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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer
optoelektronischen Sensoranordnung sowie eine solche Sensoranordnung.
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Mit
derartigen Sensoranordnungen wird beispielsweise das Eindringen
von Objekten in einen Überwachungsbereich
erkannt, wobei neben einem reinen Gegenstand-Feststellungssignal
auch bei entsprechender Sensorwahl eine Objekterkennung, beispielsweise
durch eine Konturerfassung erfolgen kann. Als Sensorsysteme werden
oftmals herkömmliche
Kamerasysteme mit CCD-basierten Lösungen verwendet. Diese sind
jedoch im industriellen Umfeld insbesondere wegen ihrer hohen Fremdlichtempfindlichkeit
nur bedingt einsetzbar.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung eine optoelektronische Sensoranordnung
sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Sensoranordnung
anzugeben, bei dem eine verbesserte Fremdlichtunterdrückung, insbesondere
eine verbesserte Gleichlichtunterdrückung, möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird die
das Verfahren betreffende Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer
optoelektronischen Sensoranordnung gelöst, bei dem eine Vielzahl von
aufeinanderfolgenden Nutzlichtimpulsen in einen Überwachungsbereich ausgesandt
werden, die von einem in dem Überwachungsbereich
angeordneten Objekt reflektierten Nutzlichtimpulse von einer ortsauflösenden Empfängereinheit
mit einer Vielzahl von lichtempfindlichen Sensoren empfangen werden,
jeweils während
eines Aktivierungsintervalls synchron mit dem Aussenden der Nutzlichtimpulse
für jeden
Sensor die Lichtintensität
des jeweils empfangenen reflektierten Nutzlichtimpulses erfaßt wird,
jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aktivierungsintervallen
während eines
Korrekturintervalls für
jeden Sensor die Lichtintensität
des empfangenen Hintergrundlichtes gespeichert wird, für jeden
Sensor die während
des Korrekturintervalls gespeicherte Lichtintensität von der
während
des Aktivierungsintervalls erfaßten
Lichtintensität
subtrahiert wird und jeweils die ermittelte Differenz der Lichtintensitäten zur
weiteren Signalverarbeitung einer Auswerteeinheit für die Objekterkennung
zugeführt
wird.
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Der
die Vorrichtung betreffende Teil der Aufgabe wird gelöst durch
eine optoelektronische Sensoranordnung mit einem Lichtsender zum
Aussenden einer Vielzahl von aufeinanderfolgenden Nutzlichtimpulsen
in einen Überwachungsbereich
und einer ortsauflösenden
Empfängereinheit
mit einer Vielzahl von lichtempfindlichen Sensoren zum Empfangen
von von einem in dem Überwachungsbereich
angeordneten Objekt reflektierten Nutzlichtimpulsen, mit einer Synchronisiereinheit
zum Synchronisieren der Nutzlichtimpulse mit einem Aktivierungsintervall, in
dem die Sensoren jeweils zum Erfassen der Lichtintensität des jeweils
empfangenen reflektierten Nutzlichtimpulses aktivierbar sind, mit
einer Speichereinheit, in der jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Aktivierungsintervallen während
eines Korrekturintervalls für
jeden Sensor die Lichtintensität des
empfangenen Hintergrundlichtes speicherbar ist, mit einer Subtraktionseinheit
zur Bildung der Differenz zwischen der während des Korrekturintervalls gespeicherte
Lichtintensität
und der während
des Aktivierungsintervalls erfaßten
Lichtintensität
für jeden Sensor
und mit einer Auswerteeinheit für
die Objekterkennung, der die jeweils ermittelten Differenzen der
Lichtintensitäten
zur weiteren Signalverarbeitung zuführbar sind.
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Erfindungsgemäß wird somit
der Ist-Zustand der Bestrahlungsintensität, die der Fremdlichtinformation
entspricht, vor Aussenden des jeweiligen Beleuchtungspulses direkt
von der ortsauflösenden Empfängereinheit
ermittelt und gespeichert. Daran anschließend wird der jeweilige Beleuchtungspuls ausgesandt,
woraufhin die mit dem Aussenden synchronisierte Empfängereinheit
das an einem im Überwachungsbereich
angeordneten Objekt reflektierte Licht empfängt. Dieses empfangene Signal
besteht aus der Summe der Intensitäten des reflektierten Nutzlichtimpulses
sowie des aktuell vorhandenen Hintergrundlichtes, so daß durch
die erfindungsgemäße Subtraktion
der abgespeicherten Lichtintensität des Hintergrundlichts von
der Summenintensität unmittelbar
die kompensierte Lichtintensität
für den reflektierten
Nutzlichtimpuls erhalten wird.
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Das
auf diese Weise weitgehend von der Störsignalkomponente befreite
Nutzsignal kann dann auf unterschiedlichste Weise weiter verarbeitet
werden.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung werden die Sensoren jeweils nur während der Aktivierungsintervalle
zum Empfangen der reflektierten Nutzlichtimpulse und während der
Korrekturintervalle zum Empfangen des auf den jeweiligen Sensor
auftreffenden Hintergrundlichtes aktiviert. Insbesondere werden
die Sensoren dabei synchron mit dem Ende der jeweils ausgesandten
Nutzlichtimpulse deaktiviert.
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Auf
diese Weise ist gewährleistet,
daß die
Integration der Bestrahlungsenergie auf den Empfängersensoren unmittelbar mit
dem Ende der Nutzlichtimpulse beendet wird und somit die während der Aktivierungsinter valle
empfangenen Lichtintensitäten nicht
durch zusätzlich
empfangenes Hintergrundlicht weiter verfälscht werden.
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Bevorzugt
liegt jedes Korrekturintervall jeweils unmittelbar vor dem Beginn
des nachfolgenden Aktivierungsintervalls. Durch die zeitliche Nähe von Aktivierungsintervall
und Korrekturintervall kann mit hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen
werden, daß die
Intensität
des Hintergrundlichtes in den beiden Intervallen im wesentlichen übereinstimmt und
dadurch die vorgenommene Kompensation durch Subtraktion der abgespeicherten
Lichtintensität
zu dem korrekten, von der Störsignalkomponente befreiten
Nutzlichtinformation führt.
Grundsätzlich wäre es auch
möglich,
beispielsweise das Korrekturintervall unmittelbar nach Ende des
jeweiligen Aktivierungsintervalls zu legen.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung entspricht die Dauer des Aktivierungsintervalls jeweils
der Dauer des dazu synchronen, ausgesandten Nutzlichtimpulses. Dadurch wird
von den lichtempfindlichen Sensoren die maximal mögliche Nutzlichtmenge
empfangen, so daß der
Störabstand
optimiert wird.
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Bevorzugt
wird die Lichtintensität
der empfangenen reflektieren Nutzlichtimpulse für jeden Sensor gespeichert.
Diese Speicherung kann dabei in digitaler und/oder analoger Form
durchgeführt
werden. Durch die unmittelbare Erfassung, Speicherung und Weiterverarbeitung
der Nutzlichtintensität
sowie der Lichtintensität
des empfangenen Hintergrundlichtes in jedem einzelnen Sensor können alle
weiteren Signalverarbeitungen mit dem durch die Differenzbildung
von der Störsignalkomponente
befreiten Nutzsignalkomponente durchgeführt werden. Es ist somit beispielsweise kein
Regelkreis erforderlich, durch den das aus Hintergrundlicht und
Nutzlicht bestehende Signal auf einen bestimmten Pegel geregelt
werden muß.
Weiterhin kann durch die unmittelbare Bildung der Differenzen der
Lichtintensitäten
vermieden werden, daß in
einem Regelkreis bei hoher Lichtintensität des Hintergrundlichtes durch
das Summensignal aus Hintergrundlicht und Nutzlicht der Sättigungsbereich
der Regelschaltung erreicht wird, so daß die damit auftretenden Probleme
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nicht auftreten.
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Bevorzugt
ist die ortsauflösende
Empfängereinheit
als Sensorchip, insbesondere als CMOS-Sensorchip ausgebildet.
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Je
nach Anwendung können
die Sensoren zeilenförmig,
matrixförmig,
kreisförmig,
trapezförmig oder
in sonstiger Weise zweidimensional angeordnet sein.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert;
in dieser zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Nutzlichtsignals mit einer Vielzahl
von aufeinanderfolgenden Nutzlichtimpulsen,
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2 eine
schematische Darstellung der von einem Sensor der Empfängereinheit
empfangenen reflektierten Lichtsignale,
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3 eine
schematische Darstellung der von Hintergrundlicht befreiten empfangenen
Lichtsignale,
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4 eine
schematische Darstellung einer speziellen Ausführungsform eines Sensors der
Empfängereinheit
und
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5 eine
schematische Darstellung zur Digitalisierung der in einem Sensor
gespeicherten Lichtintensität.
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1 zeigt
eine Vielzahl von zeitlich aufeinanderfolgenden Nutzlichtimpulsen 1,
die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
in einen Überwachungsbereich
ausgesandt werden.
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Die
ausgesandten Nutzlichtimpulse 1 werden an einem innerhalb
des Überwachungsbereichs angeordneten
Objekt reflektiert, so daß die
reflektierten Nutzlichtimpulse von einer Vielzahl von zweidimensional
angeordneten lichtempfindlichen Sensoren einer Empfängereinheit
empfangen werden, wodurch ein Abbild des Objekts in der Empfängereinheit erzeugt
wird.
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In 2 ist
schematisch für
jeden Nutzlichtimpuls 1 das entsprechende Ausgangssignal 2 eines
lichtempfindlichen Elements 3 (siehe 4)
eines jeweiligen Sensors 4 (siehe 4) dargestellt. Dabei
stellt der jeweils schraffiert dargestellte Bereich der Ausgangssignale 2 jeweils
die aufgenommene Nutzlichtintensität dar, die beispielsweise durch
eine Integration der Bestrahlungsenergie in einem Kondensator gespeichert
wird.
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Wie
aus 2 zu erkennen ist, stellt der schraffierte Bereich,
d. h. der Bereich der Nutzlichtintensität, lediglich einen Teilbereich
der gesamten auf den jeweiligen Sensor auftreffenden Lichtintensität dar.
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Der
nicht schraffierte Bereich der Ausgangssignale 2 wird durch
das vorhandene Hintergrundlicht verursacht, das auch ohne die ausgesendeten
Nutzlichtimpulse 1 vorhanden ist.
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Um
die Integration der gesamten aufgenommenen Lichtenergie zu beschränken, werden
jeweils die lichtempfindlichen Elemente 3 der Empfängereinheit
nur während
eines Aktivierungsintervalls 5 für die Integration der Bestrahlungsenergie
aktiviert, wobei das Aktivierungsintervall 5 synchron mit
dem jeweiligen Aussenden der Nutzlichtimpulse 1 erfolgt,
wie es durch die gestrichelten Linien 6, 7 angedeutet
ist. Unmittelbar nach dem jeweiligen Ende der Nutzlichtimpulse 1 wird
somit die Integration der Bestrahlungsenergie durch den jeweiligen
Sensor 4 beendet, so daß kein weiteres Ansteigen der
aufgenommenen Lichtmenge durch das weiterhin vorhandene Hintergrundlicht
erfolgt.
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Um
das während
der Aktivierungsintervalle 5 vorhandene Hintergrundlicht
aus dem empfangenen Gesamtlichtsignal zu kompensieren, wird kurz
vor Aussenden eines jeweiligen Nutzlichtimpulses 1 jeder
Sensor 4 für
die Dauer eines Korrekturintervalls 8 aktiviert und die
während
des Korrekturintervalls 8 auftreffende Strahlungsenergie
für jeden
Sensor 4 gespeichert. Dabei ist die Länge des Korrekturintervalls 8 jeweils
im wesentlichen gleich der Länge
des sich daran anschließenden
Aktivierungsintervalls 5.
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Die
während
eines Korrekturintervalls 8 gespeicherte Lichtintensität entspricht
damit der während
des darauffolgenden Aktivierungsintervalls 5 aufgrund des
Hintergrundlichtes erfaßten
Lichtintensität,
die in 2 durch den nicht schraffierten Bereich des Ausgangssignals 2 dargestellt
ist.
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Das
in 3 für
einen Sensor 4 dargestellte kompensierte Ausgangssignal 9,
dessen Fläche
der von dem Hintergrundlicht befreiten Lichtintensität aufgrund
der Nutzlichtimpulse 1 entspricht, wird dadurch erhalten,
daß für jeden
Sensor 4 von der während
eines Aktivierungsintervalls 5 erfaßten Gesamtlichtmenge die während des
unmittelbar vorangehenden Korrekturintervalls 8 gespeicherte
Hintergrundlichtmenge abgezogen wird. Je näher das Korrekturintervall 8 an
dem Aktivierungsintervall 5 zu liegen kommt, um so wahrscheinlicher
ist die Übereinstimmung
der in den beiden Intervallen empfangenen Hintergrundlichtmenge,
so daß die
Differenzbildung zu einer korrekten Kompensation des Hintergrundlichtes
führt.
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Für die weitere
Signalverarbeitung, insbesondere die Objekterkennung durch Bildverarbeitung,
werden für
jeden Sensor 4 ausschließlich die gebildeten Differenzsignale
verwendet. Dadurch sind separate Regelstufen zur Hintergrundlichtkompensation überflüssig und
damit verbundene Probleme, daß beispielsweise
bei einer hohen Intensität
des Hintergrundlichtes die Regelstufen in ihren Sättigungsbereich
geraten, werden dadurch zuverlässig vermieden.
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4 zeigt
schematisch einen Sensor 4 der zusammen mit einer Vielzahl ähnlicher
oder gleich gearteter, insbesondere zweidimensional angeord neter
Sensoren 4 eine erfindungsgemäße Empfängereinheit bildet. Die Sensoren 4 können beispielsweise
auf einem einzigen Sensorchip zeilenförmig, matrixförmig, kreisförmig, trapezförmig oder
auf eine sonstige geometrische Weise angeordnet sein, wie es der
jeweiligen Anwendung und den zu erkennenden Objekten am besten entspricht.
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Jeder
der Sensoren 4 umfaßt
ein lichtempfindliches Element 3, das zum Empfangen der
reflektierten Nutzlichtimpulse 1 ausgebildet ist, wie es durch
Pfeile 10 in 4 angedeutet ist.
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Das
lichtempfindliche Element 3 ist mit einem Anschluß mit Masse
und mit seinem anderen Anschluß über einen
Schalter 11 mit einem Knotenpunkt 12 verbunden.
An dem Knotenpunkt 12 ist zum einen ein als Kondensator 13 ausgebildetes
Speicherelement gegen Masse geschaltet und zum anderen ist der Knotenpunkt 12 über einen
Reset-Schalter 14 mit der Versorgungsspannung UV sowie über
einen Schalter 15 mit dem Ausgang 16 des Sensors 4 verbindbar.
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Vor
Beginn eines Korrekturintervalls 8 wird beispielsweise
der Schalter 14 geschlossen, so daß der Kondensator 13 mit
der Versorgungsspannung UV aufgeladen wird.
Nach vollständigem
Laden des Kondensators 13 wird der Schalter 14 geöffnet und zum
Beginn des Korrekturintervalls 8 wird der Schalter 11 für die Dauer
des Korrekturintervalls 8 geschlossen. Aufgrund des auf
das lichtempfindliche Element 3 auftreffende Hintergrundlichts
erfolgt eine Entladung des Kondensators 13, die solange
anhält, bis
der Schalter 11 wieder geöffnet wird. Die zu diesem Zeitpunkt,
d. h. zum Ende des Korrekturintervalls 8, noch vorhandene
Ladung im Kondensator 13, bzw. die Differenz zwischen der
Anfangsladung und der nun vorhandenen Entladung, ist ein Maß für die Intensität des während des
Korrekturintervalls 8 auf das lichtempfindliche Element 3 aufgetroffenen
Hintergrundlichts. Dieser Wert kann beispielsweise durch Schließen des
Schalters 15 über
den Ausgang 16 in einen Zwischenspeicher abgelegt werden,
wobei diese Speicherung in analoger oder digitaler Weise erfolgen
kann.
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Anschließend wird
der Sehalter 15 wieder geöffnet und der Reset-Schalter 14 wieder
geschlossen, so daß der
Kondensator 13 mit der Versorgungsspannung UV wieder
vollständig
aufgeladen wird. Nach erneutem Öffnen
des Reset-Schalters 14 wird zu Beginn des Aktivierungsintervalls 5 der Schalter 11 wieder
geschlossen, so daß nun
das aus den reflektierten Nutzlichtimpulsen 1 und dem auftreffenden
Hintergrundlicht bestehende Licht auf das lichtempfindliche Element 3 auftrifft
und aufgrund der erhöhten
Lichtintensität
zu einem schnelleren Entladen des Kondensators 13 führt. Nach
Beenden des Aktivierungsintervalls 5 wird der Schalter 11 wieder geöffnet, so
daß das
weiterhin auf das lichtempfindliche Element 3 auftreffende
Hintergrundlicht nicht mehr zu einer Änderung der im Kondensator 13 gespeicherten
Ladung führt.
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Die
nun im Kondensator 13 gespeicherte Ladung bzw. die Differenz
zwischen der Anfangsladung und der nun gespeicherten Ladung ist
ein Maß für die Intensität der Summe
des einstrahlenden Hintergrundlichtes und des auf das lichtempfindliche
Element 3 auftreffenden reflektierten Nutzlichtimpulses 1 während des
Aktivierungsintervalls 5.
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Auch
dieser Wert kann durch Schließen
des Schalters 15 anschließend über den Ausgang 16 ausgelesen
werden und es wird daraufhin die Differenz zwischen der zuvor gespeicherten
Lichtintensität
des Hintergrund lichtes und der nun erhaltenen Lichtintensität für das Summensignal
gebildet.
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Diese
Differenzbildung wird für
jeden Sensor 4 separat durchgeführt, so daß zur eigentlichen Auswertung
der einzelnen Pixel jeweils das von dem Hintergrundlicht befreite
reine Nutzsignal verwendet wird.
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Die
Differenzbildung kann in einer analogen Subtraktion, beispielsweise
durch eine Correlated-Double-Sampling-Stufe, oder auf geeignete
digitale Weise erfolgen. Beispielsweise kann eine pixeiweise Analog-Digital-Wandlung, mit anschließender Speicherung
und Subtraktion vorgenommen werden. Es ist auch möglich, daß eine pixeiweise
analoge Speicherung, beispielsweise über Kondensatorladungen, erfolgt
und anschließend
eine spaltenweise Analog-Digital-Wandlung durchgeführt wird.
Dies kann auch erfolgen durch Integration eines weiteren Kondensators
und entsprechenden Schalters, die es ermöglichen, daß auf dem zweiten Kondensator
nur die Hintergrundlichtintensität
und auf dem Kondensator 13 die Summe aus Hintergrund- und
Nutzlichtintensität
gespeichert wird.
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Wesentlich
ist dabei, daß für jeden
Sensor 4 letztlich unmittelbar das Differenzsignal aus
Nutzlichtintensität
und Hintergrundintensität
erzeugt und zur eigentlichen Signalverarbeitung weiter verwendet wird.
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In 5 ist
schematisch dargestellt, wie für unterschiedliche
Lichtintensitäten
beispielsweise digitale Werte bestimmt werden können. Dabei zeigt die Linie 17 den
Abbau der Ladung Q im Kondensator 13 über die Zeit t bei einer niedrigen
einstrahlenden Lichtintensität,
während
die gestri te Linie 18 diesen Verlauf bei einer höheren auf
den Sensor 4 einstrahlenden Lichtintensität darstellt.
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In
der unteren Hälfte
der 5 sind eine Vielzahl von periodischen Zählimpulsen 19 dargestellt,
die mit einer hohen Frequenz ausgesandt werden, so daß eine Vielzahl
der Zählimpulse
während der
Entladezeit entsprechend der Linien 17 bzw. 18 anfallen.
Durch einfaches Zählen
dieser Zählimpulse 19 kann
unmittelbar auf die Entladezeit des Kondensators 13 und
damit wiederum auf die auf das lichtempfindliche Element 3 einstrahlende
Lichtintensität rückgeschlossen
werden.
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- 1
- Nutzlichtimpulse
- 2
- Ausgangssignal
- 3
- lichtempfindliches
Element
- 4
- Sensor
- 5
- Aktivierungsintervall
- 6
- gestrichelte
Linien
- 7
- gestrichelte
Linien
- 8
- Korrekturintervall
- 9
- Ausgangssignal
- 10
- Pfeile
- 11
- Schalter
- 12
- Knotenpunkt
- 13
- Kondensator
- 14
- Reset-Schalter
- 15
- Schalter
- 16
- Ausgang
- 17
- Linie
- 18
- Linie
- 19
- Zählimpulse
- Q
- Ladung
- t
- Zeit
- UV
- Versorgungsspannung