DE10134305A1

DE10134305A1 - Optoelektronische Vorrichtung

Info

Publication number: DE10134305A1
Application number: DE10134305A
Authority: DE
Inventors: Martin Argast
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 2000-07-18
Filing date: 2001-07-14
Publication date: 2002-05-16
Anticipated expiration: 2021-07-15
Also published as: DE10134305B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung (1) zum Erfassen von Objekten (7) in einem Überwachungsbereich mit einem Sendelichtstrahlen (2) emittierenden Sender (3), einem Empfangslichtstrahlen (4) empfangenden Empfänger (5), sowie einer Auswerteeinheit (11) zur Auswertung der am Empfänger (5) anstehenden Empfangssignale. Nur die Sendelichtstrahlen (2) werden über einen Schwingspiegel (6) periodisch abgelenkt, so dass diese auf der Oberfläche des Objektes (7) längs einer Abtastlinie (8) geführt sind. Zur Generierung eines Objektfeststellungssignals in der Auswerteeinheit (11) werden die Empfangssignale in Abhängigkeit der Ablenkpositionen des Schwingspiegels (6) ausgewertet.

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung gemäß dem Oberbe griff des Anspruchs 1.

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 13 671 bekannt. Die vom Sender emittierten Sendelichtstrahlen sind auf ein Objekt gerichtet. Die von dem Objekt zurückreflektierten Emp fangslichtstrahlen werden durch eine Empfangsoptik auf den Empfänger fokus siert. 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 vorgege benen Schwellwert verglichen, welcher einer einen Tastbereich begrenzenden Tastweite entspricht. Damit können Objekte innerhalb des Tastbereiches er kannt und von einem Hintergrund, der außerhalb des Tastbereichs liegt, unter schieden werden. Zur Einstellung der Tastweite werden die Empfangslicht strahlen mittels eines Drehspiegels abgelenkt und zum Empfänger geführt. Da bei erfolgt die Spiegelverstellung manuell durch einen Spindelantrieb. Die Ein stellung des Spiegeis 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.

Grundsätzlich erfolgt die Bewertung der Empfangssignale eines Lichttasters mittels zweier Schwellwerte. Insbesondere wird auch das Differenzempfangs signal eines Lichttasters mit einem Nah- und Fernelement mittels zweier Schwellwerte bewertet, woraus ein binäres Schaltsignal abgeleitet wird. Über schreitet das Differenzempfangssignal den oberen Schwellwert, so gilt das Ob jekt 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 Rau scheffekten elektronischer Bauteile des Lichttasters verhindert.

Ein Nachteil derartiger Vorrichtungen besteht darin, dass bei der Objektdetekti on der Sendelichtfleck der Sendelichtstrahlen fest auf einen Punkt der Objekt oberfläche gerichtet ist und die Distanzinformation durch die lokale Oberflä chenstruktur des Objektes wie zum Beispiel kleine Bohrungen oder Kontrastän derungen verfälscht werden kann.

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 Objekt kante auf. Im Vergleich zur Detektion einer homogenen Objektoberfläche wer den die Empfangslichtstrahlen von den Oberflächenelementen unterschiedlicher Reflektivität unterschiedlich stark zurückreflektiert, wodurch eine Verschiebung des Schwerpunkts des Empfangslichtfleckes auf dem vom Nah- und Fernele ment gebildeten Empfänger erhalten wird. Die Verschiebung des Schwerpunkts des Empfangslichtfleckes kann insbesondere zum Nahelement hin erfolgen. Da durch 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.

Um derartige Fehldetektionen zu minimieren, sollte der Durchmesser des Sen delichtfleckes 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 Kom promiss bezüglich der Sendelichtfleckgröße möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine optoelektronische Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass Objekte und Objektstrukturen sicher erfassbar sind.

Die erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung weist zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und eine Aus werteeinheit zur Auswertung der am Empfänger anstehenden Empfangssignale auf. 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 Objektfeststellungssignals werden in der Auswerteeinheit die Empfangssignale in Abhängigkeit der Ablenkpositionen des Schwingspiegels ausgewertet.

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 Umlen kung am Schwingspiegel längs einer Abtastlinie über die Objektoberfläche ge führt. Die Empfangssignale des Empfängers werden dann winkelaufgelöst, das heißt in Abhängigkeit der Ablenkposition des Schwingspiegels ausgewertet.

Dadurch kann die Oberflächenbeschaffenheit des Objektes erfasst werden. Ins besondere können damit Fehldetektionen der Vorrichtung, die durch die Ober flächenbeschaffenheit des Objektes verursacht sind, weitgehend vermieden wer den.

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 Sicher heit und weitgehend unabhängig von deren Oberflächenbeschaffenheit ausge blendet werden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung besteht darin, dass diese ein präzises und reproduzierbares Schaltverhalten auf weist. Insbesondere ist vorteilhaft, dass der Hysteresebereich klein gewählt werden kann. Besonders vorteilhaft kann dabei der Hysteresebereich über einen Teilbereich innerhalb des von den Sendelichtstrahlen überstrichenen Winkelbe reichs definiert werden.

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 mög lich ist. Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfas sung von Höhenprofilen, insbesondere Kantenstrukturen von Objekten. Weiter hin ist eine Erfassung von Kontrastmustern möglich.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der optoelektroni schen Vorrichtung.

Fig. 2a Schematische Darstellung der optischen Komponenten der opto elektronischen Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Fig. 2b Empfangssignalverläufe für die optische Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Fig. 2c Perspektivische Darstellung eines Schwingspiegels für die Vorrich tung gemäß Fig. 1.

Fig. 3a Zweites Ausführungsbeispiel der optoelektronischen Vorrichtung.

Fig. 3b Empfangssignal an den Ausgängen des Empfängers der Vorrichtung gemäß Fig. 3a.

Fig. 4a Drittes Ausführungsbeispiel der optoelektronischen Vorrichtung.

Fig. 4b Empfangssignalverlauf für die Vorrichtung gemäß Fig. 4a.

Fig. 5a Viertes Ausführungsbeispiel der optoelektronischen Vorrichtung.

Fig. 5b Empfangssignalverlauf für die Vorrichtung gemäß Fig. 5a.

Fig. 6a Anwendungsbeispiel einer Kantendetektion mittels der Vorrichtung gemäß Fig. 5a.

Fig. 6b Empfangssignalverlauf für das Anwendungsbeispiel gemäß Fig. 6a.

Fig. 6c Anwendungsbeispiel einer Textranderkennung mittels der Vorrich tung gemäß Fig. 5a.

Fig. 7a Anwendungsbeispiel einer Detektion eines schmalen Objektes mit tels der Vorrichtung gemäß Fig. 5a.

Fig. 7b Empfangssignalverlauf für das Anwendungsbeispiel gemäß Fig. 7a.

Fig. 8a Anwendungsbeispiel einer Objekterfassung mittels eines Korrela tionsverfahrens.

Fig. 8b Empfangssignalverläufe und Korrelationssignal für das Anwen dungsbeispiel gemäß Fig. 8a.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der opto elektronischen Vorrichtung 1. Die optoelektronische Vorrichtung 1 ist als Lichttaster ausgebildet und weist einen Sendelichtstrahlen 2 emittierenden Sen der 3 und einen Empfangslichtstrahlen 4 empfangenden Empfänger 5 auf. Der Empfänger 5 ist als ortsauflösender Detektor ausgebildet und weist ein Fer nelement 5a und ein Nahelement 5b auf. Das Nah- 5b und Fernelement 5a kann jeweils von einer separaten Fotodiode gebildet sein. Alternativ kann der Emp fänger 5 von einer Differentialdiode gebildet sein. Die Sendelichtstrahlen 2 wer den durch einen Schwingspiegel 6 periodisch abgelenkt, so dass die Sendelicht strahlen 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 Diffe renz U_diff = U_nah - U_fern der Empfangssignale des Nah- 5b und Fernele mentes 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 Aus werteeinheit 11 geführt. Die Auswerteeinheit 11, die vorzugsweise durch einen Mikroprozessor gebildet wird, liest die Signale U_diff und U_sum in Abhängig keit 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 wenig stens ein binäres Schaltsignal generiert, welches angibt, ob sich ein Objekt 7 innerhalb eines Überwachungsbereichs befindet oder nicht. Das binäre Schaltsi gnal wird über einen Ausgang 12 ausgegeben. Weiterhin können aus den Si gnalen U_diff und U_sum analoge Distanzmesswerte abgeleitet werden. Über eine serielle Schnittstelle 13 können Parametrierdaten eingelesen und Distanz messwerte ausgegeben werden. Die Auswerteeinheit 11 steuert außerdem den Sender 3 zur Modulation des Sendelichtstrahls 2.

Fig. 2a zeigt die optischen Komponenten der optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 mit dem Empfänger 5, der durch das Fernelement 5a und das Nahelement 5b gebildet ist. Dem Sender 3, der vorzugsweise von einer Laser diode gebildet ist, ist ein Kollimator 14 nachgeschaltet. Der kollimierte Sende lichtstrahl 2 wird durch den Schwingspiegel 6, der vorzugsweise durch einen Mikroscanspiegel gebildet wird, sinusförmig abgelenkt, wobei der Winkelbe reich der von den am Schwingspiegel 6 abgelenkten Sendelichtstrahlen 2 über strichen wird, im Bereich zwischen 5° und 15° liegt und vorzugsweise 10° be trägt. 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.

Fig. 2b zeigt den Verlauf der Empfangssignale U, insbesondere der Signale U_diff und U_sum als Funktion des Scanwinkels für die Anordnung gemäß Fig. 2a. Bei einer ebenen, homogenen diffus reflektierenden Objektoberfläche bleibt die Summenspannung U_sum nahezu konstant. Mit zunehmendem Scan winkel 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 Tastbe reich, innerhalb dessen Objekte 7 erfasst werden sollen, begrenzt. Wie aus Fig. 2b ersichtlich nimmt das mittels des Schwellwerts s1 generierte binäre Schaltsi gnal 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. Zu dem sind als weitere Parameter zur Definition des Schaltzustands die Scanwin kel 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 Differenzspan nung 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 Rausch signale zu einem unbeabsichtigten Umschalten des Signals am Ausgang 12 füh ren.

Der Vorteil dieser Vorrichtung 1 besteht darin, dass durch den kleinen Ab tastlichtfleck 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.

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.

Da bei jeder Abtastperiode der Sendelichtstrahlen 2 der Hysteresebereich durchlaufen wird, kann der Ein- und Ausschaltpunkt des Lichttasters sicher er mittelt und die optimale, kleinstmögliche Hysterese eingestellt werden.

Außerdem kann während des Abtastvorgangs die Summenspannung U_sum bezüglich Amplitudenänderungen kontrolliert und damit das Messergebnis auf Plausibilität geprüft werden.

Zur Erhöhung der Detektionssicherheit sind insbesondere folgende Plausibili tätskontrollen möglich. Übersteigt die Abweichung der momentanen Summen spannung U_sum einen Summenspannungsmittelwert um einen definierten Pro zentsatz (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 ste tig fallend oder steigend, liegt eine geeignete Objektoberfläche vor. Unter schreitet 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 Be reich ungültig.

Fig. 2c zeigt den Aufbau eines als Mikroscanspiegel ausgebildeten Schwing spiegels 6. Der Schwingspiegel 6 ist von einer aluminiumbeschichteten Silizium platte 16 und zwei Torsionsstegen 17 gebildet. Der seitliche Teil der Silizium platte 16 bildet mit dem Rahmen eine Elektrode, die beim Anlegen einer Wech selspannung zur elektrostatischen Schwingungsanregung dient. Bei der Anre gung 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 unter gebracht. Eine Ansteuerschaltung, die im gleichen Gehäuse integriert sein kann, erfasst die Spiegelposition und regt diesen synchron an, so dass eine Resonanz schwingung mit definierter Auslenkung entsteht. Der Scanwinkel, beziehungs weise der Schwingungsnulldurchgang wird als Signal an die Auswerteeinheit 11 ausgegeben.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der optoelektronischen Vorrichtung 1 ist in Fig. 3a dargestellt. Der Aufbau dieser Vorrichtung 1 entspricht der Vorrich tung 1 gemäß den Fig. 1 und 2. Lediglich der Empfänger S ist im vorliegen den Fall durch eine CCD-Zeile mit einer Anzahl n von CCD-Zellen gebildet. Fig. 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 S um eine Strecke d3.

In Fig. 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 Schwer punkt 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 berech net. Bei kürzerem Objektabstand d5 (gestrichelt dargestellt) verschiebt sich der Schwerpunkt m2 auf der CCD-Zeile nach links. Der Pegelverlauf eines Signal peaks kann zur Plausibilitätskontrolle verwendet werden. Die Empfangssignale können prinzipiell nach jeder Abtastperiode aus der CCD-Zeile ausgelesen wer den. 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.

Fig. 4a zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der optoelektronischen Vorrich tung 1. Der Aufbau der Vorrichtung 1 ist weitgehend identisch mit dem Ausfüh rungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2. Im Unterschied hierzu ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4a der Empfänger 5 von einem schmalen Empfangselement gebildet. Dadurch gelangt nur in einem kleinen Scanwinkelbe reich Empfangslicht auf den Empfänger S. Der in Fig. 4b dargestellte Scan winkel w4, bei dem das Empfangslicht seine maximale Amplitude erreicht, ist ein Maß für die Objektdistanz.

Die geringe Empfangselementfläche hat den Vorteil, dass das Empfangsge sichtsfeld sehr schmal ist und dadurch diffuses Fremdlicht nur geringe Emp fangssignalpegel bewirkt. Die Auswertung des Empfangssignals, insbesondere zur Generierung eines binären Schaltsignals, erfolgt analog zu dem Ausfüh rungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2 mittels wenigstens eines Schwellwer tes.

Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele verwenden eine optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß Fig. 5a, bei der der Empfänger 5 durch eine großflächige Fotodiode gebildet wird. Ansonsten entspricht der Aufbau der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 5a dem Aufbau gemäß Fig. 4a. Die bei der Objektdetektion durch Kontur- oder Kontrastunterschiede der Objekte 7 entstehenden energetisch be dingten Amplitudenänderungen des Empfangssignals werden in Abhängigkeit des Scanwinkels ausgewertet.

Das Anwendungsbeispiel gemäß Fig. 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 Auswerte einheit 11 abgespeicherten Referenzwerten verglichen. In Fig. 5b ist der Am plitudenverlauf des Empfangssignals (durchgezogene Linie) dargestellt, der bei der Abtastung des Objektes 7 gemäß Fig. 5a erhalten wird. In Fig. 5b ist ge strichelt der Signalverlauf dargestellt, welcher bei Detektion einer ebenen Ober fläche erhalten wird und welcher insbesondere als Referenz in der Auswerteein heit 11 abgespeichert werden kann.

In Erweiterung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5a können mit der Vor richtung 1 auch bestimmte Kontrastmuster erfasst werden, wobei dann be stimmte Referenz-Kontrastmuster in der Auswerteeinheit 11 abgespeichert sind. Als Kontrastmuster können Bedruckungen auf Verpackungen, wie zum Beispiel ein Barcode, detektiert werden.

Fig. 6a zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel die Detektion einer Objektkante. Derartige in Fig. 6a dargestellte Objekte 7 können insbesondere von Regalpfo sten 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.

Aufgrund der Ablenkbewegung der Sendelichtstrahlen 2 wird mit der erfin dungsgemäßen 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 ge fordert, wobei Bohrungen im Regalpfosten auszublenden sind. Diese Anforde rungen können mit der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung 1 erfüllt werden.

Fig. 6b zeigt den Empfangssignalverlauf in Abhängigkeit des Scanwinkels für die Anordnung gemäß Fig. 6a.

Mit Hilfe des Schwellwerts s1 kann, wie in Fig. 6b dargestellt, der Scanwinkel w5, und damit die Kantenposition ermittelt werden.

Der Vorteil gegenüber bekannten Kantensensoren ist, dass die Kante vor Errei chen der Endposition erkannt und Störstellen in Kantennähe, wie zum Beispiel Bohrungen, ausgeblendet werden können.

Die gleiche Anordnung kann auch zur Detektion von Kontrastmustern einge setzt werden. In diesem Fall werden mit der Vorrichtung 1 Kanten zwischen Flächen unterschiedlicher Reflektivität erfasst.

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 Fig. 6b mittels einer Schwellwertbewertung erfolgen, so dass als Ausgangssignal ein binäres Signal generiert wird. Alternativ kann ein analoger Grauwertunterschied, bezo gen auf die Referenzfläche ausgegeben werden.

Fig. 6c zeigt ein typisches Anwendungsbeispiel für eine derartige Kontrastde tektion. Dabei wird mit der Vorrichtung 1 eine Textranderkennung durchge führt, wobei die Abtastlinie 8 den unbeschrifteten Rand (Referenzfläche) und das benachbarte Textfeld 18 erfasst, woraus die Position des Textrandes ermit telt werden kann.

Fig. 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 her kömmlichen 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 Fig. 7a dargestellt über das schmale Objekt 7 geführt und trifft bei dem Scanwinkel w6 auf die Oberseite des Objekts 7, wodurch ein hoher Emp fangspegel generiert wird, der einen Schwellwert s1 übersteigt. Der in Fig. 7b dargestellte Schwellwert s1 wird als s1 < U_ref definiert, wobei U_ref dem vor zugsweise gemittelten Amplitudenwert bei der Abtastung der Unterlage ent spricht. 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.

Fig. 8a zeigt eine Anordnung der optoelektronischen Vorrichtung 1 zur Abta stung der Oberflächenkontur eines Objektes 7, welches sich vor einem nicht dargestellten Hintergrund bewegt. Die Objektdetektion erfolgt mittels eines Korrelationsverfahrens. Wie in Fig. 8b dargestellt, werden die zeitlichen Ver läufe der Empfangssignale U(t), U(t-1) miteinander korreliert. Die dadurch ge bildete Korrelationsfunktion K(t) weist entsprechend der Objektbewegung bei dt einen Peak auf.

Bezugszeichenliste

1

Optoelektronische Vorrichtung

2

Sendelichtstrahlen

3

Sender

4

Empfangslichtstrahlen

5

Empfänger

5

a Fernelement

5

b 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

Claims

1. Optoelektronische Vorrichtung zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger, sowie einer Auswerteeinheit zur Auswertung der am Empfänger anstehenden Emp fangssignale, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Sendelichtstrahlen (2) über einen Schwingspiegel (6) periodisch abgelenkt werden, so dass diese auf der Oberfläche des Objektes (7) längs einer Abtastlinie (8) geführt sind, und dass zur Generierung eines Objektfeststellungssignals in der Auswerteeinheit (11) die Empfangssignale in Abhängigkeit der Ablenkpo sitionen des Schwingspiegels (6) ausgewertet werden.

2. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass der Empfänger (5) von einer Fotodiode gebildet ist.

3. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass der Empfänger (5) von einem ortsauflösenden Detektor gebildet ist.

4. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, dass der Empfänger (5) ein Nahelement (5b) und ein Fernelement (5a) aufweist.

5. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, dass in der Auswerteeinheit (11) die Differenz der Empfangssignale an den Ausgängen des Nah- (5b) und Fernelements (5a) ausgewertet wird.

6. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, dass in der Auswerteeinheit (11) die Summe der Empfangssignale an den Ausgängen des Nah- (5b) und Fernelements (5a) ausgewertet wird.

7. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, dass der Empfänger (5) von einer CCD-Zeile mit einer vorgegebenen Anzahl von CCD-Zellen gebildet ist.

8. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, dass die Empfangssignale an den Ausgängen der CCD-Zellen nach je der von dem Schwingspiegel (6) durchgeführten Abtastung oder jeweils nach einer vorgegebenen Anzahl von Abtastungen in die Auswerteeinheit (11) eingelesen werden.

9. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, da durch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinheit (11) die Lage des Schwerpunkts des Empfangslichtflecks auf der CCD-Zeile ermittelt wird.

10. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangssignale des Empfängers (5) mit wenig stens einem Schwellwert bewertet werden.

11. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, dass mittels des Schwellwerts ein binäres Schaltsignal generiert wird, dessen Schaltzustände angeben, ob sich ein Objekt (7) innerhalb des Überwachungsbereichs befindet oder nicht.

12. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, dass die Differenz der Empfangssignale des Nah- (5b) und Fernele ments (5a) mit einem Schwellwert bewertet wird, und dass in der Aus werteeinheit (11) geprüft wird, ob der Ablenkwinkel, bei welchem die Differenz der Empfangssignale den Schwellwert erreicht, innerhalb eines einen Hysteresebereich bildenden Winkelbereichs liegt.

13. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, dass der Schaltzustand des Schaltsignals innerhalb des Hysteresebe reichs unverändert bleibt.

14. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die in Abhängigkeit des Ablenkwinkels des Schwingspiegels (6) erfassten Empfangssignale mit in der Auswerteeinheit (11) abgespeicherten Referenzwerten verglichen werden.

15. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die bei verschiedenen Abtastungen erhaltenen Ver läufe der Empfangssignale korreliert werden.

16. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-15, da durch gekennzeichnet, dass der Schwingspiegel (6) von einem Mikroscan spiegel gebildet ist.

17. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-16, da durch gekennzeichnet, dass mittels der über den Schwingspiegel (6) ge führten Sendelichtstrahlen (2) ein Winkelbereich von 5° bis 15° überstri chen wird.