DE10024156A1 - Verfahren und Vorrichtung zur optoelektronischen Positionsbestimmung eines Gegenstands - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur optoelektronischen Positionsbestimmung eines Gegenstands

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Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung dienen zur optoelektronischen Positionsbestimmung eines Gegenstandes (50) mittels einer Messanordnung, die vom Gegenstand (50) durch ein für wenigstens eine bestimmte Strahlung durchlässiges Medium (31, 52) getrennt ist. Die Messanordnung umfasst zumindest einen sensoraktiven Bereich (S) im Medium mit wenigstens zwei Messstrecken (x, y), die durch wenigstens zwei die bestimmte Strahlung abstrahlende Strahlungsquellen (1, 3) und wenigstens eine den Strahlungsquellen zugeordneten Strahlungsempfänger (2) aufrecht erhalten sind, der die vom Gegenstand (50) reflektierte Rückstrahlung (53) zur Erzeugung eines der empfangenen Strahlung entsprechenden Detektionssignals ermittelt. Mittels der Strahlungsquellen (1, 3) wird eine bestimmte Strahlung ausgesendet und die vom Gegenstand (50) reflektierte Rückstrahlung (53) wird umfasst, um daraus den einzelnen Messstrecken Ausgangswerte (U(t)), U¶R¶(d)) zuzuordnen. Dadurch dass eine Auswerteeinheit (55) die Position und/oder Bewegung des Gegenstandes (50) dadurch bestimmt, das sie aus dem Ausgangswert (U¶R¶(t), U¶R¶(d)) eine bestimmte Winkelkurve des Gegenstands gegenüber den Strahlungsquellen (1, 3, 57) bei bekannten räumlichen Verhältnis der Strahlungsquellen zueinander ermittelt, kann auf optoelektronische Weise einfach und günstig die Position und/oder Bewegung eines Gegenstandes erfasst werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optoelektronischen Positionsbestimmung eines Gegenstandes nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruches 3.
Stand der Technik
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der EP 0 706 648 B1 bekannt. Die dortige Vorrichtung wird vorzugsweise zur Detektion von Wassertropfen auf einer Glasscheibe eingesetzt, wobei in Abhängigkeit der ermittelten Tropfen ein Scheibenwischer angesteuert werden kann. Zu diesem Zweck werden zwei Mess­ strecken zwischen einer Strahlungsquelle und einem Strahlungsempfänger aufgebaut. Während die Strahlungsquelle die Strahlung aussendet, ermittelt der Strahlungsemp­ fänger die an Oberflächen oder Gegenständen reflektierte Rückstrahlung. Die beiden Messstrecken werden über einen Taktgenerator zeitabschnittsweise und wechselwei­ se betrieben. Die vom Strahlungsempfänger ermittelten Detektionssignale werden gefiltert und in einem vom Taktgenerator angesteuerten Synchrondemodulator wieder in die den einzelnen Messstrecken zugeordneten Detektionssignale zerlegt. In einem Komparator wird daraus ein Nutzsignal ermittelt, das als Maß für die erfolgte Benet­ zung herangezogen wird. Findet auf beiden Messstrecken eine gleichmäßige Reflexi­ on statt, so ergibt sich ein Nutzsignal U(t) zu Null. Das Nutzsignal wird einer Signal­ zentrierstufe zugeführt. Je nachdem, ob an deren Ausgang eine Regelspannung an­ liegt oder nicht, wird mit dieser Regelspannung dann die in die Messstrecken einge­ strahlte Strahlungsmenge geregelt, so dass sich in Abhängigkeit einer Zeitkonstante eine Rückregelung des Detektionssignals ergibt. Damit ist es möglich, dynamische Änderungen im sensoraktiven Bereich der Messanordnung zu erfassen, wobei gleich­ zeitig eine zuverlässige Fremdlichtkompensation stattfindet.
Aus der älteren Patentanmeldung 100 01 955.2 ist es ferner bekannt, das Nutzsignal so auszuwerten, dass sich daraus ein Bewegungsmuster erkennen lässt, wie es z. B. bei einer Schaltbewegung stattfindet. Zum Beispiel kann als Bewegungsmuster er­ kannt werden, dass ein Finger eine Schaltfläche antippt, dort abbremst und innerhalb einer bestimmten Zeit die Schaltfläche wieder verlässt. Auch hierzu wird das Nutzsi­ gnal U(t) herangezogen.
Aufgabe der Erfindung
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Auf­ gabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die auf optoelektronische Weise einfach und günstig die Position und/oder Bewegung eines Gegenstandes erfassen kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 3 gelöst.
Hierzu sind optoelektronische Messstrecken vorgesehen, in die eine bestimmte Strahlung eingestrahlt wird, wobei hier ebenfalls die Rückstrahlung von einem Strah­ lungsempfänger erfasst wird. Vorzugsweise kann eine Fremdlichtkompensation vor­ gesehen sein, damit Verfahren und Vorrichtung auch bei beliebigen Fremdlichtver­ hältnissen betrieben werden können. Im übrigen sollten die aus den Messstrecken stammenden Ausgangswerte für sich gesondert erfassbar sein und die räumlichen Verhältnisse zwischen Strahlungsquellen und Strahlungsempfänger sollten festste­ hend sein. So ist es möglich, die Messwerte einzelner Messstrecken zur Positionsbe­ stimmung als auch zur Bestimmung der Bewegung eines Gegenstandes einzusetzen, der sich im sensoraktiven Bereich der Messanordnung bewegt. Durch die räumlich getrennte Anordnung der Strahlungsquellen ergeben sich für den Gegenstand damit stets eindeutig bestimmte Verhältnisse der aus den beiden Messstrecken vom Ge­ genstand rückgestrahlten Rückstrahlung zur Bestimmung der Position und/oder der Bewegung des Gegenstands. Dieses Verhältnis ist zunächst davon unabhängig, wie stark der Gegenstand die Strahlung reflektiert. Ergänzend wird stets die Stelle des Gegenstandes ermittelt, die die stärkste Rückstrahlung erzeugt, die also meist am nächsten an der Messanordnung liegt.
Insbesondere nach den Ansprüchen 5 und 6 kann eine entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung eines eindeutigen Ergebnisses noch dadurch verbessert werden, dass wenigstens eine weitere Strahlungsquelle vorgesehen wird. Sollte es dabei zu über­ bestimmten Gleichungen kommen, so fallen die Lösungen heraus, bei denen sich der Gegenstand innerhalb der Messanordnung oder unterhalb bzw. hinter der Messan­ ordnung befinden sollte.
Kurzbeschreibung der Figuren
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels an den beige­ fügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2a ein zweites Ausführungsbeispiel der Messanordnung,
Fig. 3.1 den Verlauf des Messsignals beim Überstreichen des ersten sensorakti­ ven Bereichs,
Fig. 3.2 den Verlauf des Nutzsignals, wenn beispielsweise ein Tuch auf der Glasplatte rasch hin und her bewegt wird,
Fig. 4a den Verlauf des Nutzsignals U(t) beim Antippen des ersten sensorakti­ ven Bereichs,
Fig. 4b den Verlauf des differenzierten Bewegungssignals U1(t) beim Antippen des ersten sensoraktiven Bereichs,
Fig. 4c den Verlauf des Nutzsignals U(t) beim Wegnehmen eines Fingers vom ersten sensoraktiven Bereichs,
Fig. 4d den Verlauf des differenzierten Bewegungssignals U1(t) beim Wegneh­ men eines Fingers vom ersten sensoraktiven Bereichs,
Fig. 4e den Verlauf des Nutzsignals U(t) beim Antippen des zweiten sensorakti­ ven Bereichs,
Fig. 4f den Verlauf des differenzierten Bewegungssignals U1(t) beim Antippen des zweiten sensoraktiven Bereichs,
Fig. 4g den Verlauf des Nutzsignals U(t) beim Wegnehmen eines Fingers vom zweiten sensoraktiven Bereichs,
Fig. 4h den Verlauf des differenzierten Bewegungssignals U1(t) beim Wegneh­ men eines Fingers vom zweiten sensoraktiven Bereichs,
Fig. 5a den Verlauf des Messsignals beim Überstreichen des ersten sensorakti­ ven Bereichs,
Fig. 5b den Verlauf des Ausgangssignals des ersten Schwellwertschalters in der in Fig. 5a dargestellten Situation,
Fig. 6 den Verlauf der Werte U20(t), UR(t), sowie UR(t0),
Fig. 7 Linien gleicher Signalstärke bei zwei Strahlungsquellen,
Fig. 8, 9 verschiedene, schematische Messanordnungen in Draufsicht.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Die Ausführungsbeispiele zeigen verschieden Ausgestaltungen einer optoelektro­ nischen Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Gegenstands 50 mittels einer Messanordnung, die vom Gegenstand 50 durch ein für wenigstens eine bestimmte Strahlung durchlässiges Medium 31, 52 getrennt ist. Die Vorrichtung ist mit wenigstens zwei Licht emittierenden Strahlungsquellen 1, 3, 57 und wenigstens einem Strahlungs­ empfänger 2 ausgerüstet. Der Strahlungsempfänger 2 gibt seine Signale, deren Wert von der empfangenen Lichtmenge abhängt, an eine Auswerteeinheit 55 weiter. Strahlungsquellen 1, 3, 57 und Strahlungsempfänger 2 können so angeordnet sein, dass das vom Sendeelement kommende Licht von Gegenständen, die sich innerhalb eines bestimmten sensoraktiven Bereichs S befinden, derart gestreut oder reflektiert wird, dass zumindest ein Teil dieses gestreuten oder reflektierten Lichtes als Rück­ strahlung 53 in den Strahlungsempfänger 2 gelangt. Damit verursacht die durch eine Bewegung des Gegenstands verursachte Änderung der vom Strahlungsempfänger empfangenen Menge an reflektiertem oder gestreuten Licht eine Zustandsänderung der Ausgangswerte.
In Fig. 1 sind unter einer Glasplatte 31 wenigstens zwei Leuchtdioden 1, 3 als Strah­ lungsquelle angeordnet, deren Strahlung, hier Licht, zumindest teilweise an der Glasplatte 31 als Transmissionselement reflektiert werden kann, diese auch durch­ dringt und nach Reflexion bzw. Streuung am Gegenstand 50 teilweise auf die Photodiode 2 als Strahlungsempfänger auftrifft. Damit sind die Glasplatte 31 als auch die Umgebungsluft 52 zwei für eine bestimmte Strahlung durchlässige Medien. Grund­ sätzlich genügt nur ein Medium, das nicht nur fest oder gasförmig, sondern auch eine Flüssigkeit sein kann. Es können aber auch mehrere Medien vorgesehen sein, die für die jeweilige Strahlung durchlässig sind.
In Fig. 1 wird das Licht der Leuchtdioden 1, 3 an einem Finger als Gegenstand 50 re­ flektiert. Als Strahlungsquelle 2 kann eine Photodiode oder eine entsprechend be­ schaltete Leuchtdiode dienen. Die Glasplatte oder eine andere Oberfläche sollte für Licht, bzw. Strahlung zumindest in einem bestimmten Wellenlängenbereich durchläs­ sig sein. Das Licht der Leuchtdiode 1 wird an der Glasplatte 31 nur teilweise reflektiert und tritt im übrigen somit in den Außenraum aus, wobei es wiederum von einem Ge­ genstand 50, hier einem Finger, reflektiert wird und somit teilweise in die Photodiode 2 zurückgestreut werden kann.
Die beiden Leuchtdioden 1, 3 werden mittels eines Taktgenerators 13 mit Spannung versorgt, wobei das Signal einer der beiden Leuchtdioden invertiert wird. Bei gleich­ mäßiger Leuchtleistung der Leuchtdioden und bei genauer symmetrischer Reflektion, beziehungsweise bei geeigneter Regelung der Leuchtstärke mindestens einer der beiden Leuchtdioden (s. unten) steht am Ausgang der Photodiode 2 ein Gleichspan­ nungssignal an, welches, um Gleichspannungs- und niederfrequente Wechselanteile zu beseitigen, einem Hochpass 32 zugeführt wird. Der Hochpass 32, dessen Grenz­ frequenz unterhalb der Frequenz des Taktgenerators 13 liegt, läßt nur Wechselanteile durch, so dass bei entsprechender Ausgangsleistung der Leuchtdioden 1, 3 das dem Verstärker 4 zugeführte Signal zu "0" wird. Mit dieser Anordnung werden Einflüsse von Fremdlichtquellen ausgeschlossen.
Dieses so gefilterte Signal wird nach dem Verstärker 4 einem Synchrondemodulator 5 zugeführt. Der Synchrondemodulator 5 erhält sein Taktsignal vom Frequenzgenerator 13, wobei dieses Taktsignal durch das Laufzeitglied 15 zur Anpassung an die Signal­ laufzeiten im Hochpass 32 und im Verstärker 4 entsprechend verzögert werden kann. Der Synchrondemodulator 5 teilt das im Signalweg des Lichtempfängers 2, des Hoch­ passfilters 32 und des Verstärkers 4 gemeinsame Signal der Lichtquellen 1 und 3 wieder auf zwei den jeweiligen Messstrecken x, y entsprechende getrennte Wege auf.
Die vom Synchrondemodulator 5 herausgeschnittenen Signalabschnitte werden in den Tiefpassfiltern 6 und 7 von störenden Spektralbereichen bereinigt und dem Ver­ gleicher 9 zugeführt. Im dargestellten Fall besteht der Vergleicher 9 aus einem einfa­ chen Operationsverstärker. An den Ausgängen der jeweiligen Tiefpassfilter 6 und 7 stehen die den Lichtsendern und damit bei zwei Messstrecken den Messstrecken x, y entsprechende Ausgangswerte an. Im abgestimmten Zustand also zwei mal der Wert Null. Diese beiden Signale werden dem Vergleicher 9 zugeführt. Am Ausgang dieses Vergleichers liegt der Spannungswert U(t), das Nutzsignal an. Für eine reine Positi­ onsbestimmung, hier mit den Messstrecken x, y eindimensional kann dieses Nutzsi­ gnal verwendet werden.
Das Nutzsignal U(t) kann zur dynamischen Messung noch über einen Tiefpass 10 der Signalzentrierstufe 11 zugeführt werden. Der Ausgang der Signalzentrierstufe 11, an dem die Spannung UR(t) ansteht, ist mit dem Regler 12, bzw. über die Invertierungs­ stufe 61 mit dem invertiert arbeitenden Regler 12' verbunden. Alternativ kann auch nur eine der beiden Strahlungsquellen geregelt werden, dies geht jedoch zu Lasten der Eliminierung von Temperatur- und Alterungseinflüssen auf das Nutzsignal UR(d). Durch diese Anordnung wird erreicht, das sich das Nutzsignal zwar bei einer Ände­ rung der Reflektion des von der Leuchtdiode 1 ausgesandten Lichtstrahls ändert, je­ doch stets wieder auf den Nullwert zurückgeführt wird. Die Zeitkonstante für dieses Zurückführen wird im Ausführungsbeispiel durch den Tiefpassfilter 10 bestimmt. Damit lässt sich die dynamische Bewegung eines Gegenstands bestimmen.
Die bisher beschriebene Anordnung ist auch aus der WO 95/01561 bzw. der EP 0 706 648 B1 bekannt. Sie wurde dort insbesondere zur Detektion von Wassertropfen auf der Glasscheibe vorgeschlagen und bildet im Wesentlichen hier eine Vorrichtung 54 zur Fremdlichtkompensation, die grundsätzlich auch auf andere Art und Weise gebil­ det werden kann.
Gemäß Fig. 7 ergeben sich ausgehend von den Strahlungsquellen S1, S2 zunächst bei ebener Betrachtung konzentrische Kreise. Befindet sich nun ein Gegenstand auf der Geraden g, die im Wesentlichen - bei symmetrischer Anordnung der Strahlungs­ quellen zum Strahlungsempfänger E - durch den Strahlungsempfänger E geht, so er­ gibt sich auf beiden Messstrecken der selbe Messwert UR(t) und UR(t')und damit ein Ausgangswert UR(d) von Null. Dies ist in einem bestimmten Umfang unabhängig vom Abstand des Gegenstandes zum Strahlungsempfänger E und von den Reflexionsei­ genschaften des Gegenstands. Bewegt sich der Gegenstand aber z. B auf der Winkel­ kurve g' oder g", so ist entlang dieser Linien der Ausgangswert ebenfalls gleichblei­ bend, er unterscheidet sich jedoch vom Ausgangswert entlang der Linie g in die eine (g') oder andere (g") Richtung. Dadurch lässt sich eine feste Winkelkurve einem be­ stimmten Ausgangswert zuordnen.
Die Vorrichtung bildet damit eine Messanordnung, die die Position und/oder Bewe­ gung des Gegenstands 50 bestimmen kann. Befindet sich oder bewegt sich der Ge­ genstand im sensoraktiven Bereich S erzeugt er eine mehr oder weniger starke Rück­ strahlung 53. Diese Rückstrahlung ist zwar je nach den Reflexionseigenschaften des Gegenstandes 50 mehr oder weniger stark, der Ausgangswert UR(t), also das Ver­ hältnis der beiden Messstrecken zueinander bzw. deren Differenzwert UR(d) wird da­ durch nicht beeinflusst. Da ferner die Messstrecken x, y zumindest hinsichtlich ihres Anfangspunktes (Strahlungsquelle 1, 3) und Endpunktes (Strahlungsempfängers 2) räumlich bestimmt sind, kann aus dem Ausgangswert UR(t), bzw. dem Differenzwert UR(d) die Position des Gegenstandes auf der Kurvenschar g', g, g" (Fig. 7) bestimmt werden.
Aufgrund der dynamischen Erfassung kann auch die Bewegung des Gegenstandes im Verhältnis zu den Strahlungsquellen 1, 3 mittels der noch zu beschreibenden Schal­ tung 60 erfasst werden. Wird die dynamische Erfassung nicht benötigt, kann das Tief­ passfilter 10, die Signalzentrierstufe 11 sowie die Signalauswertung in Form der Schaltung 60 entfallen; folglich wird dann U(t) zu UR(t).
Bei der in Fig. 1 dargestellten Messanordnung zur eindimensionalen Positionsbe­ stimmung - lässt man zunächst die dynamische Auswertung außer Betracht - ergibt sich das Nutzsignal UR(d) zu Null, wenn sich der Gegenstand 50 so vor dem Empfän­ ger befindet, dass aus beiden Messstrecken dieselbe Rückstrahlung rückgestreut wird. Bei gleichem Abstand der Strahlungsquellen 1, 3 ist dies eine Position auf der Geraden g in Fig. 7 durch den Strahlungsempfänger 2. Liegen zudem die Strahlungs­ quellen 1, 3 und der Strahlungsempfänger auf einer Geraden, so ist die Gerade g Teil einer Ebene, deren Normale jene Gerade ist und die zugleich die Symmetrieebene bezüglich der Strahlungsquellen 1, 3 ist. Wandert jetzt der Gegenstand in Fig. 1 von dieser Geraden g weiter nach links oder rechts, so ändert sich das Nutzsignal U(t) kurzfristig je nach Bewegungsrichtung hin zu positiven oder negativen Werten gegen­ über der Referenzspannung 19.
Mit den zwei Messstrecken x, y ist eine eindimensionale Bewegung zu erfassen, zum Beispiel in einer waagerechten Ausführung für die Positionserkennung von Flaschen auf einer Laufschiene in einer Abfüllanlage. Zur Erfassung einer weiteren Dimension, zum Beispiel der Ortslage der Flasche auf einem planen Laufband, kann gemäß Fig. 2 wenigstens eine dritte Strahlungsquelle 57 vorgesehen sein. Zusammen mit einer weiteren Strahlungsquelle 1 oder 3 bildet sie eine zweite eindimensionale Messanord­ nung mit der Messstrecke z. Ebenso könnte jedoch die zweite Messanordnung voll­ kommen autark von der ersten Messstrecke aufgebaut sein und zwei eigene Strah­ lungsquellen und einen eigenen Strahlungsempfänger aufweisen. Die Messstrecken können zeitsequentiell, beziehungsweise zeitgleich, z. B. mit unterschiedlichen Wel­ lenlängen, betrieben werden. Beide Messanordnungen liefern je eine Winkelkurve (z. B. g, g', g"), an deren Schnittpunkt sich der Gegenstand 50 bei einer ebenen Pro­ jektion befindet. Die zweite Messanordnung zur Erfassung der räumlichen Lage eines Gegenstandes 50 kann in nahezu jedem Abstand, der < 0 ist, bis hin zur Messbe­ reichsgrenze zur ersten Messanordnung angeordnet werden. Mit zwei Messanord­ nungen, ob sie jetzt ineinander geschachtelt sind oder nicht, sind nämlich die Winkel des Gegenstands berechenbar, in dem der Gegenstand zu den Geraden durch Strahlungsquelle und Strahlungsempfänger steht. Zur dreidimensionalen Bestimmung ist wenigstens eine weitere Strahlungsquelle oder Messanordnung vorzusehen, die allerdings in Fig. 2 auch durch entsprechende Beschaltung unter Verwendung der Messstrecke z und der anderen der Messstrecken y oder x gebildet sein könnte.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist die dritte Strahlungsquelle 57 außerhalb der Ebene e-e angeordnet, in der die ersten beiden Strahlungsquellen 1, 3 und der Strah­ lungsempfänger 2 angeordnet sind. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Grundsätzlich kann die dritte Strahlungsquelle oder die weitere Messanordnung in einem beliebigen Winkel von 0° bis 360° zur ersten Messanordnung stehen, lediglich ein Winkel von 180° liefert unter Umständen keine weiteren verwertbaren Ergebnisse. Wird zumindest diese dritte Strahlungsquelle 57 so angeordnet, dass ihr Hauptstrahlungsanteil nicht normal zu der Ebene e-e abgestrahlt wird, in der die ersten beiden Strahlungsquellen 1, 3 und der Strahlungsempfänger 2 angeordnet sind, kann das Messergebnis eindeutig bestimmt werden. Grundsätzlich können auch weitere Strah­ lungsquellen und/oder Strahlungsempfänger vorgesehen werden.
Verfahrensgemäß wird die Winkelkurve des Gegenstands gegenüber wenigstens zwei Geraden bestimmt, die jeweils durch Strahlungsempfänger und Strahlungsquelle ge­ legt sind, wie folgt bestimmt:
  • - Aussenden der bestimmten Strahlung mittels der Strahlungsquellen 1, 3, 57,
  • - Erfassen der vom Gegenstand 50 reflektierten Rückstrahlung 53,
  • - Bestimmen des Ausgangswerts und dessen Auswertung, wobei die Auswerteein­ heit 55 die Position des Gegenstandes dadurch bestimmt, das die Auswerteeinheit aus den Ausgangswerten und damit aus dem Verhältnis der ermittelten Messwerte und/oder deren Differenzwert eine bestimmte Winkelkurve des Gegenstands ge­ genüber den Strahlungsquellen 1, 3, 57 bei bekanntem räumlichen Verhältnis der Strahlungsquellen zueinander ermittelt.
Bestimmte Messwertverhältnisse können auch in einer Datenbank 56 abgelegt sein, um nicht lineare Winkelbeziehungen in lagekorrigierte Ausgangswerte umzuwandeln.
Fig. 1 zeigt auch eine Weiterbildung, bei der ergänzend das Nutzsignal U(t) genutzt wird, um z. B. zu erkennen, ob sich ein Gegenstand z. B. der Glasfläche 31 nähert und damit zunächst die Messanordnung aktiv schaltet, bzw. z. B. eine Beleuchtungsein­ richtung aktiviert. Sodann wird die Position bzw. Bewegung erfasst und, sobald sich der Gegenstand 50 wie z. B. ein Finger wieder von der Glasfläche entfernt, wird die Vorrichtung wieder abgeschaltet. Diese Aufgabe kann mit nachfolgend beschriebener Schaltung 60 gelöst werden, die an sich, jedoch nicht zu diesem Zweck aus der älte­ ren Patentanmeldung 100 01 955.2 bekannt ist. Dort sind auch weitere Ausführungs­ formen erläutert, der Einfachheit halber wird hier jedoch nur eine derartige Ausfüh­ rungsform zur Erkennung eines einem Schaltvorgang entsprechenden Bewegungs­ musters beschrieben, wobei auch wieder zwischen U(t) und UR(t) unterschieden wird:
In den Fig. 3.1, 3.2, 4 ist das von der oben beschriebenen Sensoreinrichtung abge­ gebene Nutzsignal U(t) bei verschiedenen Situationen dargestellt. In Fig. 4a ist das Nutzsignal U(t) beim Antippen des sensoraktiven Bereichs S aufgetragen. Durch ein solches Signal soll ein Schaltvorgang ausgelöst werden. In den Fig. 3.1 bzw. 3.2 sind Nutzsignalverläufe aufgetragen, wie sie beim einmaligen Überstreichen bzw. beim Hin- und Herwischen über den sensoraktiven Bereich S auftreten. Solche Signalver­ läufe sollen keinen Schaltvorgang auslösen. Dieses Ziel wird wie folgt erreicht (Fig. 1):
Das Nutzsignal U(t) wird dem Hochpassfilter 16 zugeführt, der hier als Differenzier­ glied wirkt, so dass an dessen Ausgang der Wert U1(t) des differenzierten Bewe­ gungssignals ansteht. Bei einer Bewegung eines Gegenstands 50, beispielsweise ei­ nes Fingers, auf den sensoraktiven Bereich S der Glasplatte 31 hin, steigt der Wert U(t) des Nutzsignals analog zur Bewegung langsam an und bleibt abrupt stehen, wenn der Finger auf der Glasplatte 31 abgebremst wird, siehe Fig. 4a. Bleibt der Finger unbewegt liegen, wird der Wert U(t) des Nutzsignals langsam wieder auf U0 zurück geregelt. Die abrupte Wertänderung des Nutzsignals führt am Ausgang des Hochpassfilters 16 zu einem Sprung des Bewegungssignalwerts U1(t), siehe Fig. 4b. Dieses wird vom Schwellwertschalter 17 bei Überschreitung eines vorgegebenen im Beispiel negativen Wertes UG1 erkannt und der mit dem Set-Eingang des ersten FlipFlop 82 verbundene Ausgang des ersten Schwellwertschalters 17 wird auf aktiv gesetzt und somit das erste FlipFlop 82 gesetzt. Die Grenzfrequenz des Hochpassfil­ ters 16 wird so gewählt, dass ein Antippen mit mäßiger Geschwindigkeit noch zu ei­ nem gut zu detektierenden Signal führt. Die Grenzfrequenz könnte beispielsweise im Bereich von 10 Hertz liegen.
In diesem Fall wird also ein aus dem Nutzsignal erzeugtes Signal, nämlich das durch Differentiation gewonnene Bewegungssignal verwendet, das einen ersten Vorgang auslöst, wenn dessen Wert U1(t) einen bestimmten Grenzwert UG1 überschreitet. Es sind jedoch auch Schaltungsanordnungen und Anwendungsfälle denkbar, bei denen das Nutzsignal direkt herangezogen wird und einen Vorgang - Zustandsänderung des FlipFlops - auslöst, wenn der Wert U(t) des Nutzsignals einen bestimmten Wert über- oder unterschreitet.
Jede Bewegung, die schnell genug ist und den sensoraktiven Bereich S überstreicht, löst diesen Vorgang aus, d. h. der Ausgang des ersten FlipFlops 82 wird zunächst auf aktiv gesetzt. Dazu reicht auch ein Überwischen oder ähnliche Bewegungen aus, die jedoch nicht als willentlicher Schaltvorgang erkannt werden sollen (s. Fig. 3.1 und 3.2). Deshalb wird das Nutzsignal einem zweiten Schwellwertschalter 34 zugeführt, welcher aktiv wird, wenn der Wert U(t) des Nutzsignals einen bestimmten zweiten Schwellwerts UG2 unterschreitet. Hier wird ausgenutzt, dass die Entfernung eines Ge­ genstands (Wegnahme eines Fingers) zu einem Absinken von U(t) in entgegenge­ setzter Richtung im Verhältnis zur Annäherung führt, im Beispiel in den negativen Be­ reich (Fig. 3.1). Bei Überschreitung des zweiten Schwellwertes UG2 des zweiten Schwellwertschalters 34 wird dessen Ausgang U34(t) auf aktiv gesetzt (s. Fig. 5).
Der Ausgang des Schwellwertschalters 34 ist mit dem Reset-Eingang des FlipFlops 82 verbunden, so dass bei einem Überwischen oder ähnlichem, welches das FlipFlop 82 auf aktiv gesetzt hat, dieses kurze Zeit später wieder auf Null zurückgesetzt wird. Das Ausgangssignal des FlipFlops 82 wird der Zeitdetektionsschaltung 33 zugeführt. Diese Schaltung ist so eingestellt, dass ihr Ausgang nur dann auf aktiv gesetzt wird, wenn das FlipFlop 82 länger als eine vorbestimmte Zeit Δt1, beispielsweise 100 ms, aktiv war. Diese vorbestimmte erste Zeitspanne Δt1 entspricht etwa der übliche Min­ destverweilzeit eines Fingers, einer Hand oder eines anderen Körperteil beim Antip­ pen eines als elektrisches Schaltelement ausgebildeten Schalters.
Der Ausgang der Zeitdetektionsschaltung 33 ist mit dem Set-Eingang des zweiten FlipFlops 18 verbunden. Bei einem willentlichen Antippen der sensoraktiven Fläche wird somit der Ausgang des zweiten FlipFlops 18 auf aktiv gesetzt, da hier die Zeit zwischen Setzen des ersten FlipFlops 82 und Rücksetzen dieses FlipFlops größer ist als Δt1, mit anderen Worten: Der Finger bleibt länger als Δt1 auf der sensoraktiven Flä­ che 26. Bei Bewegungen jedoch, die keinen Schaltvorgang auslösen sollen - bei­ spielsweise Überwischen mit einem Tuch -, ist die Zeit zwischen Setzen und Zurück­ setzen des ersten FlipFlops 82 kleiner als Δt1, so dass diese Bewegungen deshalb nicht zum Setzen des zweiten FlipFlops 18 führen. Durch Antippen der sensoraktiven Fläche wird also der Zustand des zweiten FlipFlops 18 kontrolliert verändert. Der Aus­ gang des FlipFlop 18 kann noch mit einem Schaltausgang 23, beispielsweise einem Relais, verbunden sein, der z. B. in Verbindung mit dem Wert am Ausgang 59 zur Steuerung oder Bedienung eines Geräts verwendet wird.
Von der Schaltung 60 wird also folgendes Bewegungsmuster erkannt: Annähern eines Gegenstands - abruptes Abbremsen des Gegenstands - Verharren des Gegenstands für eine Zeitspanne, die eine vorgegebene Zeitspanne übersteigt. Wird dieses Bewe­ gungsmuster erkannt, wird der Schaltzustand eines Schaltelements, hier des zweiten FlipFlops 18, geändert. Anschließend kann nun die Bewegung des Gegenstands mit der eingangs erläuterten Schaltung aufgrund der Ausgangswerte U(t), UR(t) erfasst werden, um z. B. eine Verstellbewegung eines Geräts - z. B. Temperatureinstellung einer Herdplatte - zu erreichen.
Ein Wegnehmen des Fingers wird vom Schwellwertschalter 17 nicht erkannt, da die Änderung des Wertes U(t) des Nutzsignals in anderer Richtung erfolgt und nach der Differentiation zu gering ist (Fig. 4c) und somit der Wert U1(t) des durch Differentiation gewonnenen Bewegungssignals den ersten Grenzwert UG1 nicht überschreitet.
In vielen Anwendungsfällen wird es erwünscht sein, dass das durch das Antippen der sensoraktiven Fläche 26 gesetzte zweite FlipFlop 18 durch gezielte Wegnahme des Fingers wieder zurückgesetzt wird. Dies ergibt dann die Funktion eines Tasters. Es ist jedoch vorteilhaft, wenn das Löschen des FlipFlops 18 erst dann erreicht wird, wenn der Finger einige Millimeter von der Glasplatte entfernt ist, um ein versehentliches Lö­ schen des FlipFlops durch eine minimale Bewegung zu verhindern. Im hier darge­ stellten Ausführungsbeispiel wird dieses Problem wie folgt gelöst:
Der Momentanwert des am Ausgang der Signalzentrierstufe 11 anliegenden Steuersi­ gnales UR(t) wird zu einem Zeitpunkt abgetastet und gespeichert, an dem sich das annähernde Gegenstand noch kurz vor der Bedienoberfläche befindet. Um dies im Ausführungsbeispiel zu erreichen, wird dieses Signal der Verzögerungsschaltung 20 zugeführt. Der am Ausgang der Verzögerungsschaltung 20 anliegende Spannungs­ wert U20 wird im Speicher 21 zu dem Zeitpunkt t0 gespeichert, zu dem am Ausgang des ersten Schwellwertschalters 17 ein Signal ansteht, also zu dem Zeitpunkt, zu dem der erste Schwellwertschalter 17 den Zeitpunkt des Antippens erkannt hat. Alternativ kann auch eine Multiplikation des am Ausgang der Signalzentrierstufe 11 anstehen­ den Signals mit einem Wert kleiner 1 erfolgen und dieser Wert gespeichert werden. In beiden Fällen ergibt sich damit eine Abhängigkeit von UR(t), so dass der so gespei­ cherte Wert UR(t0) weder vom alterungsabhängigen Zustand z. B. der Glasplatte, von der Temperatur oder anderen Umständen abhängig ist. Der so gespeicherte Wert UR(t0) wird einem ersten Eingang des Komparators 22 zugeführt. Am zweiten Eingang des Komparators liegt das Steuersignal mit dem Wert UR(t) an. Solange der Wert des Steuersignals über dem Ausgangswert des Speichers 21 liegt, liefert die Komparator­ schaltung 22 kein Ausgangssignal. Wenn jedoch der Wert des Steuersignals zum Zeitpunkt t1 unter den gespeicherten Wert sinkt, wird der Ausgang des Komparators auf aktiv gesetzt. Die Signale U20, UR(t) und UR(t0) sind in Fig. 6 dargestellt. Mit die­ sem Signal wird das zweite FlipFlop 18 zurückgesetzt.
Es ist auch denkbar, nicht alle Schwellwerte, Zeitkonstanten usw. der verwendeten Bauteile unveränderlich festzulegen, sondern zumindest teilweise Bauteile zu verwen­ den, bei denen die entsprechenden Werte mittels eine Steuereingangs von außen verändert werden können. Somit könnte das zu erkennende Bewegungsmuster be­ darfsweise, beispielsweise durch die Software eines Gesamtsystems, in dem der Schalter eingebaut ist, vorgegeben werden.
Die Schaltung 60 hat damit folgende Vorteile:
  • - Die Messwerte U(t) und somit der Ausgangswert 23 und der Messwert UR(d) kön­ nen durch eine Glasplatte - es kann hier selbstverständlich auch eine Platte aus einem anderen Material verwendet werden, es muss lediglich für den gewählten Spektralbereich durchlässig sein - gewonnen werden, wenn sich die Sende- und Empfangselemente hinter der Glasplatte befinden. Die Bewegung bzw. das Annä­ hern oder Antippen eines Gegenstandes, z. B. eines Fingers auf der den Sendee­ lementen gegenüberliegenden Plattenseite wird dann erfasst.
  • - Die Lage - relativ zu den als Strahlungsquellen dienenden Leuchtdioden und der als Strahlungsempfänger dienenden Photodiode - und die Form der strahlungs­ durchlässigen Platte kann dabei in einem weiten Bereich frei gewählt werden.
  • - Ein Zerkratzen/Verschmutzen der Glasplatte ist für die Messwerterfassung 60 un­ schädlich, da die daraus resultierenden statischen Änderungen des Reflexionsver­ haltens vom System ausgeglichen werden.
  • - Selbstverständlich können die Messwerte U(t) und somit der Ausgangswert 23 und der Messwert UR(d) auch ohne eine isolierende Glasscheibe gewonnen werden, auch z. B. wenn die Strahlungsquellen nahezu parallel zu einer Platte oder Oberfläche strahlen. Auch hierbei wird das Annähern, bzw. das Antippen dieser Ober­ fläche mittels der Auswertung 60 erfasst, die örtliche Lage des Gegenstandes, z. B. des Fingers wird durch den Messwert UR(d) repräsentiert.
  • - Die Anordnung ist "blind" für Fremdlicht, so dass die Anordnung unter stark wech­ selnden äußeren Lichtverhältnissen betrieben werden kann.
Ergänzend kann auch folgende Vorgehensweise verwirklicht werden:
Zunächst wird durch die Auswerteeinheit 55 und/oder die Schaltung 60 der Abstand des Gegenstands 50 von der Messanordnung bestimmt. Wird ein vorgegebener Ab­ stand unterschritten, wird z. B. eine Beleuchtung eines Schalters oder ein Display ein­ geschaltet. Handelt es sich bei dem Gegenstand z. B. um den Finger oder die Hand eines Menschen, so kann jetzt im folgenden - wie soeben beschrieben - beim Antip­ pen der jetzt beleuchteten Fläche ein Schaltvorgang aktiviert werden, der beim Abhe­ ben des Fingers wieder deaktiviert wird. Zudem kann zwischen Aktivieren und Deakti­ vieren wie oben ein bestimmter Bewegungsvorgang detektiert werden.
Die eingangs erläuterten Messanordnungen können z. B. gemäß der Fig. 8 angeordnet werden. So können z. B. die Strahlungsquellen A/C/A/D und B/C/B/D gemeinsam mit den Strahlungsempfängern E1 bzw. E2 oder E1 zusammen mit E2 eine erste Messanordnung bilden. Eine zweite Messanordnung wird aus den Strahlungsquellen A/C/B/C und A/D/B/D zusammen mit dem Strahlungsempfänger E2 bzw. E1 oder E2 zusammen mit E1 gebildet. Beide Messanordnungen können nun sequentiell ar­ beiten, so dass die vier Strahlungsquellen zusammen mit ihren Strahlungsempfängern bereits zwei ineinander geschachtelte Messanordnungen bilden. Diese Messanord­ nung eignet sich besonders zur senkrechten Messung durch eine Glasplatte hindurch, wobei bei einer Messanordnung ohne isolierende Glasplatte folgende Anordnung ge­ wählt werden kann: Strahlungsquellen A/C und B/C bilden gemeinsam mit dem zwi­ schen ihnen liegenden Strahlungsempfänger E1 eine Messanordnung, die zweite Messanordnung wird mit den Strahlungsquellen A/C und A/D zusammen mit dem zwi­ schen ihnen liegenden Strahlungsempfänger E2 gebildet.
Die Hauptstrahlrichtung der Strahlungssender A/D, A/C und B/C liegt in diesem Falle in Richtung des gemeinsamen geometrischen Mittelpunktes der Messanordnung, der Strahlungssender B/D mit den zugehörigen Strahlungsempfängern E1 und E2 kann entfallen. Bei der letztgenannten Messanordnung kann die Position, bzw. die Bewe­ gung z. B. eines Fingers auf einer beliebigen Oberfläche erfasst werden, sofern sich der Finger im Erfassungsbereich der Messanordnungen befindet.
Dabei ist es nicht notwendig, das die erste und zweite Messanordnung wie in der Fig. 8 um 90° zueinander versetzt angeordnet sind. Wichtig ist ausschließlich, das sie zueinander um einen gewissen Betrag versetzt, bzw. gedreht angeordnet sind, aus­ genommen die Position, in der sie sich genau um 180° gedreht gegenüberstehen.
Eine weitere Ausführung einer Messanordnung zeigt Fig. 9: die Strahlungssender A/C/­ A/D und B/C/B/D bilden zusammen mit dem Strahlungsempfänger E eine erste Mes­ sanordnung, die zweite Messanordnung wird durch die Strahlungssender A/C/B/C und A/D/B/E zusammen mit dem Strahlungsempfänger E gebildet. Der Strahlungs­ empfänger E wird also gemeinsam für beide Messanordnungen genutzt, was durch ein entsprechendes Takten der Strahlungsquellen und entsprechender synchroner Demodulation des Signals des Strahlungsempfängers E kein Problem darstellt.

Claims (8)

1. Verfahren zur optoelektronischen Positionsbestimmung eines Gegenstands (50) mittels wenigstens einer Messanordnung, die vom Gegenstand (50) durch ein für wenigstens eine bestimmte Strahlung durchlässiges Medium (31, 52) getrennt ist, wobei die Messanordnung zumindest umfasst
einen sensoraktiven Bereich (S) im Medium mit wenigstens zwei Messstrecken (x, y), die durch wenigstens zwei die bestimmte Strahlung abstrahlende Strah­ lungsquellen (1, 3, 57) und wenigstens einen den Strahlungsquellen zugeord­ neten Strahlungsempfänger (2) aufrecht erhalten sind, der die vom Gegenstand (50) reflektierte Rückstrahlung (53) zur Erzeugung eines der empfangenen Strahlung entsprechenden Detektionssignal ermittelt, wobei der Anfang der Messstrecke durch die Strahlungsquelle (1, 3, 57) und das Ende der Messstrec­ ke durch den Strahlungsempfänger (2) räumlich bestimmt ist,
einer Einrichtung zur Bestimmung eines den einzelnen Messstrecken (x, y) zu­ geordneten Ausgangswerts (U(t), UR(t), UR(d)),
einer Auswerteeinheit (55, 60) zur Auswertung des Ausgangswerts (U(t), UR(t), UR(d)),
mit den Schritten:
  • - Aussenden der bestimmten Strahlung mittels der Strahlungsquellen (1, 3),
  • - Erfassung der vom Gegenstand (50) reflektierten Rückstrahlung (53),
  • - Bestimmung des Ausgangswerts (U(t), UR(t), UR(d)) und dessen Auswertung,
dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (55, 60) die Position und/oder Bewegung des Gegenstands (50) dadurch bestimmt, dass die Auswerteeinheit aus dem Ausgangswert eine bestimmte Winkelkurve (g, g', g") des Gegenstands ge­ genüber den Strahlungsquellen (1, 3, 57) bei bekanntem räumlichen Verhältnis der Strahlungsquellen zueinander ermittelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (55) eine Datenbank (56) aufweist, in der bestimmte Messwertverhältnisse be­ stimmten Winkelbeziehungen zugeordnet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Winkelkurven (g, g', g") mittels der Auswerteeinheit und der als Auswerteeinheit ausgebildeten Schaltung (60) folgendes Bewegungsmuster erkannt wird:
  • - Annähern eines Gegenstands 50 an den wenigstens einen sensoraktiven Be­ reich (S),
  • - Erkennen des Antippens des Gegenstands an einer Schaltfläche (80) im sen­ soraktiven Bereich (S),
  • - Erkennen einer Bewegung im sensoraktiven Bereich,
  • - Erkennen der Entfernung des Gegenstands von der Schaltfläche (80).
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Annäherung des Gegenstands (50) eine Beleuchtungseinrichtung (81) betätigt wird, sobald ein vor­ gegebener Abstand zwischen Gegenstand (50) und der Messanordnung unter­ schritten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfläche (80) erst sichtbar wird, wenn die Beleuchtungseinrichtung (81) betätigt ist.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Messanordnung aufweist, die von dem Gegenstand (50) durch ein für wenigstens eine bestimmte Strahlung durchlässiges Medium (31, 52) getrennt ist sowie mit
einem sensoraktiven Bereich (S) im Medium mit wenigstens zwei hinsichtlich ihres Anfangs- und Endpunkts räumlich bestimmten Messstrecken (x, y), die durch wenigstens zwei die bestimmte Strahlung abstrahlende Strahlungsquel­ len (1, 3, 57) und wenigstens eine den Strahlungsquellen zugeordneten Strah­ lungsempfänger (2) aufrecht erhalten sind, der die vom Gegenstand (5) reflek­ tierte Rückstrahlung (53) zur Erzeugung eines der empfangenen Strahlung ent­ sprechenden Detektionssignal ermittelt,
einer Einrichtung zur Bestimmung eines den einzelnen Messstrecken (x, y) zu­ geordneten Ausgangswerts (U(t), UR(t)),
einer Auswerteeinheit (55, 60), die die Position und/oder Bewegung des Ge­ genstands (50) dadurch bestimmt, dass sie aus dem Ausgangswert (U(t), UR(t), UR(d)) eine bestimmte Winkelkurve des Gegenstands gegenüber den Strahlungsquellen (1, 3, 57) bei bekanntem räumlichen Verhältnis der Strahlungs­ quellen (1, 3) zueinander ermittelt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (54) zur Fremdlichtkompensation einen Taktgenerator (13) zum wechselweisen Wirk­ samschalten der einzelnen Strahlungs-Messstrecken (x, y) sowie einen vom Takt­ generator (13) angesteuerten Synchrondemodulator (5) zur Zuordnung des Detek­ tionssignals als Messwert zu den einzelnen Messstrecken (x, y) zur Bildung des Ausgangswerts (U(t), UR(t), UR(d)) aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Strahlungsquelle (57) oder eine weitere Messanordnung in einem belie­ bigen Winkel, vorzugsweise unter Ausnahme eines Winkels von 180°, zur der Ebene (e-e) angeordnet ist, in der die ersten beiden Strahlungsquellen (1, 3) und der Strahlungsempfänger (2) angeordnet sind.
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