DE1295884B

DE1295884B - Device for non-contact, photo-electric scanning of moving tracks or continuously moving goods for optically recognizable defects in the surface

Info

Publication number: DE1295884B
Application number: DE1962H0047263
Authority: DE
Original assignee: VON HACHT
Current assignee: VON HACHT
Priority date: 1962-10-30
Filing date: 1962-10-30
Publication date: 1969-05-22

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur berührungslosen, lichtelektrischen Abtastung laufender Bahnen oder stetig fortbewegten Gutes auf optisch erkennbare Fehler in der Oberfläche unter Verwendung des Lichtes einer feststehenden Lichtquelle hoher Leuchtdichte, mit einer die gewünschten Abtaststrahlen bestimmenden Anzahl von Umlenkspiegeln und einem in jedem Abtaststrahl befindlichen, teildurchlässigen Spiegel sowie einer fest angeordneten Optik. The invention relates to a device for contactless, photoelectric Scanning of moving tracks or continuously moving goods for optically recognizable Defects in the surface using the light from a fixed light source high luminance, with a number that determines the desired scanning beams of deflecting mirrors and a partially transparent one located in each scanning beam Mirror as well as a fixed optics.

Es sind bereits Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei denen das Licht einer Gasentladungslampe (z. B. Quecksilberdampflampe) hoher Leuchtdichte unter Benutzung üblicher Projektionsoptiken mit Kondensoren und Objektiven sowie unter Zwischenschaltung von vielflächigen Spiegelrädern zur Beobachtungsstelle geführt und reflektiert wird. Auch ist die Verwendung von Taumelspiegeln im Abtast- oder reflektierten Strahl bekannt. There are already methods and devices known in which the Light from a gas discharge lamp (e.g. mercury vapor lamp) of high luminance using conventional projection optics with condensers and lenses as well led to the observation point with the interposition of multi-faceted mirror wheels and is reflected. Also the use of wobble mirrors in the scanning or reflected beam known.

An der Beobachtungsstelle entsteht bei diesen Verfahren durch eingeschaltete Begrenzungsblenden, teilweise unter Zwischenschaltung von unmittelbar vor der zu prüfenden Oberfläche angebrachten Zylinderlinsen, ein Lichtfleck von einem oder wenigen Quadratmillimetern Fläche oder ein Lichtstrich. At the observatory, these procedures are created by intervening Limiting screens, sometimes with the interposition of immediately in front of the closed cylinder lenses attached to the test surface, a light spot from an or a few square millimeters or a line of light.

Aus räumlichen Gründen sind oftmals im Hin-und Rückweg des Strahlenganges zur Oberfläche Umlenk-, Hohl-oder teildurchlässige Spiegel zwischengeschaltet. For spatial reasons, there are often in the outward and return path of the beam path Deflecting, hollow or partially transparent mirrors are interposed to the surface.

Durch die Rotation des Vielflächenspiegelrades entsteht bei diesen Verfahren eine Querbewegung des Tastlichtstrahles über die zu prüfende Oberfläche. The rotation of the multi-faceted mirror wheel creates these Method a transverse movement of the touch light beam over the surface to be tested.

Das an der Beobachtungsstelle reflektierte Licht wird im verdunkelten Raum entweder direkt mit Objektiven gesammelt oder auch im Autokollimationsverfahren auf Photozellen, Photovervielfachern oder anderen lichtempfindlichen Organen geführt und ausgewertet.The light reflected at the observation point is darkened in the Space either collected directly with lenses or using the autocollimation method on photocells, photomultipliers or other light-sensitive organs and evaluated.

Es ist auch ein Verfahren bekannt, das zur Erzeugung der Querbewegung des Abtastlichtstrahles einen Rohrzvlinder verwendet, in dessen Außenwand Linsen eingesetzt sind. It is also known a method for generating the transverse movement of the scanning light beam uses a tubular cylinder with lenses in its outer wall are used.

Die meisten Verfahren verwenden, um die durch die Drehung des Spiegelrades veranlaßte Querbewegung des Abtaststrahles auszunutzen, unmittelbar vor der zu prüfenden Oberfläche Zylinderlinsen, die das projizierte Licht nur in einer Dimension zu einem Lichtstrich oder beim Auffangen des reflektierten Lichtes zu einem Lichtband sammeln. Most of the procedures use that by rotating the mirror wheel to exploit induced transverse movement of the scanning beam, immediately in front of the one to be tested Surface cylindrical lenses that transform the projected light into one only in one dimension Collect light streak or when collecting the reflected light to form a band of light.

Die Verwendung von unmittelbar vor der zu prüfenden Oberfläche angeordneten Zylinderlinsen und die dadurch notwendigen Begrenzungsblenden zum Projizieren des Lichtfleckes und Wiederauffangen des reflektierten Lichtes schränken den optischen Wirkungsraum und damit die Empfindlichkeit und Wirksamkeit der Einrichtung ein. The use of arranged immediately in front of the surface to be tested Cylindrical lenses and the necessary limiting diaphragms for projecting the Light spot and recapture of the reflected light limit the optical Effective area and thus the sensitivity and effectiveness of the facility.

Wird eine kleine Fläche von einem oder wenigen Quadratmillimetern, die beispielsweise die kleinste erfaßbare Fläche einer Fehlergröße darstellen soll, durch einen ebenso großen Lichtstrahl beleuchtet, so wird das Licht an dieser Stelle entsprechend den Reflexionsgesetzen reflektiert. If a small area of one or a few square millimeters, which should, for example, represent the smallest detectable area of a defect size, Illuminated by an equally large beam of light, so will the light at this point reflected according to the laws of reflection.

Da die zu prüfenden Oberflächen, wie z. B. Papier, keine reflektierenden Flächen wie Spiegel darstellen, wird das Licht je nach Beschaffenheit und Farbe der Oberfläche stark diffus reflektiert. Will man dieses nach allen Seiten diffus reflektierte Licht möglichst voll auffangen. wird eine plankonvexe Sammellinse möglichst großen Durchmessers (um einen großen Öffnungswinkel zu erhalten), die so dicht wie möglich über der zu prüfenden Oberfläche anzuordnen ist, erforderlich. Since the surfaces to be tested, such as B. paper, not reflective To represent surfaces like mirrors, the light will vary depending on its texture and color strongly diffusely reflected from the surface. If one wants this diffuse on all sides Collect reflected light as fully as possible. becomes a plano-convex converging lens if possible large diameter (to obtain a large opening angle) that are as dense as possible to be arranged above the surface to be tested is required.

Da Zylinderlinsen nur in einer Dimension sammeln und außerdem ihre Wirkung durch die vorerwähnten B egrenzungsblenden für die Lichtprojektion bzw. des Beobachtungsweges beeinträchtigt wird, sind sie für die Erfassung schwacher Kontraste, insbesondere aber auch für die Erfassung von Falten, die das Licht in bestimmtem Winkel ablenken, wenig geeignet. Because cylinder lenses only collect in one dimension and also theirs Effect due to the aforementioned delimitation screens for the light projection or the observation path is impaired, they are weaker for detection Contrasts, especially for capturing wrinkles that the light shines in deflect it at a certain angle, not very suitable.

Gleiches gilt für Einrichtungen, die zwar Sammellinsen für die exakte Beleuchtung des Beobachtungsfleckes verwenden, diese aber aus Konstruktionsgründen nicht in unmittelbarer Nähe der zu prüfenden Oberfläche anordnen können, wodurch ihr Öffnungswinkel sehr klein wird und dadurch nur geringe Anteile der diffusen Lichtreflexion zu erfassen vermögen. The same applies to bodies that have convergent lenses for the exact Use illumination of the observation spot, but this for construction reasons cannot be arranged in the immediate vicinity of the surface to be tested, whereby their opening angle is very small and therefore only small proportions of the diffuse Ability to capture light reflection.

Aus diesen Gründen wurden in solchen Einrichtungen zusätzliche mechanische oder piezoelektrische Abtaster eingebaut, die auf Grund der flächenhaften Ausdehnungen der Fühler auf Höhenunterschiede ansprechen und nicht zur Erfassung von Vertiefungen oder dünnen Materialstellen geeignet sind. For these reasons, additional mechanical or built-in piezoelectric scanners, which are due to the two-dimensional expansions the sensors respond to differences in height and not to detect depressions or thin areas of material are suitable.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Unsicherheiten in der Fehlererfassung zu beseitigen und eine geeignete Einrichtung zu schaffen, die optische Unsicherheiten vermeidet und so eine große Betriebssicherheit erreichen kann. The object of the present invention is to resolve the uncertainties in to eliminate the error detection and to create a suitable facility that avoids optical uncertainties and thus achieves a high level of operational reliability can.

Die Erfindung besteht darin, daß ein Trägerrad mit einem entsprechend der gewünschten Abtastbreite gewählten Durchmesser ein oder mehrere Umlenksysteme aufweist, die jeweils aus einem in Nähe der Trägerradachse angeordneten 450-Umlenkspiegel oder Prisma und diesem zugeordnet, aus einem in Randnähe angeordneten, zweiten 450-Umlenkspiegel oder Prisma sowie einem jeweils dem randnahen Spiegel fest zugeordneten, als Sammellinse wirkenden Objektiv bestehen, daß jedes Objektiv an oder auf dem Trägerrad in gegebenem Brennweitenabstand von der Oberfläche des abzutastenden Gutes vorgesehen ist und daß dem in jedem Abtaststrahl befindlichen, teildurchlässigen, den von der Oberfläche zurückgeworfenen Lichtstrahlanteil reflektierenden Spiegel ein oder mehrere lichtempfindliche Bauelemente nachgeschaltet sind. The invention consists in that a carrier wheel with a corresponding one or more deflection systems for the desired scanning width each comprising a 450 deflecting mirror arranged in the vicinity of the carrier wheel axis or prism and associated therewith, from a second 450 deflecting mirror arranged near the edge or prism as well as one permanently assigned to the mirror close to the edge, as a converging lens Acting lens consist that each lens on or on the carrier wheel in a given Focal length distance from the surface of the goods to be scanned is provided and that that is located in each scanning beam, partially transparent, that of the surface reflected light beam portion reflecting one or more light-sensitive mirrors Components are connected downstream.

Um eine linien- bzw. zeilenförmige Abtastbewegung über die zu prüfende Oberfläche auszuführen, müssen die Linsen unter genauer Einhaltung des Brennweitenabstandes über die Oberfläche hinwegbewegt werden. To make a linear or line-shaped scanning movement over the to be tested Surface, the lenses must strictly adhere to the focal length distance be moved across the surface.

Die Einrichtung nach der Erfindung wird an Hand der in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispielen aufgezeigt und erläutert. The device according to the invention is illustrated in FIGS. 1, 2 and 3 illustrated embodiments shown and explained.

Das Licht einer stillstehenden Hochdrucklampe 1 wird durch eine Kondensoroptik2 gesammelt, über einen Spiegel 3 umgelenkt, durch einen halbdurchlässigen Spiegel hindurchgeführt und von einem Objektiv 5 zu einem Trägerrad 6 gelenkt. The light from a stationary high-pressure lamp 1 is passed through a condenser optics2 collected, deflected via a mirror 3, through a semi-transparent mirror passed through and steered by an objective 5 to a carrier wheel 6.

Unmittelbar um die Achse des Trägerrades 6 herum sind eine Anzahl schräggestellter Spiegelflächen 7, beispielsweise 16 Flächen, angeordnet. Der vom Objektiv 5 ; zu den Spiegelflächen 7 verlaufende Lichtstrahl 8 wird an diesen abgelenkt und auf einen weiteren am äußeren Umfang des Trägerrades 6 angebrachten Umlenkspiegel 9 geworfen, hier wiederum abgelenkt und einem unmittelbar darunter in das Trägerrad einmontierten Objektiv 10, beispielsweise einer Sammellinse, vorzugsweise plankonvexer Form zugeführt. Immediately around the axis of the carrier wheel 6 are a number inclined mirror surfaces 7, for example 16 surfaces, arranged. The from Lens 5; The light beam 8 running to the mirror surfaces 7 is deflected at these and on a further deflection mirror attached to the outer circumference of the carrier wheel 6 9 thrown, here again distracted and one immediately below into the Carrier wheel built-in lens 10, for example a converging lens, preferably plano-convex Form fed.

Die plankonvexe Sammellinse 10 projiziert einen sehr hellen Lichtfleck 11 auf die im Brennpunkt befindliche, zu prüfende Materialoberfläche 12. Je nach Güte, Brennweite, Lichtstärke und Durchmesser der Sammellinse 10 oder des Objektivs entstehen Brennflecke, deren Größe noch unterhalb einer Fläche von 1 mm2 liegen können. Da die größte Reflexionsänderung eintritt, wenn Lichtfleck und Fehlstelle gleiche Größe haben, wird die Brennfleckgröße vorteilhaft gleich der der kleinsten zu erfassenden Fehlergröße entsprechenden Fläche, in der Regel etwa 1 mm2, gewählt. The plano-convex converging lens 10 projects a very bright light spot 11 on the material surface to be tested 12 which is in the focal point, depending on Quality, focal length, light intensity and diameter of the converging lens 10 or the objective focal spots arise, the size of which is still below an area of 1 mm2 can. Since the greatest change in reflection occurs when there is a light spot and a flaw have the same size, the focal spot size is advantageously equal to that of the smallest The area corresponding to the size of the defect to be detected, usually around 1 mm2, is selected.

Das diffus an der Beobachtungsstelle reflektierte Licht wird durch die gleiche, unmittelbar über der zu prüfenden Oberfläche befindlichen Sammellinse 10 eingefangen und auf dem gleichen optischen Wege, über die Umlenkspiegel 9 und 7 zum Objektiv 5 zurückgeführt, nun aber am halbdurchlässigen Spiegel 4 abgelenkt und unter Zwischenschaltung weiterer Sammellinsen 14 zu den Photozellen 15 oder Photovervielfachern geführt. The light that is diffusely reflected at the observation point is transmitted through the same converging lens located immediately above the surface to be tested 10 captured and on the same optical path, via the deflecting mirror 9 and 7 returned to the objective 5, but now deflected at the semitransparent mirror 4 and with the interposition of further converging lenses 14 to the photocells 15 or Photomultiplier led.

Durch die Drehung des Trägerrades 6 mit den darauf montierten Umlenkspiegeln 7 und 9 sowie der Plankonvexlinse 10 beschreibt der von der feststehenden Lichtquelle 1 mit den feststehenden optischen Mitteln 2, 3, 4 und 5 ausgehende, über das Trägerrad 6 mit den Umlenkmitteln 7 und 9 sowie durch die Linse 10 auf die zu prüfende Oberfläche geworfene Lichtfleck 11 eine Kreisbahn. By rotating the carrier wheel 6 with the deflection mirrors mounted on it 7 and 9 and the planoconvex lens 10 describes that of the fixed light source 1 with the fixed optical means 2, 3, 4 and 5 outgoing via the carrier wheel 6 with the deflection means 7 and 9 and through the lens 10 onto the surface to be tested thrown light spot 11 a circular path.

Wird die zu prüfende Oberfläche 12 unter dieser Kreisbahn hinwegtransportiert und entspricht die Fördergeschwindigkeit während einer Umdrehung des Trägerrades 6 der Lichtfleckbreite, so wird die Oberfläche lückenlos abgetastet. The surface to be tested 12 is transported under this circular path and corresponds to the conveying speed during one revolution of the carrier wheel 6 of the light spot width, the surface is scanned without gaps.

Besitzt das Trägerrad 6 nur jeweils einen Umlenkspiegel 7 und 9 sowie eine Sammellinse 10, dann entspräche dies bei einer Umdrehungszahl von 6000 Upm des Trägerrades 6 bei einer lückenlosen Abtastung einer Vorschubgeschwindigkeit von 6 imin. Diese Vorschubgeschwindigkeit wäre für eine wirtschaftliche Nutzung der Prüfanlage zu geflug. If the carrier wheel 6 has only one deflection mirror 7 and 9 as well a converging lens 10, then this would correspond to a speed of rotation of 6000 rpm of the carrier wheel 6 with a gapless scanning of a feed rate from 6 imin. This feed rate would be useful for economic use the test system too flown.

Werden auf dem Umfang des Trägerrades 6 in gleichen Abständen viermal gleiche Umlenkspiegel 7, 9 und Sammellinsen 10 angeordnet, so erhöht sich die mögliche Vorschubgeschwindigkeit um das Vierfache auf 24 m/min. Are on the circumference of the carrier wheel 6 at equal intervals four times the same deflection mirrors 7, 9 and converging lenses 10 are arranged, so the possible increases Feed speed by four times to 24 m / min.

Eine weitere Verbesserung kann erzielt werden, wenn auf dem Trägerrad 6 sechzehn gleiche Umlenkspiegel 7 und 9 und sechzehn Linsen 10 angebracht werden. Dadurch würde sich die Vorschubgeschwindigkeit für eine lückenlose Abtastung abermals vervierfachen und 96 m/min erreichen. Durch die Vervielfachung der Anzahl der Umlenkspiegel geht gleichzeitig auch eine Verkleinerung der Abtastbreite auf den sechzehnten Teil einher. Diesem wird jedoch dadurch begegnet, daß gleichzeitig vier Lichtbündel mit den optischen Mitteln 2, 3, 4 und 5 auf vier nebeneinanderliegende Strahlenwege über die Umlenkspiegel 7 und 9 mit Sammellinsen 10 benutzt werden, so daß in der gleichen Zeit vier nebeneinanderliegende Teilkreisbögen abgetastet werden. Another improvement can be achieved when on the carrier wheel 6 sixteen identical deflecting mirrors 7 and 9 and sixteen lenses 10 are attached. This would increase the feed speed for a gapless scan again Quadruple and reach 96 m / min. By multiplying the number of deflecting mirrors At the same time, the scanning width is also reduced to the sixteenth part hand in hand. However, this is countered by the fact that at the same time four light bundles with the optical means 2, 3, 4 and 5 on four adjacent beam paths be used on the deflection mirror 7 and 9 with converging lenses 10, so that in the four adjacent pitch arcs are scanned at the same time.

Durch geschickte Anordnung der optischen Mittel 2, 3, 4 und 5 ist es möglich, für alle vier Strahlenwege nur eine einzige Lampe zu verwenden. Eine Überiappung der vier Abtastbahnen kann durch ein geringes gegenseitiges Versetzen der ungeraden zu den geradzahligen Linsen 10 nach außen oder innen erreicht werden, so daß die ersteren einen etwas längeren und die inneren einen etwas kürzeren Kreisbogen bei gleicher Winkelbewegung beschreiben. By clever arrangement of the optical means 2, 3, 4 and 5 is it is possible to use only one lamp for all four beam paths. One Overlap of the four scanning paths can be achieved by slightly offsetting the odd to the even-numbered lenses 10 to the outside or inside, so that the the former have a somewhat longer and the inner a somewhat shorter arc describe the same angular movement.

Für den Empfang des reflektierten Lichtes wird jedoch für jeden der vier Lichtstrahler eine Photozelle 15 oder ein Photovervielfacher vorgesehen, wodurch in vorteilhafter Weise eine exakte und eindeutige Abtastung erzielt wird. For the reception of the reflected light, however, each of the four light emitters a photocell 15 or a photomultiplier is provided, whereby an exact and unambiguous scanning is advantageously achieved.

Sollen noch höhere Fördergeschwindigkeiten des zu prüfenden Materials erreicht werden, so kann dies entweder durch eine Erhöhung der Trägerraddrehzahl, eine Verdoppelung würde einer Bahngeschwindigkeit des Prüfmaterials von 192 m/min entsprechen, oder durch eine Vergrößerung des Abtastfleckes auf beispielsweise 2 mm2 erreicht werden. Should even higher conveying speeds of the material to be tested can be achieved either by increasing the carrier wheel speed, a doubling would result in a web speed of the test material of 192 m / min correspond, or by enlarging the scanning spot to, for example, 2 mm2 can be achieved.

In Fig. 3 ist das elektromotorisch angetriebene Trägerrad 6, mit den Umlenkspiegeln 7 und 9 und den Linsen 10 über der zu prüfenden Materialoberfläche 12 angeordnet, dargestellt. Außerdem wird die Lichtstrahlführung von der Lichtquelle 1 über die Umlenkspiegel 3 durch den halbdurchlässigen Spiegel 4 hindurch und seine Weiterleitung zum Objektiv 5 zum Trägerrad 6 gezeigt. In Fig. 3, the electric motor-driven carrier wheel 6 is with the deflection mirrors 7 and 9 and the lenses 10 above the material surface to be tested 12 arranged, shown. In addition, the light beam is guided by the light source 1 through the deflecting mirror 3 through the semi-transparent mirror 4 and his Forwarding to the lens 5 to the carrier wheel 6 is shown.

Aus F i g. 2 geht die mögliche Abtastbreite 17 hervor, die etwa auf einer Basisbreite des großflächigsten Quadrates innerhalb der Kreisbahn der Sammellinsen 10 entspricht. Größere Abtastbreiten können durch eine Nebeneinanderanordnung von mehreren Trägerrädern 6 erreicht werden. In Fig. 3 ist die Anordnung der optischen Mittel und des Trägerrades für gleichzeitig vier Abtastkanäle erläutert. From Fig. 2 shows the possible scanning width 17, which is approximately a base width of the largest square within the circular path of the converging lenses 10 corresponds. Larger scanning widths can be achieved by arranging the several carrier wheels 6 can be achieved. In Fig. 3 is the arrangement of the optical Means and the carrier wheel for four scanning channels simultaneously explained.

Für die Lichtfleckprojektion zur Materialoberfläche, wie auch für den Beobachtungsweg wird der volle Strahlengang bei vollem Linsendurchmesser, ohne jede Begrenzungen oder Einschränkungen durch Blenden benutzt. Dadurch gelangt das von den Linsen 10 erfaßte, reflektierte Licht weitgehend ohne Verluste zum lichtempfindlichen Bauelement. Aus diesem Grunde kann mit der vorstehend beschriebenen Einrichtung eine optimale Fehlererfassung bei allen Arten von Materialoberflächenfehlern erfolgen. For the light spot projection to the material surface, as well as for the observation path becomes the full beam path with full lens diameter, without any limitations or restrictions imposed by diaphragms are used. This is how the detected by the lenses 10, reflected light largely without losses to the light-sensitive Component. For this reason, with the device described above optimal defect detection for all types of material surface defects.

Claims

Claim: Device for contactless, photoelectric Scanning of moving tracks or continuously moving goods for optically recognizable Defects in the surface, using the light of a fixed light source high luminance, with a number that determines the desired scanning beams of deflecting mirrors and a partially transparent one located in each scanning beam Mirror and a fixed optics, characterized in that a carrier wheel (6) with a selected according to the desired scanning width Diameter has one or more deflection systems (7, 9, 10), each from a 450 deflecting mirror (7) or prism arranged in the vicinity of the carrier wheel axis and assigned to it, from a second 450 deflecting mirror arranged near the edge (9) or prism as well as a respectively fixedly assigned to the mirror close to the edge, as Converging lens acting lens (10) exist that each lens (10) on or on the carrier wheel at a given focal distance from the surface of the goods to be scanned (12) is provided and that the located in each scanning beam, partially transparent, reflecting the light rays reflected from the surface Mirror (4) one or more light-sensitive components (14) are connected downstream.