende Lichtmenge zur Verfügung steht.

Die in Fig. 5 gezeigte Ausführungsform arbeitet mit auf gegenüberliegenden Seiten des Stabes 11 über Befestigungen 32 am Genauee 20 angebrachten flexiblen Bändern 29, die mittels im Gehäuse angeordneter Stellschrauben 31 entlang einer mehr oder weniger groseen Fläche 30 zur Anlage an den Lichtleitstab 11 gebracht werden können, um die Totalreflexion an der Fläche 30 in definierter Weise zu stören oder zu unterbinden und dadurch den erwünschten Kompensationseffekt zu erzielen.

Fig. 6 zeigt schematisch eine Ausführung, bei der ein Sendestrahl 15a auf eine zu kontrollierende Fläche 35, welche z.B. eine laufende Bahn sein kann, auftrifft und die Fläche 35 entlang einer senkrecht auf der Zeichenebene stehenden linie 34 abtastet. Die Auftrefflinie 34 wird mittels einer Zylinderlinse 33 auf dem mattierten Bereich 14 des Lichtleit-

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Stabes 11 abgebildet. Da die Zylinderlinse 33 den jeweils auf der Auftrefflinie 34 vorliegenden Lichtpunkt nicht
als Punkt- sondern als sich in Längsrichtung dea Stabes 11 erstreckendes mehr oder weniger ovales Gebilde abbildet, wird der durch die erfindungegemässe Vorrichtung bedingte Kompensationseffekt noch wesentlich verbessert.

- Patentansprüche -

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Claims (28)

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Messung der Intensität von nacheinander an unterschiedlichen Stellen einer Linie auftretendem Licht mit einem Lichtleitstab, der an verschiedenen Stellen seiner Länge von aussen in der Weise mit dem Licht "beaufschlagt wird, dass eine Komponente des Lichtes sich in Richtung der Stabachse fortpflanzt, wobei an einer oder beiden Stirnseiten des Stabes fotoelektrische Smpfänger zur Umsetzung des empfangenen Lichtstromes in ein elektrisches Signal vorgesehen sind, dadurch ge kennzeichnet , dass das in den Stab (11) eingedrungene und wieder zur Oberfläche gelangende Licht wenigstens an einigen Stellen der Stablänge durch an der Oberfläche und/oder ausserhalb des Stabes (11) vorgesehene Lichtreflexions-, Lichtabsorptions- und/oder Lichtstreuanordnungen (12) derart beeinflusst,ist, dass der zum Empfänger (13) gelangende Lichtstrom einen von Störeinflüssen weitgehend unabhängigen, vorgegebenen Verlauf nimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass der Lichtleitstab (11) entlang des sich parallel zu einer Erzeugenden erstreckenden Bereiches (H), auf den der zu messende Lichtstrahl (15) auffällt, mattiert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass auf der Oberfläche des Stabes oder in einem Abstand davon eine lichtreflektierende Fläche (12) vorgesehen ist, deren wirksame Erstreckung senkrecht

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zur Stabachse der erforderlichen Kompensation an dieser Stelle entspricht und welche dem Stab (11) zugewandt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 tind 3, detdurch g e k e η η zeichnet, das3 die lichtreflektierende Fläche (12) dem mattierten Bereich (14) gegenüberliegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4_f dadurch g e k e η η ζ e i c h η et , dass die lichtreflektierende Fläche die Oberfläche eines Planspiegels (12) ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet , dasa die lichtreflektierende Fläche (12) eine konstante Breite aufweist und durch eine die erforderliche effektive Breite verwirklichende Blonde (16) an den verschiedenen Stellen ihrer Länge mehr oder weniger abgedeckt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (16) aus diskreten Einzelblenden (16a bis 16i) besteht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, dass jede Einzelblende (16a bis 16i) individuell einstellbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einzelblende (16a bis 16i) mit einer von aussen zugänglichen Schraubspindelanordnung (17) einstellbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass ein fotoelektrischer Empfänger (13) nur an einer Stirnseite und an der gegenüberliegenden Stirnseite ein Planspiegel (18) angeordnet sind.

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11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet , dass die Breite der lichtreflektierenden Fläche (12) geringer als der Durchmesser des Stabes (11) ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Fläche (12) einen Wert zwischen dem Radius und dem Durchmesser des Stabes (11) besitzt.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Gesamtanordnung in ein Gehäuse (20) eingeschlossen ist, das an der Lichteintrittsseite einen sich parallel zur Stabachse erstreckenden Schlitz (21) aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtliitstab (11) in den Stirnwänden (22. 23) des Gehäuses (20) mit Abstand vom Boden desselben gehaltert ist und dass der Spiegel (12) und die Blende (16) am Boden (24) des Gehäuses (20) befestigt sind,

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der lichtleitstab (11) ein Kreiezylinder mit ebenen Stirnflächen und der mattierte Bereich (14) geradlinig ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der mattierte Bereich (14) periodisch von einem Lichtstrahl (15) abgetastet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl ein Laserstrahl ist.

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18.Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass sie bei einer mit einem Lichtabtaststrahl arbeitenden Überwachungsvorrichtung verwendet wird.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 18, dadurch gekennzeichnet , dass der Lichtleitstab (11) selbst an seiner Oberfläche glatt ist und die Lichtsteuung in Axialrichtung durch eine zwischen dem Lichtstrahl (15) und dem Stab (11) angeordnete Mattscheibe (27) bewirkt ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mattscheibe (27) gleichzeitig als Deckel für das Gehäuse (20) dient.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüehe 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitstab (11) in den Stirnwänden (22, 23) nur an zwei schmalen Lagersteilen (28) gehaltert ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichn e t , dass die Lagerstellen (28) bezüglich der Stabachse einen Winkelabstand von ca. 90° haben und symmetrisch zur vertilä-en Mitteilängsebene des Stabes (11) liegen.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 10 und 13 bis

22, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Lichtleitstab (11) mindestens ein sich in Längsrichtung erstreckendes flexibles Band (29) angeordnet ist, welches an den verschiedenen Stellen der Länge des Stabes (11) mit einer mehr oder weniger grossen Fläche in einer die Totalreflexion an dieser Fläche des Stabes beeinträchtigenden oder unterbindenden Weise an der Staboberfläche anliegt.

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24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch ge k e η η -zeichnet, dass an zwei gegenüberliegenden Seiten Bänder (29) vorgesehen sind.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24 -, Oaduroti gekennzeichnet, dass entlang der Stablänge Stellschrauben (31) im Gehäuse (20) angeordnet sind, mittels der die Bänder (29) in definierter Weise an die Staboberfläche andrückbar sind.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeetigungsstellen (32) der Bänder (29) am Gehäuse (20) derart angeordnet sind, dass sich die Bänder (29) beim Eindrehen der Stellschrauben (31) stetig mehr und mehr um den Stab (11) herum anlegen.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Bänder (29)entlang der Stablänge in zahlreiche Einzelstücke unterteilt sind, von denen jedes individuelle einstellbar ist.

28. Vorrichtung insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum lichtleitstab (11) eine Zylinderlinse (33) der gleichen Länge wie der lichtleitstab angeordnet ist, welche die Auftrefflinie (34) eines Abtastlichtstrahles (15a) auf einer zu überwachenden Fläche (35) auf den mattierten Bereich (14, 27) am Mchtleitstab (11) abbildet.

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