DE2808360A1

DE2808360A1 - Optische vorrichtung zur bestimmung des lichtaustrittswinkels

Info

Publication number: DE2808360A1
Application number: DE19782808360
Authority: DE
Inventors: Erwin 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: 1979-08-30
Also published as: JPS6234097B2; US4227091A; SE434780B; SE7901692L; JPS54154341A; GB2015728A; DE2808360C3; DE2808360B2; GB2015728B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur getrennten Erfassung von Lichtstrahlen, die unter verschiedenen Winkeln von einer mit einem Lichtpunkt abgetasteten Oberfläche ausgehen.

Es ist bereits bekannt (DE-OS 21 15 979), z.B. auf Fehler zu überwachende laufende Papier- oder Stoffbahnen mittels eines von einem Laser stammenden Lichtstrahls quer zu ihrer Laufrichtung fortwährend abzutasten, über die Bahn bewegt sich also ein Lichtpunkt ,von dem je nach Art der Oberfläche bzw. der Fehlerstelle Licht in unterschiedlichen Richtungen zurückgeworfen wird. Insgesamt wird das vom Lichtpunkt ausgehende Licht in einem Raumwinkel zurückgeworfen, wobei die Intensität der Lichtstrahlen in den einzelnen Richtungen insgesamt charakteristisch für den Zustand der Oberfläche ist. Es ist schon bekannt, daß die den Lichtpunkt überwachenden Empfangsanordnungen, welche meistens einen sich parallel zur Abtastrichtung erstreckenden Lichtleitstab sowie eine davor angeordnete Zylinderlinse umfassen, unter verschiedenen Winkeln angeordnet 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 Abtastlichtflecke besteht darin, daß der Empfang 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 1 573 4-96) auf. Hier werden zu flächenartigen Gebilden zusammengefaßte Lichtleiter mit ihrer Stirn-

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seite 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 erkennbaren Winkelbereiche beschränkt.

Es ist auch bereits eine optische Vorrichtung zur Bestimmung des Lichtaustrittswinkels bekanntgeworden (DE-OS 25 32 6O3), bei der eine Stufenspiegelanordnung die unter unterschiedlichen Winkeln von der Oberfläche ausgehenden Lichtstrahlen auf eine Anordnung von einzelnen Photoempfängern lenkt, und zwar derart, daß ein bestimmter einzelner Photoempfänger immer nur von dem Licht aus einem eng begrenzten Winkelbereich erfaßt wird.

Die bekannte Vorrichtung ist zwar aufgrund der Verwendung einer beispielsweise an einem Lichtleitstab angeordneten Stufenspiegelanordnung und nur einer einzigen Gruppe von Photοempfängerη relativ einfach aufgebaut. Die Herstellung von Stufenspiege!anordnungen und insbesondere Lichtleitstäben ist bei den hier erforderlichen Qualitätsaniorderungen jedoch mit einem gewissen Aufwand verbunden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit der zx^ar einerseits die verschiedenen Winkel, unter denen die Lichtstrahlen von der Oberfläche austreten, sehr genau erfaßt werden können, welche aber andererseits mit geringemAifwand herstellbar ist und außerdem einen kompakten Aufbau gewährleistet»

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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß im Wege der von der Oberfläche ausgehenden Lichtstrahlen eine sich in Abtastrichtung erstreckende streifenförmige Fresnellinsenreihe vorgesehen ist, welche aus rechteckig geschnittenen, mit ihren Schmalseiten unmittelbar aneinanderstoßenden Fresnellinsen besteht, in deren Brennebene jeweils eine Gruppe von mehreren Photoempfängern angeordnet ist und daß aus den einander entsprechenden Photoempfängern der verschiedenen Gruppen ein gemeinsames elektrisches Ausgangssignal gebildet ist»

Die erfindungsgemäß verwendeten Fresnellinsen lassen sich mit sehr geringem Aufwand beispielsweise als Pressteile aus transparentem Kunststoff ohne weiteres herstellen= Durch sie wird ein sehr kompakter Aufbau gewährleistet, weil die kurze Brennweite der Fresnellinsen eine Anordnung der Photοempfänger in geringem Abstand vom Linsenkörper ermöglicht. Überraschenderweise ist der Aufwand für die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr gering, obwohl für jede Fresnellinse eine Gruppe von mehreren Photoempfängern erforderlich ist„ Photoempfänger sind jedoch in Form von Photodioden heute so preiswert verfügbar, daß der zusätzliche Aufwand für die größere Anzahl von Photoempfängern 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 Photoempfängern wesentlich verbessert ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet=

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

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungs-,-emäßen optischen Vorrichtung zur Bestimmung des Lichtaustrittswinkels,

Fig. 2 eine Ansicht in Richtung der Linie II-II, Fig. 5 eine Ansicht nach Linie III-III in Fig. 1 und Fig. 4- eine Ansicht nach Linie IY-IV in Fig. 1.

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

Zum Empfang des von der Oberfläche 11 reflektierten Lichtes ist erfindungsgemäß 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 Aneinanderanordnung der einzelnen Fresnellinsen entsteht eine leistenförmige Anordnung gemäß Fig. 2, welche über ihre gesamte Länge Licht empfangen und in der im folgenden beschriebenen Weise konzentrieren kann.

Erfindungsgemäß weisen alle Fresnellinsen 16a, b, c, d eine gemeinsame Brennebene 18 auf, in der Gruppen 19^ai ^>·> ^ci cL von einzelnen Photoempfängern 12 in der im einzelnen aus den Fig. 1,3 und 4- ersichtlichen Weise angeordnet sind.

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Jeder Fresnellinse 16a, b, c, d ist eine Gruppe 19a, b, c "bzw. d von Photoempfängern 12 zugeordnet. Diese sind nach Fig. 3 nach der Art eines X-T-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, i zugeordnet, welche um den im Brennpunkt sitzenden zentralen Photoempfänger 12e herum nach einem regelmäßigen Muster (Quadratform) gruppiert sind.

Gemäß Fig. 3 sind die jeweils einander entsprechenden Photoempfänger 12a, 12b, c, .„. bzw. 12i zusammengeschaltet und einer Auswerteelektronik 14 zugeführt» Die Zusammenschaltung der einzelnen entsprechenden Photoempfänger 12a, b, c, ... kann auch 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 Y-Signale abgenommen werden, durch welche die Lage des von einem Lichtstrahl beaufschlagten Photoempfängers 12 genau definiert wird.

Unter der Annahme, daß die Oberfläche 11 der Bahn 17 gerichtet reflektierende Eigenschaften aufweist, wird der Laserstrahl 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 Photoempiänger 12e gelenkt wird«

Weist nun die Oberfläche 11 der Bahn 17 gemäß 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 Abbildungseigenschaf-

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ten der Fresnellinsen 16 auf einen der äußeren Photoempfänger, im vorliegenden Beispiel auf die Photοempfanger 12d. In Fig.1 ist der !Fehler 22 so ausgedehnt gezeichnet, daß er sich über zwei benachbarte Fresnellinsen 16a, 16b erstreckt. Ersichtlich wird jedoch durch die erfindungsgemäße Anordnung und Schaltung gewährleistet, daß gleichwohl stets die entsprechenden Photoempfänger 12d, welche parallel· bzw. zusammengeschaltet sind, beaufschlagt werden. Am Ausgang der elektronischen Auswerteschaltung 14 würde also für X das Signal -1 und für Y das Signal 0 erscheinen. Hierdurch ist der Ort des vom Lichtstrahl 23 beaufschlagten Photoempfängers eindeutig bestimmt.

Es wäre auch denkbar, daß der Fehler gemäß Fig. 4 so ausgebildet ist, daß der Laserstrahl 15 als Reflexionsstrahl 13' oder 13" auf andere benachbarte Photoempfänger gelenkt wird. Auf jeden Fall gibt der von Licht beaufschlagte Photoempfänger eindeutig an, unter welchem Winkel das ihn beaufschlagende Licht von der Oberfläche Ti der Bahn 17 ausgegangen ist. Je feiner die Anordnung der Photoempfänger 12 ist, umso genauer kann zwischen benachbarten schmalen Winkelbereichen unterschieden werden.

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Claims

PATENTANWÄLTE

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW

Erwin Sick GmbH Optik-Elektronik München, den 27.2.78

Sebastian-Kneipp-Str „1

Waldkirch S/Sv-S 34-20

Optische Vorrichtung zur Bestimmung des Lichtaustrittswinkels

Patentansprüche

Vorrichtung zur getrennten Erfassung von Lichtstrahlen, die unter verschiedenen Winkeln von einer mit einem Lichtpunkt abgetasteten Oberfläche ausgehen, dadurch g e k e η η zeichnet , daß im Wege der von der Oberfläche (11) ausgehenden Lichtstrahlen (13) eine sich in Abtastrichtung (F) erstreckende streifenförmige Fresnellinsenreihe (21) vorgesehen ist, welche aus rechteckig geschnittenen, mit ihren Schmalseiten unmittelbar aneinanderstoßenden Eresnellinsen (16a, b, c, d) besteht, in deren Brennebene (18) jeweils eine Gruppe (19^a? °? c, d) von mehreren Photoempfangern (12) angeordnet ist und daß aus den einander entsprechenden Photoempfangern (12a, b, c, »„ „) der verschiedenen Gruppen (I9^a» t> ? c, d) ein gemeinsames elektrisches Ausgangssignal gebildet ist=

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DR. C. MANITZ · DIPL.-1NG. M. FINSTERWALD DIP L.-INC. W. GRAMKOW ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

MÖNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STRASSE I 7 STUTTGART 50 (BAD CANNSTATT) MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7 2

TEL. (089) 22 42 II. TELEX OS-29672 PATMF SEELBERGSTR. 23/2S, TEL.(O7II)S6 72 61 POSTSCHECK : MÖNCHEN 7706 2 - 80S
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennz eich — net, daß die einzelnen Photoempfänger (12) jeder Gruppe (19a, b, c, d) in der Brennebene der zugeordneten Fresnellinse (16a, b, c, d) in einem rechtwinkligen Koordinatensystem angeordnet sind.
3. "Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß pro Gruppe vier bis zwölf und vorzugsweise neun einzelne Photoempfänger angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß jeder einzelne Photoempfänger (12) aus mehreren photoelektrischen Wandlern z.B. Photodioden zusammengesetzt ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Photoempfänger an eine Auswerteelektronik (14-) angeschlossen sind, in der die Zusammenschaltung der einzelnen Photoempfänger und die Bildung von insbesondere Koordinatenausgangssignalen vorgenommen wird.
6. "Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß pro Meter 5 bis 20 und vorzugsweise 10 aneinandergereihte Fresnellinsen (16) und eine entsprechende Anzahl von Photoempfängergruppen (19) vorgesehen sind.

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