DE20004803U1

DE20004803U1 - Vorrichtung zur Detektion von Flachgutkanten

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Publication number: DE20004803U1
Application number: DE20004803U
Authority: DE
Original assignee: MTE MESSGERAETE ENTWICKLUNGS U
Current assignee: Sensor-Tech Messtechnik At GmbH
Priority date: 2000-03-16
Filing date: 2000-03-16
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2010-03-17

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion einer Flachgutkante, z.B. einer Papierbogen-Kante, mit einer Sammellinse, einer in der optischen Achse der Sammellinse angeordneten, im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle, einer Strahlteiler-Einheit, die eine Transmissions-Eingangsöfmung, eine Reflexions-Ausgangsöffhung und eine Transmissions-Ausgangs- und Reflexions-Eingangsöffhung umfaßt, und einem optischen Sensorelement, an das eine Komparator-Einheit angeschlossen ist, wobei die im wesentlichen punktförmige Lichtquelle im Abstand der doppelten Brennweite der Sammellinse von dieser entfernt und die Strahlteiler-Einheit zwischen der im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle und der Sammellinse angeordnet ist, und wobei das optische Sensorelement auf die Reflexions-Ausgangsöffhung der Strahlteiler-Einheit gerichtet ist.

Bisher bekannte Einrichtungen zur Detektion von Flachgutkanten beruhen in den meisten Fällen auf dem Meßprinzip der optischen Triangulation, bei dem ein schräg auf das Flachgut einfallender Lichtstrahl reflektiert und in einem in Reflexionsstellung angeordneten, optischen Sensorelement detektiert wird. Während des Detektionsvorganges wird entweder das Flachgut oder die Detektionsvorrichtung bewegt. Die auf diese Weise lokalisierbare Kante hat aufgrund des schrägen Lichteinfalls einen relativ unscharfen Intensitätsverlauf im optischen Sensorelement zur Folge, woraus sich eine relativ hohe Ungenauigkeit und eine geringe Empfindlichkeit bei der Bestimmung der Lage der Kante gegenüber dem einfallenden Lichtstrahl ergibt.

Ein weiteres Problem bekannter Kantendetektions-Vorrichtungen besteht darin, daß bei einem Untergrund aus gleichartigem Material oder bei sehr kontrastarmem Flachgut, z.B. bei Glasplatten, die Kantendetektion erschwert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Detektions-Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der eine sehr empfindliche und sehr genaue Kantenerkennung des Flachguts verwirklicht werden kann.

Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Detektions-Vorrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe Kanten auch auf sehr kontrastarmem Untergrund erkennbar sind.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß auf der der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite der Sammellinse im Abstand der doppelten Brennweite von der Sammellinse entfernt ein Bereich zur Detektion der Flachgutkante ausgebildet ist, wobei beim Auftreffen des im Detektionsbereich fokussierten Lichtstrahls der im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle auf eine Kante einer mit einem Normalabstand in der Größe der doppelten Brennweite von der Sammellinse entfernten Flachgutoberfläche die von der Flachgutkante reflektierte Lichtintensität ein Sensorsignal hervorruft, das einen vorbestimmbaren Schwellwert der Komparator-Einheit überschreitet.

Durch die Fokussierung des von der punktförmigen Lichtquelle ausgesandten Lichtes im Abstand der doppelten Sammellinsen-Brennweite von der Sammellinse wird erreicht, daß das gesamte von der Flachgutkante durch die Sammellinse zurückreflektierte

Licht im optischen Sensorelement konzentriert wird. Eine nicht exakt im rechten Winkel zur Flachgutoberfläche vorgenommene Ausrichtung der optischen Achse der Sammellinse hat daher nur schwache Auswirkungen auf die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die im wesentlichen punktfbrmige Lichtquelle durch eine Laser-Diode und das optische Sensorelement durch einen Photo-Transistor oder eine Photo-Diode gebildet sind.

Eine Laser-Diode stellt eine für die Anwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehr gute Näherung einer punktförmigen Lichtquelle dar, während ein Photo-Transistor oder eine Photo-Diode sehr gut auf die Wellenlänge des von der Photo-Diode ausgesandten Lichtes abgestimmt werden kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausfuhrungsbeispiele eingehend erläutert. Es zeigt dabei

Fig.l eine schematische Darstellung des Strahlengangs bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig.2 eine schematische Darstellung des Wirkungsprinzips einer Kantendetektions-Vorrichtung gemäß Stand der Technik;

Fig.3 eine schematische Darstellung des Wirkungsprinzips der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig.4 eine seitliche Ansicht einer PapierbefÖrderungs-Einrichtung mit einer weiteren Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig.5 eine teilweise Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig.4.

Fig.l zeigt eine Vorrichtung zur Detektion der Kante eines Flachguts 5, welche aus einer Sammellinse 4, einer in der optischen Achse 20 der Sammellinse 4 angeordneten, im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle 1, einer Strahlteiler-Einheit 3 und einem optischen Sensorelement 2 besteht, welches das auf dieses auftreffende Licht in ein elektrisches Signal wandelt und an eine Komparator-Einheit 19 angeschlossen ist. In der Komparator-Einheit 19 kann ein vorbestimmbarer Schwellwert eingestellt werden, dessen Überschreiten erkannt und an ein Steuersystem weitergeleitet wird, sodaß bei geeigneter Wahl des Schwellwertes das Vorhandensein einer Flachgutkante erkennbar ist.

Die optische Achse 20 ist im wesentlichen normal auf das zu detektierende Flachgut 5 gerichtet, das eine direkt oder diffus reflektierende Oberfläche aufweist. Für eine Detektion geeignetes Flachgut ist beispielsweise ein Papierbogen, eine Glasplatte, eine Kunststoffolie oder ähnliches direkt oder diffus reflektierendes Material. Über die Detektion der Kante kann etwa die relative Lage eines in Bewegung befindlichen Flachgutes gegenüber einem ruhenden Koordinatensystem oder z.B. der Konturenverlauf eines ruhenden Flachgutes mit Hilfe einer bewegten Detektionsvorrichtung bestimmt werden, indem die Detektionsvorrichtung mit einer die Flachgutkante abtastenden Zick-Zack-Bewegung entlang des Umrisses des Flachgutes geführt und bei jeder Kantendetektion die Koordinaten gespeichert und daraus der Verlauf des Umrisses berechnet wird.

Bei der in Fig.l gezeigten Ausführungsform ist die im wesentlichen punktförmige Lichtquelle durch eine Laser-Diode 1 gebildet, die im Abstand der doppelten Brennweite 2f der Sammellinse 4 von dieser entfernt angeordnet ist.

Eine zwischen der Laser-Diode 1 und der Sammellinse 4 angeordnete Strahlteiler-Einheit 3 weist z.B. in ihrem Inneren einen um 45° gegen die optische Achse 20 geneigten, halbdurchlässigen Spiegel 7 auf, der den von der Laser-Diode 1 ausgehenden Strahlkegel bis auf eine Intensitätschwächung ungehindert passieren läßt. Andere bekannte Methoden der Strahlteilung, z.B. ein Prismen-Strahlteiler, können ebenso angewandt werden.

Es tritt das von der Laser-Diode 1 symmetrisch um die optische Achse 20 ausgestrahlte Licht durch eine Transmissions-Eingangsöffhung 8 in die Strahlteiler-Einheit 3 ein, verläßt diese durch eine Transmissions-Ausgangs- und Reflexions-Eingangsöffnung 9 und wird durch die Sammellinse 4 auf einen im Abstand der doppelten Brennweite 2f entfernten Punkt auf der der punktförmigen Lichtquelle 1 gegenüberliegenden Seite der Sammellinse 4 fokussiert, der erfindungsgemäß einen Detektionsbereich 32 definiert.

Das von der Sammellinse 4 fokussierte Licht wird vom Flachgut 5, dessen Oberfläche im wesentlichen normal zur optischen Achse 20 orientiert ist, in die Transmissions-Ausgangs- und Reflexions-Eingangsöffnung 9 des Strahlteilers 3 zurückreflektiert bzw. zurückgestreut. Ein Teil des zurückreflektierten bzw. zurückgestreuten Lichtes wird am halbdurchlässigen Spiegel 7 reflektiert und gelangt über die Reflexions-Ausgangsöffhung 10 des Strahlteilers 3 in das normal zur optischen Achse 20 ausgerichtete Lichtsensorelement, das im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel durch einen Photo-Transistor 2 oder eine Photo-Diode gebildet und das - entlang der optischen Achse der Sammellinse 4 und entlang der optischen Achse des Sensorelements 2 gemessen - im Abstand der doppelten Brennweite 2f von der Sammellinse 4 angeordnet ist.

Der Photo-Transistor 2 oder die Photo-Diode wandelt das auf ihn auftreffende Licht in ein elektrisches Signal um und führt es der Komparator-Einheit 19 zu, in der das Sensorsignal mit einem Schwellwert verglichen wird.

Liegt eine diffus oder direkt reflektierende Oberfläche eines Flachgutes genau im Abstand 2f von der Sammellinse 4 entfernt vor, so tritt das zurückreflektierte bzw. zurückgestreute Licht im Photo-Transistor 2 mit einer im Vergleich zu anderen Normalabständen sehr viel größeren Intensität auf und überschreitet die Komparatorschwelle.

Auf diese Weise kann das Eintreten einer Flachgut-Kante in den Detektionsbereich 32 detektiert werden.

Durch die besondere Wahl der Strahlgeometrie wird erreicht, daß das gesamte in einem durch den Durchmesser der Sammellinse 4 definierten Winkelbereich reflektierte Licht auf das optische Sensorelement 2 fokussiert wird. Dadurch wird das reflektierte Licht in einem bestimmten Bereich unempfindlich gegen eine nicht exakt im rechten Winkel vorliegende Ausrichtung der optischen Achse gegenüber der zu detektierenden Oberfläche.

Außerhalb des durch die Entfernung 2f der doppelten Brennweite definierten Detektionsbereiches 32 nimmt die in das optische Sensorelement 2 zurückreflektierte bzw. zurückgestreute Lichtintensität quadratisch mit dem Abstand vom Fokussierungspunkt ab, sodaß der vorbestimmte Schwellwert der Komparator-Einheit 19 nicht überschritten wird.

Eine Flachgutkante, die in einem größeren oder kleineren Abstand von der Sammellinse 4 in den Detektionsbereich 32 eintritt, wird daher eine relativ kleine Lichtintensität im optischen Sensorelement 2 verursachen und das vom Sensorelement 2 abgegebene Signal wird den Schwellwert der Komparator-Einheit 19 nicht überschreiten. Bei geeigneter Wahl des Schwellwertes kann somit erreicht werden, daß nur Flachgutkanten im Bereich des Abstandes der Linsenbrennweite 2f detektiert werden.

Die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist so hoch, daß selbst eine Entfernungsabweichung in der Größenordnung von einer Papierbogenstärke erkennbar ist, weswegen es auch möglich ist, auf anderen Papierbögen der gleichen Papierqualität aufliegende Papierbogenränder zu detektieren. Das gleiche gilt für die Detektion von Glasplatten, Kunststoffolien o.a. auf mattem Untergrund.

Fig.2 zeigt den Strahlengang einer bekannten optischen Kantendetektions-Vorrichtung, die auf dem Prinzip der Triangulation beruht. Ein zur Oberfläche des zu detektierenden Flachgutes geneigt einfallendes, aus parallelen Lichtstrahlen gebildetes Bündel wird auf der Flachgutoberfläche reflektiert bzw. gestreut und von einem in entsprechender Reflexionsstellung angeordneten optischen Sensorelement detektiert. Wie aus Fig.2 ersichtlich, ergibt sich aufgrund des schrägen Lichteinfalls nur ein relativ unscharfer Übergang von der Reflexionsrichtung A auf die Reflexionsrichtung B und daher z.B. bei schnell bewegtem Flachgut eine relativ hohe Unsicherheit bei der Erkennung der Flachgutkante.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsteht hingegen nur dann eine hohe zurückgestreute Intensität, wenn die Oberfläche des Flachgutes 5 in der Entfernung der doppelten Linsenbrennweite 2f liegt, während der Lichtkegel des durch die Sammellinse 4 fokussierten Lichtstrahls außerhalb dieser Entfernung dafür sorgt, daß die auftreffende Lichtintensität nicht mehr punkt- sondern scheibchenfbrmig verteilt ist und daher im optischen Sensorelement 2 eine stark herabgesetzte reflektierte Intensität auftritt.

Fig.4 zeigt ein Anwendungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Aufeinander aufliegende Papierbögen, von denen zwei Papierbögen 5, 6 in Fig.4 dargestellt sind, werden nacheinander über zwei gegenüberliegende, gegenläufig rotierende Walzen 10, 11 einer nicht dargestellten Druckeinrichtung zugeführt, wobei benachbarte Papierbögen jeweils um einen bestimmten Abstand zueinander versetzt sind, um so nacheinander in den Einzug der Druckeinrichtung zu gelangen. Für eine gute Druckqualität ist eine sehr genaue Ausrichtung der vorderen Papierbogen-Kanten in einem rechten Winkel zur Vorschubrichtung entscheidend. Bei einer Fehlorientierung des Papierbogens 5, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, wird die Detektionsvorrichtung 21' als erste und die Detektionsvorrichtung 2&Ggr;" als letzte die Kante des Papierbogens 5 melden. Aus dieser zeitlichen Versetzung kann der Grad der Fehlorientierung des Papierbogens 5 berechnet und entsprechende Gegenmaßnahmen bei der weiteren Papierbeförderung eingeleitet werden. Aus diesem Grund ist eine sehr exakte Kantenerkennung erforderlich, da bei hohen Papierfördergeschwindigkeiten bereits geringe Fehler der Kantendetektion eine hohe Fehlorientierung bedeuten.

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Weiters tritt bei der in Fig.4 und 5 gezeigten Walzenanordnung das Problem auf, daß die Kante des Papierbogens 5 auf dem durch den Papierbogen 6 gebildeten Hintergrund erkannt werden muß, was eine Erkennung z.B. auf der Basis von elektronischer Bildverarbeitung aufgrund des geringen vorhandenen Kontrasts unmöglich macht. Durch die sehr empfindliche Fokussierungsbedingung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Kante eines Papierbogens vor dem Hintergrund eines gleichartigen Papierbogens detektiert werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Detektion einer Flachgutkante, z. B. einer Papierbogen-Kante, mit einer Sammellinse (4), einer in der optischen Achse (20) der Sammellinse (4) angeordneten, im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle (1), einer Strahlteiler-Einheit (3), die eine Transmissions-Eingangsöffnung (8), eine Reflexions-Ausgangsöffnung (10) und eine Transmissions-Ausgangs- und Reflexions-Eingangsöffnung (9) umfaßt, und einem optischen Sensorelement (2), an das eine Komparator-Einheit (19) angeschlossen ist, wobei die im wesentlichen punktförmige Lichtquelle (1) im Abstand der doppelten Brennweite (2f) der Sammellinse (4) von dieser entfernt und die Strahlteiler-Einheit (3) zwischen der im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle (1) und der Sammellinse (4) angeordnet ist, und wobei das optische Sensorelement (2) auf die Reflexions-Ausgangsöffnung (10) der Strahlteiler-Einheit (3) gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Lichtquelle (1) gegenüberliegenden Seite der Sammellinse (4) im Abstand der doppelten Brennweite (2f) von der Sammellinse (4) entfernt ein Bereich (32) zur Detektion der Flachgutkante (31) ausgebildet ist, wobei beim Auftreffen des im Detektionsbereich (32) fokussierten Lichtstrahls der im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle (1) auf eine Kante einer mit einem Normalabstand in der Größe der doppelten Brennweite (2f) von der Sammellinse (4) entfernten Flachgutoberfläche die von der Flachgutkante reflektierte Lichtintensität ein Sensorsignal hervorruft, das einen vorbestimmbaren Schwellwert der Komparator-Einheit (19) überschreitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen punktförmige Lichtquelle durch eine Laser-Diode (1) und das optische Sensorelement durch einen Photo-Transistor (2) oder eine Photo-Diode gebildet sind.