DE4021487C2

DE4021487C2 - Optisches Reflexionssystem

Info

Publication number: DE4021487C2
Application number: DE4021487A
Authority: DE
Inventors: Gebhard Birkle
Original assignee: Birkle Sensor GmbH and Co
Current assignee: Hommel Etamic GmbH
Priority date: 1990-07-05
Filing date: 1990-07-05
Publication date: 1993-10-07
Anticipated expiration: 2010-07-06
Also published as: DE4021487A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein optisches Reflexionssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es in der DE 38 22 303 A1 beschrieben ist.

Stand der Technik

Durch die DE 38 22 303 A1 (WO 89/05 468 A1) ist eine Vorrichtung zum optischen Abtasten der Oberfläche eines bewegbaren Objektes bekanntgeworden, dessen Oberfläche Licht zu reflektieren oder zu streuen imstande ist, mit einer Lichtquelle und einem optischen kegel- oder schalenförmigen, innen verspiegelten Ringspiegel mit einer umlaufenden Spiegelfläche und einer dazu zentrisch angeordneten Durchgangsöffnung zum Durchgang des Objektes durch den Ringspiegel, wobei in Richtung der Hauptachse des Ringspiegels, innerhalb dessen Öffnungswinkels und über dessen Durchgangsöffnung sich ein weiterer Spiegel befindet, und mit einem opto-elektronischen Sensor und einer elektrischen Auswerteeinrichtung, wobei das Licht nach Reflexion oder Streuung am Objekt auf die Spiegelflächen der Spiegel geworfen, auf den Sensor gelenkt und in der Auswerteeinrichtung ausgewertet wird. Die Lichtquelle beleuchtet das Objekt rings dessen Umfang im Bereich der Durchgangsöffnung des Ringspiegels dergestalt, daß das vom Objekt rings des Umfangs reflektierte oder gestreute Licht gleichzeitig peripher auf die Spiegelfläche des Ringspiegels fällt. Der zweite Spiegel besitzt eine schräg geneigte, ebene Spiegelfläche, die das reflektierte oder gestreute Licht auf den Sensor leitet, der ein vollständiges Umfangsband detektiert, das einer Umfangsfläche des Objektes von vorgegebener Breite entspricht. Mit dieser Vorrichtung ist eine vollständige, ringförmige Abtastung op tisch schwierig zu realisieren, insbesondere bei langen, kontinuierlich abzutasten den Objekten, weil aufgrund der Geometrie abgeschattete Bereiche auf dem Ob jekt auftreten.

Technische Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Reflexionssystem der genannten Gattung so weiter zu verbessern, daß eine Abschattung des zu dem CCD- Sensor übertragenen Lichtes, die durch das abzutastende Objekt zustande kommt, vermieden ist.

Darstellung der Erfindung

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den Merkmalen des Patent anspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen gekennzeichnet.

Das optische Reflexionssystem besitzt den Vorteil, daß dieses zum Abtasten von beliebig langen Objekten mit vorzugsweise zylindrischen Querschnitten, die durchscheinend undurchsichtig sind, aber deren Oberfläche Licht zu reflektieren imstande ist, vorteilhaft geeignet ist, weil die beiden Keilflächen als Spiegelflächen des zweiten optischen Körpers ein Lichtbündel, welches von unten auf die Umgebung der Durchgangsöffnung auf die Keilflächen auftritt, in zwei Teilstrahlenbündel zerlegen und nach Umlenkung entfernt von der Durchgangsöffnung wieder zusammensetzen, so daß abgeschat tete Bereiche auf dem Objekt vermieden werden. In vorteilhafter Weise ist es möglich, durch das Abbildungssystem hindurch das Objekt am Umfang gleichmäßig zu beleuchten.

Der Sensor kann ein stehendes oder fortlaufendes Bild erzeugen, so daß ein Bereich vorgebbarer Breite des gesamten Umfangs des Objektes oder nur ein Teil desselben bei Stillstand oder Bewegung des Objektes als optische Abbildung bzw. Bildsignal, zum Beispiel in Form eines abgebildeten Umfangsbandes oder eines Teils desselben, mit hoher Auflösung gewonnen werden kann. Dabei kann die Oberfläche des Objektes regelmäßig oder diffus reflektieren, das Objekt kann ein hohes oder geringes Reflexionsvermögen haben. Besitzt das Objekt auf seiner Oberfläche Unregelmäßigkeiten, Löcher, Ausbrüche, Abbrüche, Abplatzungen, Kantenbeschädigungen oder sonstige Anomalien, so verändert sich dadurch die Reflexion oder der Lichtdurchlaß gegenüber der normalen Oberfläche; diese optische Änderung der Lichtintensität kann erfindungsgemäß detektiert werden. Wird das Objekt bewegt, so erscheint auf dem Sensor ein fortschreitendes Bildsig nal entsprechend der durchlaufenden, abgetasteten Umfanglinie. Die Aus führungsformen, insbesondere diejenige, die als einstückiger optischer Ge genstand ausgeführt ist, lassen sich in einfacher Weise aus Kunstglas pressen, so daß die Bauelemente streng dem Objekt angepaßte und preiswerte Problem lösungen erlauben.

Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines optischen Bauelementes mit zwei Keilflächen als Spiegelflächen und weiteren Spiegelkörpern mit Spiegelflächen;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines optischen Bauelementes, das aus einem einstückigen, durchsichtigen Gegenstand mit zwei Keilflächen als Brechungsflächen und weiteren Brechungsflächen besteht;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines optischen Bauelementes gemäß demjenigen der Fig. 2 mit einem die Durchgangsöffnung durch dringenden Längsschlitz zum Einführen beispielsweise eines Fadens in das Bauelement und

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Bauelementes gemäß der Fig. 3 in integraler Gestaltung zur Durchleuchtung von durch sichtigen Objekten.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Das optisches Refexionssystem gemäß der Fig. 1 zeigt in perspektivischer sche matischer Darstellung einen unteren Ringspiegel 9, der eine Durchgangsöffnung 10 zum Durchführen eines zylindrischen Objektes 15 aufweist und der eine innen angeordnete, hohlkegel- oder schalenförmige, rotationssymmetrische Spie gelfläche 11 aufweist. Oberhalb des Ringspiegels 9 befindet sich auf seiner Haupt achse 14 ein zweiter optischer Körper, der als länglicher Keil 1 gestaltet ist und der im Hauptschnitt einen dreieckförmigen Querschnitt aufweist. Der Keil 1 be sitzt eine nach oben weisende Grundfläche 60 und zwei plane, unter einem Win kel ϑ zueinander geneigte Keilflächen 2, 2′, die als Spiegelflächen ausgebildet sind, wobei der Winkel ϑ entweder ein spitzer oder ein überstumpfer Winkel ist; im gezeigten Beispiel ist der Winkel ϑ ein spitzer Winkel.

Der Keil 1 wird, ausgehend von der Grundfläche 60, in Richtung der Hauptachse 14 von einer Durchgangsöffnung 4 durchsetzt, die beide Keilflächen 2, 2′ symmetrisch durchdringt und deren Querschnitt mittig zur langen Mittelinie 58 der oberen Deckfläche 60 des Keils 1 angeordnet ist, wobei in der Projektion die Durchgangsöffnung 4 zentrisch innerhalb des Ringspiegels liegt, so daß die gemeinsame Kante 3 der Keilflächen 2, 2′ einen Durchmesser des Ringspiegels und, falls die Durchgangsöffnung 4 kreisrund ist, auch der Durchgangsöffnung 4 bildet. Die Hauptachse 14 durchstößt somit die gemeinsame Kante 3 der Keil flächen 2, 2′ und teilt den Winkel ϑ in zwei gleiche Hälften. Die Durchgangs öffnung 4 dient zum Durchbewegen des Objektes 15 durch das Bauelement. Des weiteren befindet sich die Durchgangsöffnung 4 vorzugsweise nur innerhalb der einen Hälfte 61 der Grundfläche 60 des Keils 1, wenn man sich denselben durch die kurze Mittellinie 59 der Grundfläche 60 in zwei gleiche Hälften 61, 61′ geteilt denkt, was aus der Fig. 1 ersichtlich ist.

Den Keilflächen 2, 2′ des Keils 1 stehen auf jeder Seite Spiegelkörper 5, 6 bzw. 7, 8 gegenüber, die wenigstens je eine plane Spiegelfläche 5′, 6′, 7′, 8′ aufweisen, wobei die Spiegelflächen 5′, 6′ bzw. 7′, 8′ bezüglich der Keilfläche 2′ bzw. 2 und unterein ander schräg zueinander gerichtet sind. Die Spiegelkörper 5, 7 befinden sich im Bereich der vorderen Hälfte 61 des Keils 1, die Spiegelkörper 6, 8 befinden sich im Bereich der hinteren Hälfte 61′ des Keils 1, um dergestalt das Licht von der vorde ren Hälfte 61 weg von der Durchgangsöffnung 4 zur hinteren Hälfte 61′ des Keils zu leiten, um aus dem störenden Bereich des Objektweges zu gelangen. Vorzugsweise unterhalb des Keils 1 und neben dem Ringspiegel 9 befindet sich ein Sensor 13, vor dem sich eine Abbildungsoptik 12 zur optischen Abbildung be finden kann. Der Sensor ist mit einer nicht gezeigten Auswerteeinrichtung elek trisch verbunden.

Die Arbeitsweise des optischen Bauelementes ist folgende: Das Objekt 15 wird im Bereich des Ringspiegels 9 - entweder von unterhalb oder durch den Ringspiegel 9 hindurch - längs eines Umfangsringes 17 auf dem Objekt 15 beleuchtet, so daß das reflektierte Licht radial auf die Spiegelfläche 11 des Ring spiegels 9 fällt und nach oben in Richtung des Keils 1 reflektiert wird und dort auf die Umgebung der Durchgangsöffnung 4 fällt, wobei für jede der Keilflächen 2, 2′ des Keils 1 der Verlauf zweier Strahlenbündel 16, 16′ gezeigt ist. Die Keilflächen 2, 2′ teilen das ankommende Licht in zwei Hälften auf, wobei das Strahlenbündel 16 auf die Keilfläche 2 und das Strahlenbündel 16′ auf die Keilfläche 2′ fällt. Von dort werden die Strahlenbündel 16, 16′ in der Reihenfolge auf die Spiegelflächen 7′ bzw. 5′ der Spiegelkörper 7 bzw. 5 und von dort auf die Spiegelflächen 8′ bzw. 6′ der gegenüberstehenden Spiegelkörper 8, 6 reflektiert, die die Strahlenbündel 16, 16′ zurück auf die Keilflächen 2, 2′ im Bereich der hinteren Hälfte 61′ des Keils 1 werfen, wonach nach nochmaliger Reflexion an den Keilflächen 2, 2′ die Strahlenbündel 16, 16′ wieder zusammengesetzt werden. Anschließend wird das Licht dem Sensor 13 zugeleitet. Auf diese Weise wird durch die Zerlegung des re flektierten Lichtes in Teilstrahlenbündel und anschließender Zusammensetzung bewirkt, daß die Durchgangsöffnung 4 umgangen wird, indem das Bild auf die hintere, die Durchgangsöffnung 4 nicht aufweisende Hälfte 61′ des Keils 1 bezüglich beider Keilflächen 2, 2′ transformiert und von dort zusammengesetzt wird.

Es ist technisch auch möglich, die den Keilflächen seitlich gegenüberliegenden op tischen Körper zur Umlenkung des Lichtes auf den Keilflächen als Brechungs körper auszubilden, insbesondere bei Verwendung einer monochromatischen Lichtquelle.

In Fig. 2 ist ein optisches Reflexionssystem aus einem einstückigen, durchsichti gen, prismatisch-zylindrischen Gegenstand 18 dargestellt, der beispielsweise Preßglas sein kann. Der optische Gegenstand 18 besteht aus einem prismatischen Teil 19 und einem daran angeformten zylindrischen Teil 20, wobei zentrisch durch beide Teile 19, 20 sich eine Durchgangsöffnung 21 erstreckt.

Der prismatische Teil 19 besitzt eine längliche, von seiner Deckfläche ausgehende Einkerbung, die zwei optisch wirksame, plane Keilflächen 23, 23′ aus bildet, die zueinander unter einem Winkel ϑ geneigt und die als Spiegelflächen verspiegelt sind. Innerhalb des prismatischen Teils 19 stehen den Keilflächen 23, 23′ optisch wirksame, plane Spiegelflächen 24, 24′ bzw. 25, 25′ gegenüber; die geo metrische Gestaltung, Anordnung und Funktion des Teils 19 entspricht völlig dem Keil 1 und den zugeordneten Spiegelkörpern 5, 6, 7, 8 der Fig. 1. Unterhalb des prismatischen Teils 19 und neben dem zylindrischen Teil 20 befindet sich ein Sen sor 27 und davor gegebenenfalls eine Abbildungsoptik 26.

Das untere Ende des zylindrischen Teils 20 besitzt eine kegel- oder schalen förmige, innenliegende, rotationssymmetrische Spiegelfläche 31, die eine ähnliche Gestaltung und die gleiche Funktion besitzt, wie die Spiegelfläche 11 des Ring spiegels 9. Die Hauptachse 22 der Spiegelfläche 31 fällt gleichzeitig wiederum mit der Mittelachse der Durchgangsöffnung 21 zusammen. Eine nicht gezeigte Licht quelle beleuchtet ein Objekt 28, welches sich in der Durchgangsöffnung 21 des Gegenstandes 18 befindet, im Bereich der Spiegelfläche 31 dergestalt, daß dadurch ein Umfangsring 30 auf dem Objekt 28 ausgeleuchtet wird. Das vom Objekt 28 re flektierte Licht fällt radial auf die Spiegelfläche 31 und wird von dort innerhalb des zylindrischen Teils 20 nach oben auf die Keilflächen 23, 23′ geworfen. Von den Lichtstrahlen sind wiederum bei Strahlenbündel 29, 29′ je für eine der Keilflächen 23, 23′ in der Fig. 2 gezeichnet.

Die Teilstrahlenbündel 29, 29′ fallen je auf die der jeweiligen Hälfte der Spiegelfläche 31 zugeordneten Keilfläche 23, 23′ und werden von dort zu den Spiegelflächen 24 bzw. 25, danach zu den Spiegelflächen 24′ bzw. 25′ und wiede rum zurück auf die Keilflächen 23, 23′ außerhalb des Weges des abzutastenden Objektes 28 geleitet, wobei die Keilflächen 23, 23′ die Teilstrahlenbündel 29, 29′ dergestalt umlenken, daß diese wieder zu einem Strahlenbündel zusam mengesetzt werden, das, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer Abbil dungsoptik 26, auf den Sensor 27 geleitet wird.

Die Fig. 3 zeigt eine Ausgestaltung eines optischen Bauelementes ebenfalls in Form eines einstückigen, durchsichtigen Gegenstandes 49, bestehend aus einem prismatischen Teil 50 und einem daran angeformten zylindrischen Teil 51, wobei der Gegenstand 49 ähnlich dem in Fig. 2 beschriebenen Bauelement gestaltet ist. Der prismatische Teil 50 sowie der zylindrische Teil 51 werden gemeinsam von einer Durchgangsöffnung 52 durchsetzt, die einen nach außen offenen Längsschlitz 53 aufweist. Durch diesen Längsschlitz 53 kann beispielsweise ein Faden in den Gegenstand eingeführt und durchlaufend abgetastet werden.

In Fig. 4 ist ein zylindrischer, einstückiger, durchsichtiger Gegenstand 54 gezeigt, der eine zentrale Durchgangsbohrung 55 besitzt und an seinem unteren Ende eine kegel- oder schalenförmige, innenliegende Spiegelfläche 57 aufweist. An seinem oberen Ende besitzt der optische Gegenstand 54 eine keilförmige Aus sparung unter Bildung von zwei schräg zueinander geneigten Teilflächen 64, 64′, die nach innen weisend als Spiegelflächen ausgebildet sind. Im Bereich der Teilflächen 64, 64′ ist der optische Gegenstand 54 auf seinem Umfang abgeplattet unter Bildung zweier sich gegenüberliegender, planparalleler Flächen 56, 56′. Der in sämtlichen optischen Bauelementen eingesetzte opto-elektronische Sensor ist vorzugsweise ein CCD-Bauelement mit einer geraden oder ringförmigen Linien zeile. Ebenso ist es denkbar, einen CCD-Matrix-Sensor einzusetzen und den Umfangsring in der Bildebene softwaremäßig zu definieren.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Die erfindungsgemäßen optischen Bauelementen eignen sich zur Überprüfen der Oberfläche von länglichen, durchscheinenden und nichttransparenten Objekten nach vorgegebenen Gütekriterien. Die Objekte können dabei stehend oder bewegt abgetastet werden. Beispielsweise können mit den Bauelementen, längliche, durchscheinende und nichttransparente Körper, wie Bleitstifte, Glasröhren, textile Fäden und vieles mehr auf ihre Oberflächenbeschaffenheit einschließlich der Farbe abgetastet werden.

Liste der Bezugszeichen

1 keilförmiger Spiegelkörper, Keil
2, 2′ plane, optisch wirksame Keilflächen
3 Kante
4 Durchgangsöffnung
5, 6, 7, 8 Spiegelkörper
5′, 6′, 7′, 8′ plane Spiegelflächen
9 Ringspiegel
10 Durchgangsöffnung
11 kegelförmige, innenliegende Spiegelfläche
12 Abbildungsoptik
13 Sensor
14 Hauptachse
15 Objekt
16, 16′ Teilstrahlenbündel
17 beleuchteter Umfangsring auf dem Objekt
18 einstückiger, durchsichtiger Gegenstand
19 prismatischer Teil
20 zylindrischer Teil
21 Durchgangsöffnung
22 Hauptachse
23, 23′ plane, optisch wirksame Keilflächen
24, 24′, 25, 25′ optisch wirksame, plane Flächen
26 Abbildungsoptik
27 Sensor
28 Objekt
29, 29′ Teilstrahlenbündel
30 beleuchteter Umfangsring auf dem Objekt
31 kegelförmige, innenliegende Spiegelfläche
49 durchsichtiger, einstückiger Gegenstand
50 prismatischer Teil
51 zylindrischer Teil
52 Durchgangsöffnung
53 Längsschlitz
54 durchsichtiger, einstückig-zylindrischer Gegenstand
55 Durchgangsöffnung
56, 56′ parallele Planflächen auf dem Körper
57 kegelförmige, innenliegende Brechungs- oder Spiegelfläche
58 lange Mittellinie der Grundfläche des Keils
59 kurze Mittellinie der Grundfläche des Keils
60 Grundfläche des Keils
61, 61′ gleichgroße Hälften der Grundfläche des Keils
62 Spiegel- oder Brechungsfläche
64, 64′ Keilflächen
ϑ Winkel

Claims

1. Optisches Reflexionssystem, das zum ringförmigen Abtasten der Oberfläche eines länglichen, vorzugsweise zylindrischen Objektes beliebiger Länge in dessen Längsrichtung dient, mit einer Lichtquelle, welche die Oberfläche des Objektes ringförmig beleuchtet und ein Lichtband auf der Oberfläche des Objektes erzeugt und mit einem kegelstumpfförmigen, innen reflektierenden, ersten Reflektor, wel chere das längliche Objekt umgreift und das von dem Lichtband auf der Objektoberfläche herkommende Objektlicht zu einem zweiten Reflektor reflek tiert, der aus planen Reflexionsflächen besteht, die gegenüber dem von dem ersten Reflektor herkommenden Lichtbündel geneigt sind und dieses in die Abbildungs optik eines optoelektronischen CCD-Sensors übertragen, der somit das beleuchte te Lichtband auf der Objektoberfläche registiert und bei einer Relativbewegung zwischen Objekt und Abtastvorrichtung in Längsrichtung des Objektes ein opti sches Abtasten der Objektoberfläche gewährleistet, wobei beide Reflektoren je weils eine zentrale Durchgangsöffnung aufweisen, durch die das abzutastende Objekt bei einer Bewegung des Objektes in dessen Längsrichtung relativ zu den beiden Durchgangsöffnungen geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Reflektor aus zwei planen, keilförmig zueinander angeordneten Reflexionsflächen besteht, welche von der zugehörigen Durchgangsöffnung an der Keilkante symmetrisch durchbrochen werden und das von dem ersten Reflek tor herkommende Objektlicht in zwei Teillichtbündel von halbringförmigen Quer schnitt aufspalten und diese von der Durchgangsöffnung im zweiten Reflektor weg in entgegengesetzte Richtungen zu einem driften Reflektor reflektieren, wel cher aus planen Teilreflektoren besteht, die den zweiten Reflektor zwischen sich einschließen und die beiden Teillichtbündel gegenüber der Durchgangsöffnung im zweiten Reflektor seitlich versetzt zusammenführen und in die Abbildungsop tik des CCD-Sensors reflektieren, so daß der CCD-Sensor unabhängig von einer Relativbewegung zwischen Objekt und Durchgangsöffnungen in Längsrichtung des Objektes immer den vollen Anteil des Lichtbandes auf der Objektoberfläche erhält und der Lichtstrom zwischen dem zweiten Reflektor und dem CCD-Sensor durch das Objekt bei dessen Relativbewegung nicht unterbrochen wird.

2. Reflexionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Reflektoren als Spiegelflächen an einem einstückigen, transparenten Körper ausgebildet sind, der eine Längsbohrung aufweist, welche die Durch gangsöffnung für das abzutastende Objekt realisiert.

3. Reflexionssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsbohrung über einen parallel zu der Längsbohrung verlaufenden Längsschlitz zugänglich ist, durch den das abzutastende Objekt in die Längs bohrung einbringbar ist.

4. Reflexionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren des ersten Reflektors und außerdem die Reflektoren des zwei ten und dritten Reflektors jeweils als Spiegelflächen an zwei einstückigen, transpa renten und voneinander trennbaren Körpern mit jeweils einer Längsbohrung aus gebildet sind, welche die Durchgangsöffnung für das abzutastende Objekt reali sieren.

5. Reflexionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zugehörige CCD-Sensor linienförmig oder ringförmig oder matrizenförmig ausgebildet ist.