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Die
Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Derartige
optoelektronische Vorrichtungen sind insbesondere als Lichttaster
ausgebildet, bei welchen der Sendelichtstrahlen emittierende Sender und
der Empfangslichtstrahlen empfangende Empfänger mit einer Auswerteeinheit
in einem gemeinsamen Gehäuse
untergebracht sind. Ein derartiger Lichttaster ist aus der
DE 35 136 71 bekannt. Die vom
Sender emittierten Sendelichtstrahlen sind auf ein Objekt gerichtet.
Die von dem Objekt zurückreflektierten
Empfangslichtstrahlen werden durch eine Empfangsoptik auf den Empfänger fokussiert.
Der Empfänger
besteht aus einem Nahelement und einem Fernelement. Das Verhältnis von
Nah- und Fernempfangssignal liefert ein Maß für die Distanz des Objektes.
In der Auswerteeinheit wird insbesondere die Differenz der Empfangssignale
des Nah- und Fernelements gebildet und mit einem vorgegebenen Schwellwert
verglichen, welcher einer einen Tastbereich begrenzenden Tastweite
entspricht. Damit können
Objekte innerhalb des Tastbereiches erkannt und von einem Hintergrund,
der außerhalb
des Tastbereichs liegt, unterschieden werden. Zur Einstellung der
Tastweite werden die Empfangslichtstrahlen mittels eines Drehspiegels
abgelenkt und zum Empfänger
geführt.
Dabei erfolgt die Spiegelverstellung manuell durch einen Spindelantrieb.
Die Einstellung des Spiegels erfolgt vor Inbetriebnahme des Lichttasters
und bleibt während
des anschließenden Betriebs
des Lichttasters erhalten. Befindet sich ein Objekt im Abstand der
eingestellten Tastweite, liegt der Empfangslichtfleck gerade zur
Hälfte
auf dem Nah- und Fernelement. Die Einstellung der Tastweite kann
durch Drehung des Spiegels erfolgen.
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Grundsätzlich erfolgt
die Bewertung der Empfangssignale eines Lichttasters mittels zweier Schwellwerte.
Insbesondere wird auch das Differenzempfangssignal eines Lichttasters
mit einem Nah- und Fernelement mittels zweier Schwellwerte bewertet,
woraus ein binäres
Schaltsignal abgeleitet wird. Überschreitet
das Differenzempfangssignal den oberen Schwellwert, so gilt das
Objekt als erkannt, das heißt
das Schaltsignal nimmt den Schaltzustand „ein" an. Bei Unterschreitung des unteren
Schwellwerts nimmt das Schaltsignal den Schaltzustand „aus" ein, das heißt ein Objekt
gilt als nicht erkannt. Liegt das Differenzempfangssignal innerhalb
des Hysteresebereichs zwischen den beiden Schwellwerten, so bleibt
der jeweils aktuelle Schaltzustand des Schaltsignals erhalten. Dadurch
wird ein unerwünschter Wechsel
des Schaltzustandes durch kleine Empfangssignalschwankungen aufgrund
von Störungen oder
von Rauscheffekten elektronischer Bauteile des Lichttasters verhindert.
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Ein
Nachteil derartiger Vorrichtungen besteht darin, dass bei der Objektdetektion
der Sendelichtfleck der Sendelichtstrahlen fest auf einen Punkt
der Objektoberfläche
gerichtet ist und die Distanzinformation durch die lokale Oberflächenstruktur
des Objektes wie zum Beispiel kleine Bohrungen oder Kontraständerungen
verfälscht
werden kann.
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Eine
Fehlfunktion des Lichttasters kann beispielsweise dann entstehen,
wenn bei der Objektdetektion ein Teil des Sendelichtfleckes auf
ein Oberflächenelement
des Objekts mit geringer Reflexion und der andere Teil des Sendelichtflecks
auf eine Fläche höherer Reflexion
fällt.
Dieser Fall tritt in der Regel an der Objektkante auf. Im Vergleich
zur Detektion einer homogenen Objektoberfläche werden die Empfangslichtstrahlen
von den Oberflächenelementen
unterschiedlicher Reflektivität
unterschiedlich stark zurückreflektiert,
wodurch eine Verschiebung des Schwerpunkts des Empfangslichtfleckes
auf dem vom Nah- und Fernelement gebildeten Empfänger erhalten wird. Die Verschiebung
des Schwerpunkts des Empfangslichtfleckes kann insbesondere zum Nahelement
hin erfolgen. Dadurch kann das Schaltsignal den Schaltzustand „Objekt
erkannt" einnehmen, obwohl
sich das Objekt außerhalb
der eingestellten Tastweite befindet. Dies bedeutet, dass in diesem
Fall eine Fehldetektion des Lichttasters vorliegt.
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Um
derartige Fehldetektionen zu minimieren, sollte der Durchmesser
des Sendelichtfleckes möglichst
groß gewählt werden.
Um ein steiles, das heißt
rasches und präzises
Umschaltverhalten des Schaltsignals bei der eingestellten Tastweite
zu erhalten, ist dagegen ein möglichst
kleiner Sendelichtfleck erforderlich, der für eine große Steigung des Differenzsignals
im Bereich der Schwellwerte sorgt. Bei den bekannten optoelektronischen
Vorrichtungen ist jedoch nur ein Kompromiss bezüglich der Sendelichtfleckgröße möglich.
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Die
DE 44 31 922 A1 betrifft
ein Lichtschnitt-Triangulations-Verfahren und eine Vorrichtung zur
on-line-Vermessung von bewegten Profilen, bei denen Laserlicht auf
ein Profil gelenkt und die aus dem Lichtschnitt reflektierte Strahlung
mittels einer unter einem Winkel zur Einstrahlungsrichtung angeordneten
CCD-Kamera aufgenommen wird.
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Zur
Erhöhung
der Messgenauigkeit wird vorgeschlagen, dass der Lichtschnitt in
mehrere auf einer Linie liegende Punkte aufgeteilt ist, die nacheinander
zum Zweck jeweiliger Reflexionsmessungen von einem fokussierten
und unter verschiedenen Winkeln abgelenkten Laserstrahl abgetastet
werden. Zur Ablenkung des Laserstrahls dient ein schwenkbarer Spiegel.
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Die
DE 196 04 076 betrifft
eine weitere optoelektronische Vorrichtung zur Ermittlung von Profilbildern.
Die Vorrichtung weist dabei einen Laserscanner mit wenigstens zwei
Strahlbündeln
unterschiedlicher Wellenlänge
auf.
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Die
DE 299 19 989 U1 betrifft
eine optoelektronische Vorrichtung zur Bestimmung des Höhenprofils
eines Gegenstandes mit einem einen Sendelichtstrahlen emittierenden
Sender und einem Empfangslichtstrahlen emittierenden Empfänger aufweisenden
Distanzsensor und mit einer Ablenkeinheit, mittels derer die Sendelichtstrahlen
periodisch abgelenkt und über
die Oberfläche
des Gegenstandes geführt
sind, wobei in einer Auswerteeinheit aus den Distanz werten am Ausgang
des Distanzsensors und aus den zugehörigen Ablenkwinkeln der Sendelichtstrahlen
des Höhenprofils
des Gegenstandes bestimmt wird.
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Die
DE 100 26 357 A1 betrifft
als nachveröffentlichter
Stand der Technik eine optoelektronische Vorrichtung zur Erfassung
von Struktur- und Geometriedaten einer Objektoberfläche und
Mitteln zur optischen Anzeige der ermittelten Daten, bestehend aus einem
Lichtsender, einer Sendeoptik, einem Empfänger, einer Empfangsoptik,
einer Ablenkeinheit, einer Auswerte- und Treiberschaltung und einem
Mikroprozessor. Der Sendelichtstrahl wird durch die Ablenkeinheit
periodisch abgelenkt, wobei während
einer Ablenkperiode mehrere Kontrast- und/oder Distanzwerte zur
Ermittlung der Struktur- und Geometriedaten ermittelt werden. In
Abhängigkeit
der Struktur- und Geometriedaten ist der Sendelichtfleck des Sendelichtstrahles
partiell ausblendbar, wobei die sichtbaren Segmente des Sendelichtfleckes
auf der Objektoberfläche
die Mittel zur optischen Anzeige bilden.
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Die
DE 299 11 391 U1 betrifft
ein optoelektronisches Überwachungssystem
zur Erfassung eines zu überwachenden
Raumbereichs, mit mindestens einem Bildgeber, der ein in eine Anzahl
von Bildpunkten aufgelöstes
Bild aus dem Raumbereich erfasst, einer Beleuchtungseinrichtung,
die Lichtimpulse aussendet, und einer Zeitmesseinheit. Die Zeitmesseinheit
ermittelt die Laufzeit jedes Lichtimpulses von der Aussendung durch
die Beleuchtungseinrichtung bis zum Empfang durch den Bildgeber
für mindestens
einen Bildpunkt und vergleicht diese mit einem diesem Bildpunkt
zugeordneten, vorher festgelegten Referenzwert.
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Die
DE 199 41 045 A1 betrifft
einen Schwingspiegel, der in Form einer Mikroschwingvorrichtung ausgebildet
ist. Eine mit diesem Schwingspiegel arbeitende optoelektronische
Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 ist dort
weder beschrieben noch nahegelegt.
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Die
DE 44 05 376 C1 betrifft
ein Verfahren zum Erfassen von einem zu überwachenden Bereich befindlichen
oder in diesen Bereich eindringenden Objek ten, wobei zur Überwachung
eine Vorrichtung mit wenigstens einem Sender, wenigstens einem Empfänger und
einer Auswerteeinheit eingesetzt wird. Ein vom Sender emittierter
Sendestrahl ist quer zur Strahlrichtung des Sendestrahls innerhalb
des Bereichs geführt.
Für verschiedene
Orientierungen des Sendestrahls werden die Distanzen der Objekte zur
Vorrichtung ermittelt und die Positionswerte in der Auswerteeinheit
abgespeichert.
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Zur
Erfassung von eine bestimmte Kontur aufweisenden Objekten werden
die Positions-Messwerte für
das entsprechende Objekt mit Sollwerten verglichen, die in der Auswerteeinheit
aus der Kontur des Objekts bei vorgegebener Position in dem zu überwachenden
Bereich berechnet werden. Ein die bestimmte Kontur aufweisendes
Objekt gilt als erkannt, wenn eine Mindestanzahl der Positions-Messwerte
innerhalb wenigstens eines Toleranzbandes um die Sollwerte fällt. Die
Mindestanzahl der Positionswerte und die Dimensionierung des Toleranzbandes
wird in der Auswerteeinheit unabhängig von der Streuung der Positions-Messwerte
gewählt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine optoelektronische Vorrichtung
der eingangs genannten Art so auszubilden, dass Objekte und Objektstrukturen
sicher erfassbar sind.
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Die
erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung
dient zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich und umfasst
einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einen Empfangslichtstrahlen
empfangenden Empfänger
und eine Auswerteeinheit zur Auswertung der am Empfänger anstehenden
Empfangssignale. Nur die Sendelichtstrahlen werden über einen
Schwingspiegel periodisch abgelenkt, so dass diese auf der Oberfläche des
Objektes längs
einer Abtastlinie geführt
sind. Zur Generierung eines binären
Schaltsignals, welches angibt, ob sich ein Objekt im Überwachungsbereich
befindet oder nicht, werden in der Auswerteeinheit die Empfangssignale
mit einem Schwellwert s1 bewertet und dabei in Abhängigkeit
der von Scanwinkeln gebildeten Ablenkpositionen des Schwingspiegels
ausgewertet. Das binäre
Schaltsignal nimmt einen ersten Schaltzustand „ein" ein, falls das Empfangssignal unterhalb von
s1 liegt und der Scanwinkel kleiner als ein Parameter w3 ist. Das
binäre Schaltsignal
nimmt einen zweiten Schaltzustand „aus" ein, falls das Empfangssignal oberhalb
von s1 liegt und der Scanwinkel größer als ein Parameter w2 ist.
Der Bereich zwischen w2 und w3 bildet eine Schalthysterese.
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Der
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, ein in einer bestimmten
Distanz zur optoelektronischen Vorrichtung angeordnetes Objekt nicht
statisch und punktuell mittels eines auf die Objektoberfläche abgebildeten
Sendelichtflecks zu erfassen. Erfindungsgemäß werden die Sendelichtstrahlen
durch die Umlenkung am Schwingspiegel längs einer Abtastlinie über die
Objektoberfläche
geführt.
Die Empfangssignale des Empfängers
werden dann winkelaufgelöst,
das heißt
in Abhängigkeit
der Ablenkposition des Schwingspiegels ausgewertet.
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Dadurch
kann die Oberflächenbeschaffenheit
des Objektes erfasst werden. Insbesondere können damit Fehldetektionen
der Vorrichtung, die durch die Oberflächenbeschaffenheit des Objektes
verursacht sind, weitgehend vermieden werden.
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Insbesondere
ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
eine äußerst präzise Einstellung
der Tastweite und damit eine genaue Definition eines Tastbereichs,
innerhalb dessen ein Objekt erkannt wird, möglich. Damit können insbesondere
Hintergrundsignale von Objekten außerhalb des Tastbereichs mit
großer
Sicherheit und weitgehend unabhängig
von deren Oberflächenbeschaffenheit
ausgeblendet werden.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung
besteht darin, dass diese ein präzises
und reproduzierbares Schaltverhalten aufweist. Insbesondere ist
vorteilhaft, dass der sich über
einen Teilbereich innerhalb des von den Sendelichtstrahlen überstrichenen
Winkelbereichs erstreckende Hysteresebereich klein gewählt werden kann.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung
ist darin zu sehen, dass neben einer bloßen Anwesenheitskontrolle von Objekten
auch eine Erfassung von Strukturen von Objekten und deren Oberflächen möglich ist.
Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung
von Höhenprofilen,
insbesondere Kantenstrukturen von Objekten. Weiterhin ist eine Erfassung
von Kontrastmustern möglich.
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Die
Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der optoelektronischen
Vorrichtung.
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2a:
Schematische Darstellung der optischen Komponenten der optoelektronischen
Vorrichtung gemäß 1.
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2b:
Empfangssignalverläufe
für die
optische Vorrichtung gemäß 1.
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2c:
Perspektivische Darstellung eines Schwingspiegels für die Vorrichtung
gemäß 1.
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3a:
Zweites Ausführungsbeispiel
der optoelektronischen Vorrichtung.
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3b:
Empfangssignal an den Ausgängen des
Empfängers
der Vorrichtung gemäß 3a.
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4a:
Drittes Ausführungsbeispiel
der optoelektronischen Vorrichtung.
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4b:
Empfangssignalverlauf für
die Vorrichtung gemäß 4a.
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5a:
Viertes Ausführungsbeispiel
der optoelektronischen Vorrichtung.
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5b:
Empfangssignalverlauf für
die Vorrichtung gemäß 5a.
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6a:
Anwendungsbeispiel einer Kantendetektion mittels der Vorrichtung
gemäß 5a.
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6b:
Empfangssignalverlauf für
das Anwendungsbeispiel gemäß 6a.
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6c:
Anwendungsbeispiel einer Textranderkennung mittels der Vorrichtung
gemäß 5a.
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7a: Anwendungsbeispiel einer Detektion
eines schmalen Objektes mittels der Vorrichtung gemäß 5a.
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7b: Empfangssignalverlauf für das Anwendungsbeispiel
gemäß 7a.
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8a: Anwendungsbeispiel einer Objekterfassung
mittels eines Korrelationsverfahrens.
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8b: Empfangssignalverläufe und Korrelationssignal
für das
Anwendungsbeispiel gemäß 8a.
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1 zeigt
das Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der optoelektronischen
Vorrichtung 1. Die optoelektronische Vorrichtung 1 ist
als Lichttaster ausgebildet und weist einen Sendelichtstrahlen 2 emittierenden
Sender 3 und einen Empfangslichtstrahlen 4 empfangenden
Empfänger 5 auf. Der
Empfänger 5 ist
als ortsauflösender
Detektor ausgebildet und weist ein Fernelement 5a und ein Nahelement 5b auf.
Das Nah- 5b und Fernelement 5a kann jeweils von
einer separaten Fotodiode gebildet sein. Alternativ kann der Empfänger 5 von
einer Differentialdiode gebildet sein. Die Sendelichtstrahlen 2 werden
durch einen Schwingspiegel 6 periodisch abgelenkt, so dass
die Sendelichtstrahlen 2 auf dem zu detektierenden Objekt 7 eine
Abtastlinie 8 bilden, die auf dem Fernelement 5a und
dem Nahelement 5b des Empfängers 5 abgebildet
wird. Dabei werden die Empfangslichtstrahlen 4 nicht über den Schwingspiegel 6 geführt und
gelangen direkt zum Empfänger 5.
Die Empfangssignale des Empfängers 5,
nämlich
das Empfangssignal U_nah des Nahelements 5b und das Empfangssignal
U_fern des Fernelements 5a werden einem Subtrahierglied 9 und
einem Summierglied 10 zugeführt. Das Subtrahierglied 9 bildet
die Differenz U_diff = U_nah – U_fern
der Empfangssignale des Nah- 5b und Fernelementes 5a und
das Summierglied 10 die Summe U_sum = U_nah + U_fern. Die
Ausgänge
des Subtrahierglieds 9 und des Summierglieds 10 sind
auf eine Auswerteeinheit 11 geführt. Die Auswerteeinheit 11,
die vorzugsweise durch einen Mikroprozessor gebildet wird, liest
die Signale U_diff und U_sum in Abhängigkeit des Scanwinkels, das
heißt
in Abhängigkeit
der Ablenkposition des Schwingspiegels 6 ein. Diese Signale
bilden ein Maß für die Objektdistanz.
In der Auswerteeinheit 11 werden die Signale U_diff und U_sum
vorzugsweise jeweils mittels wenigstens eines Schwellwerts bewertet.
Dadurch wird wenigstens ein binäres
Schaltsignal generiert, welches angibt, ob sich ein Objekt 7 innerhalb
eines Überwachungsbereichs
befindet oder nicht. Das binäre
Schaltsignal wird über
einen Ausgang 12 ausgegeben. Weiterhin können aus
den Signalen U_diff und U_sum analoge Distanzmesswerte abgeleitet
werden. Über
eine serielle Schnittstelle 13 können Parametrierdaten eingelesen
und Distanzmesswerte ausgegeben werden. Die Auswerteeinheit 11 steuert
außerdem
den Sender 3 zur Modulation des Sendelichtstrahls 2.
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2a zeigt
die optischen Komponenten der optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß 1 mit dem
Empfänger 5,
der durch das Fernelement 5a und das Nahelement 5b gebildet
ist. Dem Sender 3, der vorzugsweise von einer Laserdiode
gebildet ist, ist ein Kollimator 14 nachgeschaltet. Der
kollimierte Sendelichtstrahl 2 wird durch den Schwingspiegel 6, der
vorzugsweise durch einen Mikroscanspiegel gebildet wird, sinusförmig abgelenkt,
wobei der Winkelbereich der von den am Schwingspiegel 6 abgelenkten
Sendelichtstrahlen 2 überstrichen
wird, im Bereich zwischen 5° und
15° liegt
und vorzugsweise 10° beträgt. Die
Abtastlinie 8 auf dem Objekt 7 wird durch die
Empfangsoptik 15 auf den Empfänger 5 abgebildet.
Dadurch wandert der Empfangslichtfleck bei der dargestellten Objektdistanz
periodisch entlang einer Strecke d2 zwischen dem Fern- 5a und
Nahelement 5b.
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2b zeigt
den Verlauf der Empfangssignale U, insbesondere der Signale U_diff
und U_sum als Funktion des Scanwinkels für die Anordnung gemäß 2a.
Bei einer ebenen, homogenen diffus reflektierenden Objektoberfläche bleibt
die Summenspannung U_sum nahezu konstant. Mit zunehmendem Scanwinkel
wandert der Empfangslichtfleck auf dem Empfänger 5 vom Fernelement 5a zum
Nahelement 5b und die Differenzspannung U_diff wechselt von
einem negativen zu einem positiven Pegel und überschreitet schließlich bei
einem Scanwinkel w1 den Schwellwert s1, der dicht oberhalb des Wertes
U = 0 liegt. Der Schwellwert s1 definiert im Wesentlichen die Tastweite,
die den Tastbereich, innerhalb dessen Objekte 7 erfasst
werden sollen, begrenzt. Wie aus 2b ersichtlich
nimmt das mittels des Schwellwerts s1 generierte binäre Schaltsignal
im Wesentlichen den Schaltzustand „ein" (Objekt erkannt) ein, falls die Differenz
U_diff oberhalb von s1 liegt. Andererseits wird der Schaltzustand „aus" (kein Objekt vorhanden)
erhalten, falls U_diff unterhalb von s1 liegt. Zudem sind als weitere
Parameter zur Definition des Schaltzustands die Scanwinkel w2 und
w3 über
die Auswerteeinheit 11 vorgegeben. Durch den Scanwinkel
w3 und den Schwellwert s1 wird ein Einschaltbereich definiert, das
heißt
das binäre
Schaltsignal nimmt den Schaltzustand „ein" ein, wenn die Differenzspannung U_diff
größer als
s1 ist und der Scanwinkel kleiner als w2 ist. Durch den Scanwinkel
w2 und den Schwellwert s1 wird ein Ausschaltbereich definiert, das
heißt
das binäre
Schaltsignal nimmt den Schaltzustand „aus" ein, wenn U_diff kleiner als s1 und
der Scanwinkel größer als
w3 ist. Der Bereich zwischen w2 und w3 bildet somit eine Schalthysterese,
die verhindert, das Stör-
oder Rauschsignale zu einem unbeabsichtigten Umschalten des Signals
am Ausgang 12 führen.
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Der
Vorteil dieser Vorrichtung 1 besteht darin, dass durch
den kleinen Abtastlichtfleck ein Überschreiten oder Unterschreiten
des Schwellwerts s1 bereits durch eine kleine Objektdistanzänderung
erfolgt und sich die Ansprechdistanz für helle und dunkle Objektoberflächen nur
geringfügig
unterscheidet.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass infolge der winkelabhängigen Auswertung der Empfangssignale auch
bei Verwendung eines einzigen Schwellwerts s1 eine genaue Distanzinformation
bei der Objekterfassung erhalten wird. Mit Hilfe von weiteren Schwellwerten
können
mehrere, voneinander unabhängige Schalt-
und Warnsignale generiert werden.
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Da
bei jeder Abtastperiode der Sendelichtstrahlen 2 der Hysteresebereich
durchlaufen wird, kann der Ein- und Ausschaltpunkt des Lichttasters
sicher ermittelt und die optimale, kleinstmögliche Hysterese eingestellt
werden.
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Außerdem kann
während
des Abtastvorgangs die Summenspannung U_sum bezüglich Amplitudenänderungen
kontrolliert und damit das Messergebnis auf Plausibilität geprüft werden.
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Zur
Erhöhung
der Detektionssicherheit sind insbesondere folgende Plausibilitätskontrollen
möglich. Übersteigt
die Abweichung der momentanen Summenspannung U_sum einen Summenspannungsmittelwert
um einen definierten Prozentsatz (zum Beispiel 50 %), so werden
die Messwerte in diesem Scanbereich nicht ausgewertet. Dadurch wird ein
Loch oder eine lokale Erhebung in der Objektoberfläche ausgespart.
Ist der Verlauf der Summenspannung U_sum stetig fallend oder steigend,
liegt eine geeignete Objektoberfläche vor. Unterschreitet die
Summenspannung U_sum einen Mindestwert, ist der Messwert ungültig und
die Auswertung wird abgebrochen. Ist die Streubreite der Signalamplituden in
Abhängigkeit
des Scanwinkels größer als
ein zulässiger
Maximalwert, deutet das auf einen geringen Reflexionsgrad des Objektes 7 (zum
Beispiel spiegelnde Teilflächen)
hin und der Messwert ist in diesem Bereich ungültig.
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2c zeigt
den Aufbau eines als Mikroscanspiegel ausgebildeten Schwingspiegels 6.
Der Schwingspiegel 6 ist von einer aluminiumbeschichteten
Siliziumplatte 16 und zwei Torsionsstegen 17 gebildet.
Der seitliche Teil der Siliziumplatte 16 bildet mit dem
Rahmen eine Elektrode, die beim Anlegen einer Wechselspannung zur
elektrostatischen Schwingungsanregung dient. Bei der Anregung mit
der Resonanzfrequenz des Schwingspiegels 6 (ca. 200 Hz bis
20 kHz) sind Spiegelauslenkungen bis ca. 15° realisierbar. Der Mikroscanspiegel
ist in einem nicht dargestellten, mit einer Frontscheibe versehenen Gehäuse untergebracht.
Eine Ansteuerschaltung, die im gleichen Gehäuse integriert sein kann, erfasst
die Spiegelposition und regt diesen synchron an, so dass eine Resonanzschwingung
mit definierter Auslenkung entsteht. Der Scanwinkel, beziehungsweise
der Schwingungsnulldurchgang wird als Signal an die Auswerteeinheit 11 ausgegeben.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
der optoelektronischen Vorrichtung 1 ist in 3a dargestellt. Der
Aufbau dieser Vorrichtung 1 entspricht der Vorrichtung 1 gemäß den 1 und 2. Lediglich der Empfänger 5 ist im vorliegenden
Fall durch eine CCD-Zeile mit einer Anzahl n von CCD-Zellen gebildet. 3a zeigt
die Verläufe
der Sende- 2 und Empfangslichtstrahlen 4 für die Detektion
von Objekten 7 in verschiedenen Distanzen d4 und d5. Durch
die Veränderung
der Objektdistanz verschiebt sich die Abbildung der Abtastlinie 8 auf
dem Empfänger 5 um eine
Strecke d3.
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In 3b ist
das Empfangssignal U des Empfängers 5 für die Objektdetektion
im Abstand d5 (gestrichelte Linie) und im Abstand d4 (durchgezogene
Linie) dargestellt. Das Empfangssignal des Empfängers 5 ist dabei
von den einzelnen Ladungen der CCD-Zellen gebildet, die in die Auswerteeinheit 11 eingelesen
werden. Zur Bestimmung der Objektdistanz werden die Ladungen der
einzelnen CCD-Zellen ausgelesen. Daraus wird in der Auswerteeinheit 11 der
Schwerpunkt ml des dargestellten Signalpeaks berechnet, dessen Position
ein Maß für den Objektabstand
d4 darstellt. Auf gleiche Weise wird bei der Distanzmessung bei
dem in der Entfernung d5 liegenden Objekt 7 der Schwerpunkt
m2 berechnet. Bei kürzerem
Objektabstand d5 (gestrichelt dargestellt) verschiebt sich der Schwerpunkt
m2 auf der CCD-Zeile nach links. Der Pegelverlauf eines Signalpeaks
kann zur Plausibilitätskontroll
e verwendet werden. Die Empfangssignale können prinzipiell nach jeder
Abtastperiode aus der CCD-Zeile ausgelesen werden. Besonders vorteilhaft
erfolgt das Auslesen der Empfangssignale jeweils nach einer bestimmten
Anzahl von Abtastungen der Sendelichtstrahlen 2, das heißt die Signalauswertung
erfolgt in größeren Abständen als
die Periode der Abtastung der Sendelichtstrahlen 2.
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4a zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel der
optoelektronischen Vorrichtung 1. Der Aufbau der Vorrichtung 1 ist
weitgehend identisch mit dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2. Im Unterschied hierzu ist bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4a der
Empfänger 5 von
einem schmalen Empfangselement gebildet. Dadurch gelangt nur in einem
kleinen Scanwinkelbereich Empfangslicht auf den Empfänger 5.
Der in 4b dargestellte Scanwinkel w4,
bei dem das Empfangslicht seine maximale Amplitude erreicht, ist
ein Maß für die Objektdistanz.
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Die
geringe Empfangselementfläche
hat den Vorteil, dass das Empfangsgesichtsfeld sehr schmal ist und
dadurch diffuses Fremdlicht nur geringe Empfangssignalpegel bewirkt.
Die Auswertung des Empfangssignals, insbesondere zur Generierung
eines binären
Schaltsignals, erfolgt analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 mittels wenigstens eines Schwellwertes.
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Die
nachfolgenden Ausführungsbeispiele verwenden
eine optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß 5a,
bei der der Empfänger 5 durch
eine großflächige Fotodiode
gebildet wird. Ansonsten entspricht der Aufbau der Vorrichtung 1 gemäß 5a dem
Aufbau gemäß 4a.
Die bei der Objektdetektion durch Kontur- oder Kontrastunterschiede
der Objekte 7 entstehenden energetisch bedingten Amplitudenänderungen
des Empfangssignals werden in Abhängigkeit des Scanwinkels ausgewertet.
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Das
Anwendungsbeispiel gemäß 5a zeigt
eine Detektion eines Objektes 7, dessen Oberfläche eine
Einkerbung aufweist. Um die Einkerbung von dem Rest der Oberfläche zu unterscheiden,
wird das Empfangssignal mit in der Auswerteeinheit 11 abgespeicherten
Referenzwerten verglichen. In 5b ist
der Amplitudenverlauf des Empfangssignals (durchgezogene Linie)
dargestellt, der bei der Abtastung des Objektes 7 gemäß 5a erhalten wird.
In 5b ist gestrichelt der Signalverlauf dargestellt,
welcher bei Detektion einer ebenen Ober fläche erhalten wird und welcher
insbesondere als Referenz in der Auswerteeinheit 11 abgespeichert
werden kann.
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In
Erweiterung des Ausführungsbeispiels
gemäß 5a können mit
der Vorrichtung 1 auch bestimmte Kontrastmuster erfasst
werden, wobei dann bestimmte Referenz-Kontrastmuster in der Auswerteeinheit 11 abgespeichert
sind.
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Als
Kontrastmuster können
Bedruckungen auf Verpackungen, wie zum Beispiel ein Barcode, detektiert
werden.
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6a zeigt
als weiteres Ausführungsbeispiel
die Detektion einer Objektkante. Derartige in 6a dargestellte
Objekte 7 können
insbesondere von Regalpfosten in Regalsystemen gebildet sein. Zur
Positionierung von Palettenförderern
müssen derartige
Kanten von Pfosten möglichst
exakt und frühzeitig
erkannt werden. Bei herkömmlichen
Lichttastern werden derartige Objekte 7 erst dann erkannt, wenn
deren Sendelichtstrahlen 2 exakt auf die Kante ausgerichtet
sind.
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Aufgrund
der Ablenkbewegung der Sendelichtstrahlen 2 wird mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dagegen
ein Flächenbereich
abgetastet, so dass bei seitlichem Anfahren der Kante diese bereits
früher
erkannt wird, wodurch eine Positionierfahrt rechtzeitig eingeleitet
werden kann. Kurz vor Erreichen der Endposition der Palettenförderung
wird die höchste
Positioniergenauigkeit gefordert, wobei Bohrungen im Regalpfosten
auszublenden sind. Diese Anforderungen können mit der erfindungsgemäßen optoelektronischen
Vorrichtung 1 erfüllt
werden.
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6b zeigt
den Empfangssignalverlauf in Abhängigkeit
des Scanwinkels für
die Anordnung gemäß 6a.
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Mit
Hilfe des Schwellwerts s1 kann, wie in 6b dargestellt,
der Scanwinkel w5, und damit die Kantenposition ermittelt werden.
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Der
Vorteil gegenüber
bekannten Kantensensoren ist, dass die Kante vor Erreichen der Endposition
erkannt und Störstellen
in Kantennähe,
wie zum Beispiel Bohrungen, ausgeblendet werden können.
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Die
gleiche Anordnung kann auch zur Detektion von Kontrastmustern eingesetzt
werden. In diesem Fall werden mit der Vorrichtung 1 Kanten
zwischen Flächen
unterschiedlicher Reflektivität
erfasst.
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Beispiele
hierfür
sind ein dunkles, flaches Objekt 7 auf hellem Untergrund,
oder umgekehrt ein helles Objekt 7 auf dunklem Hintergrund.
Voraussetzung für
eine Kantendetektion ist, dass die Abtastlinie 8 der Vorrichtung 1 den
Hintergrund und das Objekt 7 erfasst. Die Kantenerfassung
kann analog zu 6b mittels einer Schwellwertbewertung
erfolgen, so dass als Ausgangssignal ein binäres Signal generiert wird.
Alternativ kann ein analoger Grauwertunterschied, bezogen auf die
Referenzfläche
ausgegeben werden.
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6c zeigt
ein typisches Anwendungsbeispiel für eine derartige Kontrastdetektion.
Dabei wird mit der Vorrichtung 1 eine Textranderkennung
durchgeführt,
wobei die Abtastlinie 8 den unbeschrifteten Rand (Referenzfläche) und
das benachbarte Textfeld 18 erfasst, woraus die Position
des Textrandes ermittelt werden kann.
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7a zeigt ein Anwendungsbeispiel, bei welchem
mit der optoelektronischen Vorrichtung 1 ein schmales,
balkenförmiges
Objekt 7 erfasst wird, welches auf einer ebenen Unterlage
liegt. Derartige schmale Objekte 7 können mittels herkömmlichen Lichttastern,
die Sendelichtstrahlen 2 mit großen Sendelichtflecken aufweisen,
nicht sicher detektiert werden, da der Sendelichtfleck größer als
der Durchmesser des Objektes 7 ist. Der Sendelichtfleck
der Sendelichtstrahlen 2 wird wie in 7a dargestellt über das
schmale Objekt 7 geführt
und trifft bei dem Scanwinkel w6 auf die Oberseite des Objekts 7,
wodurch ein hoher Empfangspegel generiert wird, der einen Schwellwert
s1 übersteigt.
Der in 7b dargestellte Schwellwert
s1 wird als s1 > U_ref
definiert, wobei U_ref dem vor zugsweise gemittelten Amplitudenwert
bei der Abtastung der Unterlage entspricht. Durch eine geeignete
Wahl von s1 und U_ref kann das Objekt 7 auch dann sicher
erfasst werden, wenn dieses dicht vor der Unterlage liegt, das heißt wenn dieses
eine geringe Höhe
aufweist.
-
8a zeigt eine Anordnung der optoelektronischen
Vorrichtung 1 zur Abtastung der Oberflächenkontur eines Objektes 7,
welches sich vor einem nicht dargestellten Hintergrund bewegt. Die
Objektdetektion erfolgt mittels eines Korrelationsverfahrens. Wie
in 8b dargestellt, werden die zeitlichen Verläufe der
Empfangssignale U(t), U(t – 1)
miteinander korreliert. Die dadurch gebildete Korrelationsfunktion
K(t) weist entsprechend der Objektbewegung bei dt einen Peak auf.
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- 1
- Optoelektronische
Vorrichtung
- 2
- Sendelichtstrahlen
- 3
- Sender
- 4
- Empfangslichtstrahlen
- 5
- Empfänger
- 5a
- Fernelement
- 5b
- Nahelement
- 6
- Schwingspiegel
- 7
- Objekt
- 8
- Abtastlinie
- 9
- Subtrahierglied
- 10
- Summierglied
- 11
- Auswerteeinheit
- 12
- Ausgang
- 13
- Serielle
Schnittstelle
- 14
- Kollimator
- 15
- Empfangsoptik
- 16
- Siliziumplatte
- 17
- Torsionsstege
- 18
- Textfeld