DE10134305A1 - Optoelektronische Vorrichtung - Google Patents
Optoelektronische VorrichtungInfo
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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.
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 (17)
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.
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