DE2559881C3 - Optische Vorrichtung mit vorhangartig hin- und herbewegtem Lichtstrahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung mit vorhangartig hin- und herbewegtem Lichtstrahl, der vom Abtastobjekt durchgelassen oder reflektiert wird und in einen in Abtastrichtung verlaufenden Lichtleitstab gelangt, der auf der der Einfallsmantellinie gegenüberliegenden Seite zick-zack-förmig aneinandergereihte, unter mindestens dem Totalreflexionswinkel ablenkende Spiegelflächen aufweist, nach Patent 25 08 366.

Eine optische Vorrichtung mit einem Lichtleitstab, der auf seiner der Lichteinfalbseite diametral gegenüberliegenden Mantelfläche eine im Vergleich zum Stabquerschnitt schmale Spiegelanordnung von auf einer achsparallelen Geraden liegenden, gleichen Einzelspiegeln trägt, welche unter einem solchen Winkel zur Stabachse angeordnet sind, daß senkrecht zur Stabachse auftreffendc Lichtstrahlen unter einem unterhalb des Totalreflexionsgrenzwinkels liegenden Winkel zur Stabachse reflektiert werden, ist erstmals in den Ansprüchen 23 bis 25 des Patentes 25 08 366 unter Schutz gestellt worden. Der Vorteil dieser insbesondere bei einem runden Lichtleitstab zweckmäßigen Maßnahmen ist der, daß das in den Lichtleitstab eintretende Licht fast vollständig zu dem an einer Stirnseite vorgesehenen Photoempfänger geleitet wird.

Aufgrund der exakt spiegelnden Reflexion an den einzelnen Spiegelflächen kommen am Photoempfänger jedoch relativ scharf gebündelte Lichtstrahlen an, welche aufgrund der Abtastbewegung des Abtastlichtstrahles am Photoempfänger ständig ihre Lage verändern, so daß ein stark bewegtes Lichtmuster entsteht. Ein von diesen Lichtmusterschwankungen unabhängiges elektrisches Ausgangssignal kann daher nur erhalten werden, wenn ein Photoempfänger verwendet wird, dessen Empfindlichkeit über die gesamte Fläche konstant ist. Derartige Photoempfänger sind jedoch sehr aufwendig in der Herstellung. Hinzu kommt, daß zur Kleinhaltung der durch die Stufenspiegelanordnung bedingten Störung in dem Lichtleitvermögen des Lichtleitstabes im Zusammenhang mit dieser Stufenspiegelanordnung bevorzugt runde Lichtleitstäbe relativ großen Durchmessers verwendet werden. Der Photoempfänger an der Stirnseite muß dementsprechend großflächig sein. Großflächige Photomultiplier sind aber ebenfalls sehr teuer.

Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, eine optische Vorrichtung der eingangs genannten Gattung so zu verbessern, daß für den Empfang des aus der Stirnseite des Lichtleitstabes austretenden Meßlichtes auch ein kleinflächiger Photoempfänger mit ungleicher

ίο Empfindlichkeitsverteilung über seine Fläche verwendet werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß an wenigstens ein Ende des Lichtleitstabes eine Ulbricht'sche Kugel angeschlossen ist und diese an einer anderen Stelle mit dem zum Photoempfänger führenden Ausgang versehen ist. Durch die Ulbricht'sche Kugel wird das von dem stark bewegten Lichtmuster an der Stirnseite des Lichtleitstabes kommende Licht so vergleichmäßigt, daß der Photoempfänger von einem weitgehend gleichmäßigen Lichtstrom beaufschlagt wird. Da das gestreute Licht alle Flächenbereiche der Ulbricht'schen Kugel gleichmäßig ausleuchtet, kann der Photoempfänger ohne Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit so kleinflächig ausgebildet werden, wie das zur Erzeugung eines ausgeprägten elektrischen Signals noch hinnehmbar ist. Es ist auf jeden Fall nicht erforderlich, die Größe des Photoempfängers der Flächengröße der Stirnfläche des Lichtleitstabes anzupassen.

Eine besonders gute Lichtvergleichmäßigung wird erzielt, wenn der direkte Lichtweg vom Lichteingang zum Lichtausgang durch eine Blende unterbrochen ist. Weiter sollen die Lichteintritts- und -austrittsöffnung der Ulbricht'schen Kugel vorzugsweise im rechten Winkel zueinander stehen.

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

Fig. la, Ib und Ic eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zeilentastvorrichtung, wobei die drei Figuren an den Stellen A und ßaneinandergesetzt zu denken sind,

Fig. Id eine Ansicht in Richtung des Pfeiles D in ■ F i g. 1 a und

F i g. 2 eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht nach Linie H-II in Fig. Ic.

Nach F i g. 1 a und 1 d tritt der Lichtstrahl eines Lasers 11 durch eine Zylinderlinse 22 mit einer Brennweite von z. B. 50 mm und eine dazu gekreuzt angeordnete weitere Zylinderlinse 32 mit einer Brennweite von z. B.

so 5 mm in das erfindungsgemäß vorgesehene Zylinderlinsenraster 21 ein, welches in einem etwas geringeren Abstand vom Objektiv 12 als dessen Brennweite / angeordnet ist. Das Raster kann im Sinne des Doppelpfeils P verschiebbar sein, so daß es auch im Brennpunkt oder in definiertem Abstand von diesem liegen kann.

Nach Fig. Ib befindet sich hinter dem Objektiv 12 ein die Lichtablenkvorrichtung bildendes Spiegelrad 13, welches in Fig. la, Ib ebenfalls angedeutet ist, um die erfindungswesentliche Lage seiner Achse in bezug auf die Achsen der Zylinderlinsen 22, 32 zu definieren. Die Achse des Spiegelrades 13 ist etwas gekippt, damit das reflektierte Licht auf einen länglichen Planspiegel 14 fallen kann, welcher neben der Lichtsende-Anordnung ί aufgestellt ist und sich senkrecht zur Zeichenebene über die gesamte Breite der Vorrichtung (entsprechend der Breite der Materialbahn bzw. dem Abtastbereich des Spiegelrades) erstreckt. Aus Gründen einer gedrängten

zeichnerischen Darstellung ist die JCippung des Spiegelrades 13 in F i g. Ib stark übertrieben dargestellt.

Das von dem streifenförmigen Planspiegel 14 reflektierte Licht gelangt auf einen weiteren streifenförmigen Planspiegel 14' am anderen Ende der Vorrichtung und von dort durch Reflexion schräg nach unten (eine Reflexion schräg nach oben wäre ebensogut möglich) zu einem Kugel- oder Zylinderspiegel 14" mit in der Zeichenebene liegender Achse, dessen Brennpunkt bi.-w. Brennlinie sich auf der beleuchteten Oberfläche des Spiegelrades 13 befindet Das Objektiv 12 und der Zylinderspiegel 14" konzentrieren das Licht zusammen mit einer unmittelbar vor der Materialbahn M(F i g. Ic) angeordneten Zylinderlinse 15, deren Achse senkrecht auf der Zeichenebene steht und deren Brennlinie sich auf der Oberfläche der Materialbahn M befindet auf eine Stelle 16. Ein exakter Lichtfleck würde nur vorliegen, wenn das Zylinderlinsenraster 21 genau im Abstand der Brennweite / vom Objektiv 12 (gestrichelte Darstellung in Fig. Id) angeordnet wäre, was durchaus möglich ist Durch eine definierte Verschiebung vom Brennpunkt gemäß F i g. Id entsteht ein Lichtstrich in Richtung des Pfeiles P auf der Materialbahn, was durch den strichpunktiert dargestellten Strahlengang angedeutet ist. Der Lichtfleck 16 bzw. der Lichtstrich bewegt sich bei Drehung des Spiegelrades 13 in Fig. Ic senkrecht zur Zeichenebene auf der Materialbahn M hin und her. Die Materialbahn M bewegt sich ihrerseits in Richtung des Pfeiles P, d. h. senkrecht zur Abtastrichtung, welche in F i g. 2 durch einen Doppelpfeil s angedeutet ist.

Vorzugsweise unter dem Reflexionswinkel zum Eintrittslichtstrahl ist eine Licht-Empfangsanordnung 17 in der Nähe der Materialbahn M vorgesehen, welche aus einer sich parallel zur Zylinderlinse 15 erstreckenden weiteren geteilten Zylinderlinse 28 und einem Lichtleitstab 18 besteht, dessen Achse ebenfalls parallel zu den Achsen der Zylinderlinsen 15, 23 verläuft. Die Brennweite der Zylinderlinse 28 ist unter Berücksichtigung der Brechkraft des Lichtleitstabs 18 so gewählt, daß das Lichtbündel gemäß Fig. Ib auf einer der Lichteintrittsseite diametral gegenüberliegenden Mantelseite angeordneten Stufenspiegelanordhung 20 konzentriert wird, deren Aufbau im einzelnen aus F i g. 2 ersichtlich ist

Die Stufenspiegelanordnung besteht aus einzelnen Planspiegeln 29, welche entweder gemäß der linken Hälfte der Fig.2 zu einer Sägezahnanordnung oder gemäß der rechten Hälfte der F i g. 2 zu einer Dachanordnung zusammengesetzt sind. In jedem Fall sind die Winkel der Planspiegel 29 relativ zur Achse des Lichtleitstabes 18 so zu wählen, daß an ihnen reflektiertes Licht unter dem Winkel der Totalrefiexion auf die gegenüberliegende Wand des Lichtleitstabs 18 auftreffen, so daß die in F i g. 2 gestrichelt wiedergegebenen Strahlenverläufe erzielt werden.

Am in Fig.2 rechten Ende des Lichtleitstabes befindet sich eine Verspiegelung 27, während an der linken Stirnseite eine Ulbricht'sche Kugel 26 vorgesehen ist, an deren Innenwand das eintretende Licht in der to gestrichelt angedeuteten Weise gestreut wird. Unter einem rechten Winkel zur Lichteintrittsseite 30 ist in einer z. B. quadratischen Öffnung 31 die lichtempfindliche Oberfläche eines Photoempfängers 19 angeordnet. Zwischen Lichteingang 30 und Lichtausgang 31 befindet b5 sich eine Blende 25, die den direkten Lichtübergang vom Eingang zum Ausgang verhindert.

Nach den F i g. 1 c und 2 ist zwischen der Materialbahn bund der Zylinderlinse 28 ein weiteres Zylinderlinsenraster 23 angeordnet dessen einzelne negative Zylinderlinsen 24 mit ihren Achsen senkrecht zur Achse des Lichtleitstabs 18 stehen.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Zeilenabtastvorrichtung ist wie folgt:

Ohne das Zylinderlinsenraster 21 nach Fig. la, Id würde der Strahlengang des Lasers 11 das Objektiv 12 und die gerade reflektierende Fläche des Spiegelrades 13 in Richtung der Spiegelradachse nicht gleichmäßig ausleuchten. Das Strahlenbündel würde beispielsweise so verlaufen, wie das in den Fig. la und Ib in gestrichelten Linien dargestellt ist Insbesondere bei weitgehend spiegelnder Reflexion an der Materialbahn M wird ein recht schmales Lichtbündel auf die Stufenspiegelanordnung 20 auffallen, so daß das innerhalb des Stabes totalreflektierte Licht zwei- oder mehrfach auf die Spiegelanordnung 20 fällt was unerwünscht ist.

Aufgrund der Anordnung des Zylinderlinsenrasters 21 wird jedoch der aufgefächerte Strahlengang erzielt, der in ausgezogenen Linien in F i g. 1 wiedergegeben ist Wie sich insbesondere aus Fi g. Ic ergibt, fällt aufgrund dieser Ausbildung das Licht auf die Stufenspiegelanordnung 20 unter sehr verschiedenen Winkeln relativ zur Tangente an den Stab 18 am Orte der Stufenspiegelanordnung 20, so daß reflektiertes und totalreflektiertes Licht weitgehend nicht mehr auf die Stufenspiegelanordnung 20 zurückgelangt und so durch mehrfache Totalreflexion zum Stabende gelangt, wo die Messung (oder Reflexion) erfolgt.

Die Wirkung des weiteren Zylinderlinsenrasters 23 ergibt sich besonders anschaulich aus F i g. 2. Während ohne dieses zusätzliche Zylinderlinsenraster 23 im wesentlichen der vom Lichtfleck 16 nach oben ausgehende gestrichelt dargestellte Lichtstrahl mit der Breite a vorliegen würde, fächert das Zylinderlinsenraster 23 das Lichtbündel derart auf, daß es z. B. mit der Breite b auf die Stufenspiegelanordnung 20 auffällt. Die Breite b ist so gewählt, daß auf jeden Fall zwei oder vorzugsweise noch mehr Planspiegel 29 gleichzeitig von dem Bündel beaufschlagt werden. Auf diese Weise wird der Einfluß der Grundfrequenz des Spiegelrasters bei der Abtastung weitgehend ausgeschaltet.

Die durch die unregelmäßigen Reflexionen innerhalb des Lichtleitstabes 18 bedingten Unregelmäßigkeiten an den Stirnseiten des Lichtleitstabes 18 werden durch die Anordnung der Ulbricht'schen Kugel 26 ausgeschaltet, welche das aus der Stirnseite des Lichtleitstabs 18 austretende Licht an jedem Auftreffpunkt in alle Richtungen streut, so daß bis zum Erreichen des Photoempfängers 19 eine weitgehende Homogenisierung erzielt ist.

Die Erfindung führt demnach nicht nur zu einer sehr erheblichen Lichtausbeute, sondern vermeidet auch gleichzeitig die nachteiligen Einflüsse von Inhomogenitäten. Als besonders vorteilhaft ist herauszustellen, daß durch eine geringe Verschiebung des Zylinderlinsenrasters 21 in Richtung des Objektivs 12 aus dem Brennpunkt heraus auf der Materialbahn M ein Lichtstrich in Bewegungsrichtung P erhalten wird, welcher sich zu einer empfindlichen Wiedergabe von Längskratzern im am Ausgang des Photoempfängers 19 erhaltenen elektrischen Signal eignet.

Eine vereinfachte Ausführungsform kann bei noch ausreichender Empfindlichkeit auch ohne das Linsenraster arbeiten, wobei dann jedoch die gekreuzten Zylinderlinsen 22,32 von besonderer Bedeutung sind.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Optische Vorrichtung mit vorhangartig hin- und herbewegtem Lichtstrahl, der vom Abtastobjekt durchgelassen oder reflektiert wird und in einen in Abtastrichtung verlaufenden Lichtleitstab gelangt, der auf der der Einfallsmantellinie gegenüberliegenden Seite zick-zack-förmig aneinandergereihte, unter mindestens dem Totalreflexionswinkel ablenkende Spiegelflächen aufweist, nach Patent 25 08 366, dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens ein Ende des Lichtleitstabes (18) eine Ulbricht'sche Kugel (26) angeschlossen ist und diese an einer anderen Stelle mit dem zum Photoempfänger (19) führenden Ausgang versehen ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der direkte Lichtweg vom Lichteingang zum Lichtausgang durch eine Blende (25) unterbrochen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintritts- und -austrittsöffnung der Ulbricht'schen Kugel im rechten Winkel zueinander stehen.