CH695028A5 - Optoelektronischer Distanzsensor und Verfahren zur optoelektronischen Distanzmessung. - Google Patents

Description

  



   Die vorliegende Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor  zur Distanzmessung und/oder distanzabhängigen Objekterkennung und  ein Verfahren zur optoelektronischen Distanzmessung und/oder distanzabhängigen  Objekterkennung, gemäss den unabhängigen Patentansprüchen. Der Sensor  und das Verfahren basieren auf Triangulationsmessung. 



   Derartige Sensoren können einerseits zur Messung der Distanz zu einem  Objekt eingesetzt werden, wobei die Ausgangssignale kontinuierliche  Werte oder doch eine Vielzahl von diskreten Werten aus einem Intervall  sind und ein Mass für die Distanz darstellen. Andererseits werden  derartige Sensoren häufig bloss zur Feststellung bzw. Erkennung des  Vorhandenseins eines Objektes in einem bestimmten Überwachungsbereich  eingesetzt, wobei als Ausgangssignale nur zwei binäre Werte "1" ("Objekt  vorhanden") oder "0" ("kein Objekt vorhanden") in Frage kommen. Wenn  in dieser Schrift von "Distanzsensoren" die Rede ist, so sind damit  immer Sensoren gemeint, welche sich für die eine und/oder für die  andere Anwendung eignen. 



   Der Stand der Technik und die Erfindung werden anhand von Figuren  detailliert erläutert. Dabei zeigen schematisch:        Fig.  1 eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Distanzsensors,     Fig. 2 Signalverhältnisse für einen Doppelempfanger gemäss Stand  der Technik,     Fig. 3 Signalverhältnisse für ein nicht-unterteiltes  PSD gemäss Stand der Technik,     Fig. 4 Signalverhältnisse für  ein unterteiltes PSD gemäss Stand der Technik,     Fig. 5 ein durch  eine Steuereinheit variabel unterteilbares PSD, und     Fig. 6  ein durch eine Steuerschaltung variabel unterteilbares Empfangerarray.  



   Bekannt sind optoelektronische Distanzsensoren auf Triangulationsbasis,  welche mit zwei benachbarten Fotoempfangern arbeiten. Ein Beispiel  für ein Lichtempfangselement 31, welches aus zwei Fotoempfängern  31.1, 31.2 zusammengesetzt ist und auf welches ein Empfangslichtfleck  33 auftrifft, ist für drei verschiedene Situationen schematisch in  Fig. 2 dargestellt. Die Schaltdistanz hängt hier von der Position  des Überganges der beiden Empfänger 31.1, 31.2 ab; in der Regel erfolgt  die Distanzeinstellung durch mechanische Verschiebung der beiden  Empfänger 31.1, 31.2 bzw. einer (nicht dargestellten) vorgeschalteten  Empfangerlinse. 



   Die Auswertung der Positionsinformation erfolgt in der Regel durch  Vergleich der beiden Fotoströme I 1 , I 2  entweder durch Subtraktion  oder durch Division (vgl. DE-4 419 032). Im Fall der Subtraktion  wird deren Resultat anschliessend mit einem Schwellwert verglichen.  Dies ist notwendig, damit das Nutzsignal genügend Abstand vom systembedingten  Rauschen erhält. Der Schwellwert hat somit eine Grosse, welche einem  Vielfachen des Rauschpegels entspricht. Wird dieser Schwellwert überschritten,  ist ein Gegenstand im Überwachungsbereich festgestellt worden. 



     Ebenfalls bekannt, bspw. aus der Patentschrift US-4 601 574, sind  Triangulationssensoren, die mit einem positionsempfindlichen Element  (position sensitive device, PSD) arbeiten. Ein solcher PSD-Lichtempfänger  31 mit einem darauf auftreffenden Lichtfleck 33 ist für zwei verschiedene  Situationen schematisch in Fig. 3 dargestellt. Hier findet zwecks  Einstellung eines gewünschten Schaltpunktes keine mechanische Verstellung  des Empfangssystems statt; die Einstellung kann auf elektronischem  Weg erreicht werden. Dazu wird ein Divisionsverfahren angewendet:  y = (I 1  - I 2 )/(I 1  +I 2 ) liefert die Position y des Flächenschwerpunktes  des Empfangslichtflecks 33 aus den beiden Fotoströmen I 1 , I 2 .  Daraus kann die Distanz zum Objekt abgeleitet werden; durch Vergleich  mit entsprechenden Schwellwerten können binäre Gegestandsfeststellungssignale  gesetzt werden.

   Bei diesem Verfahren ist es Stand der Technik, die  erwähnten Schwellwerte mittels dem Teach-in-Verfahren einzulernen  und innerhalb des Sensorsystems nichtflüchtig abzuspeichern. 



   Der Hauptnachteil dieses Verfahrens, auf binäre Gegenstandsfeststellungssignale  betrachtet, liegt darin, dass im Vergleich zum vorherigen Verfahren  mit zwei benachbarten Fotoempfängern der Einfluss des Rauschens auf  den ermittelten Distanzwert bedeutend grösser und somit die Messgenauigkeit  des Systems bedeutend geringer ist. Dies lässt sich einfach erklären:  Um von der Situation I 1  = 100%, I 2  = 0% zur Situation I 1  =  0%, I 2  = 100% zu wechseln, muss beim PSD-Verfahren (Fig. 3) der  Empfangsfleck 33 von einem Ende des PSDs 31 zum andern wandern, also  den gesamten Distanzmessbereich durchlaufen. Beim Doppelempfangersystem  (Fig. 2) ist dazu hingegen nur die Länge bzw. der Durchmesser des  Empfangslichtflecks 33 nötig: I 1  = 100%, I 2  = 0% ist der Fall,  wenn sich der Lichtfleck 33 komplett auf einem der Empfänger 31.1  befindet.

   Bewegt sich der Lichtfleck 33 nun zum anderen Empfänger  31.2, so nimmt I 1  ab und I 2  zu; bei    I 1  = 0%, I 2  = 100%  ist der Lichtfleck 33 komplett auf dem anderen Empfänger 31.2. Wendet  man dies auf die durch Rauschen verursachte Messungenauigkeit an,  so sieht man, dass die Rauschspannung, die in beiden Fällen etwa  gleich ist, im ersten Fall (Fig. 3) auf die gesamte Detektorlänge  relativiert werden muss, im zweiten Fall (Fig. 2) lediglich auf die  Länge des Empfangslichtflecks. 



   Deshalb versucht der Fachmann, für die Ermittlung eines binären Gegenstandsfeststellungssignals  den Messbereich des PSDs 31 auf die tatsächlich benötigte Messzone  31.1 einzuschränken und dadurch die rauschbedingte Messungenauigkeit  massiv zu reduzieren. Auf diese Weise wird der zu betrachtende Distanzbereich,  welcher einem jeweiligen Fotostromverhältnis des PSDs 31 entspricht,  massiv verkleinert, wie etwa in Fig. 4 dargestellt. Dadurch entspricht  eine bestimmte Rauschspannung nur noch einem Bruchteil der Ungenauigkeit  bezüglich Distanz; die rauschäquivalente Distanz bezieht sich jetzt  auf eine bedeutend kleinere Messzone. Die Fotoströme der Messzone  31.1 werden in dieser Schrift mit I 1 ', I 2 ' bezeichnet. Die Auswahl  der Messzone 31.1 geschieht üblicherweise mittels einer (nicht dargestellten)  Steuerschaltung. 



   Aus der Patentschrift US-4 849 781 ist ein Verfahren bekannt, welches  schematisch in Fig. 5 dargestellt ist. Dabei wird ein positionsempfindliches  Element 31 mit Abgriffen 34.1-34.5 versehen, welche von einer Steuerschaltung  4 mittels elektronischer Schalter 5.1, 5.2 ausgewählt werden können.  So ist es möglich, den näher zu betrachtenden Distanzmessbereich  rein elektronisch einzustellen. 



   Ein weiterer Nachteil des vom PSD bekannten Verfahrens gegenüber  demjenigen mit Doppelempfänger ist die wesentlich aufwendigere Signalverarbeitung.  Während man die Differenz zweier Signale praktisch ohne Aufwand vor  dem Signalverstärker bilden    kann und somit anschliessend nur einen  Verstärkerkanal benötigt, kann man den Quotienten nur durch relativ  grossen Aufwand und nur mit bereits auf genügende Signalgrössen verstärkten  Signalen bilden. Dies setzt somit voraus, dass zwei Signalverstärker  eingesetzt werden. 



   Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optoelektronischen  Distanzsensor zu schaffen und ein Verfahren zur optoelektronischen  Distanzmessung anzugeben, welche die beiden obigen Hauptnachteile  vermeidet. Die Aufgabe wird gelöst durch den Sensor und das Verfahren,  wie sie in den unabhängigen Patentansprüchen definiert sind. 



   Die Erfindung beruht auf einer Kombination von zwei Massnahmen:  - Reduktion der betrachteten Empfängerzone auf die ungefähre Grössenordnung  des Empfangslichtflecks durch die Steuerschaltung, um die rauschbedingte  Messungenauigkeit zu reduzieren. - Auswerteschaltung mit Additions-  oder Subtraktionsstufe, welche zusätzlich um mindestens eine variable  Verstärkerstufe erweitert ist. Auf diese Weise kann das System eine  kontinuierliche Verstellbarkeit der Distanz gewährleisten. 



   Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Ausführungsform des erfindungsgemässen  Distanzsensors 1. Der Sensor 1 beinhaltet ein Triangulationssystem  mit einer Sendeeinheit 2 und einer Empfangseinheit 3. Die Sendeeinheit  2 enthält eine Sendelichtquelle 21, welche z.B. durch eine erste  Linse 22 ein Sendelichtbündel 20 in einen Überwachungsbereich 90  aussendet.

   (Unter "licht" wird in dieser Schrift jegliche elektromagnetische  Strahlung verstanden, insbesondere ultraviolette Strahlung (UV),  sichtbares Licht oder infrarote Strahlung (Ä).) Bei einem vorhandenen  Objekt 9 im Überwachungsbereich 90 wird Licht am Objekt 9    reflektiert  bzw. gestreut und läuft als Empfangslicht 30 durch eine zweite Linse  32 zur Empfangseinheit 3, Der Winkel a zwischen dem zurückgeworfenen  Empfangslichtbündel 30 und der Empfangseinheit 3 ist abhängig vom  Abstand d des Objektes 9 zur Empfangseinheit 3; deshalb trifft das  Empfangslichtbündel 30 als Empfangslichtfleck 33 in einer von Abstand  d abhängigen Stelle auf der Empfangseinheit 3 auf.

   Die Empfangseinheit  3 beinhaltet ein Empfängerelement 31, welches in der Regel ein positionsempfindliches  Element (PSD) ist; es kann sich aber auch eine Fotoempfängeranordnung  handeln, wo mehrere Empfänger zu zwei oder mehreren gewünschten Distanzbereichen  entsprechenden Zonen zusammengefasst sind. 



   Das Empfangerelement 31 weist über seine Länge verteilte Abgriffe  34.1-34.5 auf, welche Distanzmesszonen entsprechen. Das PSD 31 kann  bspw. von einer Steuerschaltung 4 durch elektronische Schalter 5.1,  5.2 in variable Zonen unterteilt werden. Diese Zonen werden von der  Steuerschaltung abhängig von dem gewünschten Erfassungsbereich ausgewählt.  Letzterer wird vorteilhaft durch ein vorgängiges Einlernen anhand  der jeweiligen Messsituation ermittelt. 



   Das PSD 31 hat die Eigenschaft, die Position y des Empfangslichtflecks  33 mittels der Verteilung zweier Fotoströme I 1 ', I 2 ' anzuzeigen:  - Wenn I 1 ' = I 2 ' > 0, dann befindet sich der Empfangslichtfleck  33 genau in der Mitte der betrachteten Zone (y = 0). - Wenn I 1  ' > 0 und I 2 ' = 0, dann befindet sich der Empfangslichtfleck  33 gänzlich in Zone 1 (y = +1). - Wenn I 2 ' >  0  und I 1 '  = 0, dann befindet sich der Empfangslichtfleck 33 gänzlich in Zone  2 (y = -1). - Dazwischen gilt: y = (I 1 '-I 2 ')/(I 1 ' + l 2 ');  - Ky <+1. 



     Somit lässt sich die Position y des Empfangslichtflecks 33 exakt  bestimmen, sofern man gewillt ist, die Fotoströme I 1 ' und I 2 '  getrennt zu verstärken und eine Divisionsstufe zu verwenden. 



   Dies stellt in der Praxis einen erheblichen Aufwand dar. Deshalb  soll in der erfindungsgemässen Anordnung das Subtraktionsverfahren  Verwendung finden, wie es von Sensoren bekannt ist, welche mehrere  benachbarte Fotoempfänger, beispielsweise Fotodioden, aufweisen.  Zwecks Subtraktion beinhaltet der erfindungsgemässe Sensor 1 eine  Subtraktionsstufe 7, gefolgt von einer Auswerteeinheit) 8. Da wegen  der Remissionsabhängigkeit der Fotoströme ihr Differenzbetrag nicht  mit einer Distanz gleichgesetzt werden kann, kann durch direkte Subtraktion  beider Fotoströme lediglich die Erkennung der Gleichheit der beiden  Fotoströme I 1 ' und I 2 ' sicher vorgenommen werden. Dies ist der  Fall, wenn die Differenz gleich Null ist, bzw. näherungsweise sehr  klein ist. Ist diese Situation gegeben, so befindet sich der Empfangslichtfleck  33 auf dem Mittelpunkt der Messzone. 



   Für eine PSD-Messzone gilt: y = (I 1 '-I 2 ')/(I 1 ' + l 2 ');  - < y <1. 



   



   Es ist y = 0 für den Fall I 1 ' = I 2 ' für alle anderen Fälle ist  y  NOTEQUAL  0. Der Fall y = 0 ist derjenige Fall, welcher von der  Auswerteschaltung am leichtesten erkannt werden kann: Es wird delektiert,  ob das gemessene Signal y unter einen gewissen Schwellwert abgefallen  ist. 



   Um eine andere Position als die Mitte der Messzone erkennen zu können,  wird die Gleichung wie folgt mit einem Faktor k erweitert: 



   



     y' = (k +/- I 1 '-I 2 ')/(k +/- I 1 '+I 2 '); -1 < y'< 1  ; k > 0. 



   



   Hier ist y' = 0, wenn I 2 ' = k-I 1 '. Somit verschiebt sich die  detektierbare Position auf Faktor k/(1+k) der PSD-Länge. Deshalb  beinhaltet der erfindungsgemässe Sensor 1 von der Steuerschaltung  4 beeinflussbare variable erste Verstärkungsmittel 6.1 sowie fixe  oder variable zweite Verstärkungsmittel 6.2, welche in einem oder  beiden Kanälen vor der Subtraktionsstufe 7 angebracht sind. Dadurch  lässt sich also die Schaltdistanz innerhalb eines Messsegmentes stufenlos  variieren. Die Verstärker 6.1, 6.2 können als Spannungs- und/oder  als Stromverstärker ausgeführt sein; an ihrer Stelle können in diesem  Sinne auch passive Abschwächer und/oder Strom-Spannungswandler stehen,  welche fix bzw. variabel ausgeführt sein können.

   Generell betrachtet,  handelt es sich hier um Mittel 6.1, 6.2 zur variablen Gewichtung  der beiden Fotoströme I 1 ', I 2 ', somit um deren Interpolation,  welche erfindungsgemäss vor deren Subtraktion stattfindet. 



   Vorteilhafterweise ist die optische Fläche des Empfängerelementes  31, die Steuerschaltung 4 der Abgriffe 34.1-34.5 sowie die variable  Verstärkungs-anordnung 6.1, 6.2 monolithisch in einer integrierten  Schaltung, bspw. einem ASIC (Application Specific Integrated Circuit),  untergebracht. 



   Fig. 6 zeigt einen Teil einer Ausführungsform des erfindungsgemässen  Sensors 1, bei welchem das Empfängerelement 31 als Fotoempfängerarray  (bspw. Diodenarray) ausgebildet ist. Die Steuerschaltung 4 wählt  mittels elektronischer Schalter 5.1, 5.2 das dem gewünschten Distanzbereich  entsprechende Empfangerpaar 31.1, 31.2 aus, so dass sich das Fotoempfängerarray  31 nach erfolgter Auswahl wie ein Doppelempfänger (vgl. Fig. 2) verhält.

Claims (11)

1. Optoelektronischer Sensor (1) zur Distanzmessung und/oder distanzabhängigen Objekterkennung, beinhaltend eine Sendeeinheit (2) zum Aussenden von Licht in einen Überwachungsbereich (90), eine Empfangseinheit (3) mit mindestens einem Lichtempfänger (31) zum Empfangen von aus dem Überwachungsbereich (90) einfallendem Licht (33) und eine Steuer- und Auswerteinheit (4, 8) für die Empfangseinheit (3), wobei die Sendeeinheit (2) und die Empfangseinheit (3) derart gegenseitig angeordnet sind, dass die Ausbreitungsrichtung von Licht, welches von der Sendeeinheit (2) zu einem Objekt (9) im Überwachungsbereich (90) ausgesandt wird, und die Ausbreitungsrichtung von Licht, welches vom Objekt (9) zur Empfangseinheit (3) geworfen wird, einen Winkel einschliessen, welcher von der Distanz (d) des Objektes (9) zum Distanzsensor (1) abhängt,

und die Steuer- und Auswerteinheit (4, 8) Mittel (34.1-34.5) zur Unterteilung des Lichtempfängers (31) in mindestens zwei Zonen aufweist, welche unterschiedlichen Distanzbereichen entsprechen und von denen je ein elektrisches Ausgangssignal (I 1 ', I 2 ') erhältlich ist, die Steuer- und Auswerteinheit (4, 8) Mittel (6.1, 6.2) zur Interpolation zwischen den Ausgangssignalen (I 1 ', I 2 ') der mindestens zwei Zonen aufweist, und wobei die Mittel (6.1, 6.2) zur Interpolation als Mittel zur Verstärkung der Ausgangssignale (I 1 ', I 2 ') der mindestens zwei Zonen ausgebildet sind, von denen Mittel (6.1) zur Verstärkung des Ausgangssignals (V) mindestens einer Zone einen variablen Verstärkungsfaktor (k) aufweisen.

2.

Sensor (1) nach Anspruch 1, wobei Mittel (7) zur Bildung einer Summe oder Differenz von verstärkten Ausgangssignalen (k +/- I 1 ', I 2 ') der mindestens zwei Zonen den Mitteln (6.1, 6.2) zur Verstärkung nachgeschaltet sind.

3. Sensor (1) nach Anspruch 2, wobei die Steuer- und Auswerteinheit (4, 8) zusätzlich Mittel zum Vergleich der gebildeten Summe oder Differenz mit mindestens einem veränderlichen Schwellenwert aufweist.

4. Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Mittel (34,1-34.5) zur Unterteilung des Lichtempfängers (31) Abgriffe beinhalten.

5. Sensor (1) nach Anspruch 4, wobei die Steuer- und Auswerteinheit (4, 8) zusätzlich Mittel zum Speichern der Auswahl der Angriffe (34.1-34,5), des Verstärkungsfaktors (k) und/oder des veränderlichen Schwellenwertes aufweist.

6.

Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1-5, wobei der Lichtempfänger (31) ein positionsempfindliches Element (position sensitive device) ist.

7. Verfahren zum Betrieb eines optoelektronischen Sensors nach Anspruch 1 zur Distanzmessung und/oder distanzabhängigen Objekterkennung bei weichem Licht in einen Überwachungsbereich (90) ausgesendet, zumindest ein Teil des ausgesandten Lichtes von einem Objekt (9) im Überwachungsbereich (90) zu einer einen Lichtempfänger (31) beinhaltenden Empfangseinheit (3) geworfen und zumindest ein Teil (33) dieses Lichtes vom Lichtempfänger (31) delektiert wird, wobei die Ausbreitungsrichtung von Licht, welches sich zum Objekt (9) hin ausbreitet, und die Ausbreitungsrichtung von Licht, welches vom Objekt (9) zur Empfangseinheit (3) geworfen wird, einen Winkel einschliessen, welcher von der Distanz (d) des Objektes (9)

zur Empfangseinheit (3) abhängt, und der Lichtempfänger (31) in mindestens zwei Zonen unterteilt wird, welche unterschiedlichen Distanzbereichen entsprechen und von denen je ein elektrisches Ausgangssignal (I 1 ', I 2 ') erhalten wird, die Ausgangssignale (I 1 ', I 2 ') der mindestens zwei Zonen interpoliert werden, wobei die Ausgangssignale (I 1 ', I 2 ') der mindestens zwei Zonen verstärkt werden und das Ausgangssignal (I 1 ') mindestens einer Zone mit einem variablen Verstärkungsfaktor (k) verstärkt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Summe oder Differenz von verstärkten Ausgangssignalen (k +/- I 1 ', I 2 ') der mindestens zwei Zonen gebildet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die gebildete Summe oder Differenz mit mindestens einem veränderlichen Schwellenwert verglichen wird.

10.

Verfahren nach einem der Ansprüche 7-9, wobei die Unterteilung des Lichtempfängers (31) in Abhängigkeit von einem gewünschten Messbereich vorgenommen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7-10, wobei die Auswahl der Zonen, der Verstärkungsfaktor (k) und/oder der veränderliche Schwellenwert durch Teach-in ermittelt und abgespeichert wird.