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Die Erfindung betrifft einen optischen
Sensor gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Derartige optische Sensoren können prinzipiell
als Lichttaster ausgebildet sein. Ein derartiger optischer Sensor
weist als Sendereinheit einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender
und als Empfänger
ein einzelnes Empfangselement auf, welches von einer Fotodiode oder
dergleichen gebildet ist. Zur Objektdetektion wird in der Auswerteeinheit
des optischen Sensors das am Ausgang des Empfängers anstehende Empfangssignal
mit einem Schwellwert bewertet. Mit dieser Schwellwertbewertung
wird als Objektfeststellungssignal ein binäres Schaltsignal erhalten,
dessen Schaltzustände
angeben, ob sich ein Objekt innerhalb eines Überwachungsbereichs befindet oder
nicht.
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Nachteilig hierbei ist, dass mit
derartigen optischen Sensoren weder Distanzen von Objekten noch
Strukturen von Objekten bestimmbar sind.
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Aus der
DE 198 50 270 A1 ist ein
als Distanzsensor ausgebildeter optischer Sensor bekannt. Bei diesem
optischen Sensor erfolgt die Bestimmung von Distanzen von Objekten
nach dem Triangulationsprinzip. Hierzu weist der optische Sensor
einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einen Empfänger in
Form einer Empfängerzeile
auf, welche in vorgegebenem Abstand zu dem Sender liegt. Zur Bestimmung
der Objektdistanz wird dabei die Lage des Lichtflecks auf der Empfängerseite
der vom Sender emittierten Sendelichtstrahlen und von einem Objekt
als Empfangslichtstrahlen zum optischen Sensor zurückreflektierten
Empfangslichtstrahlen ausgewertet.
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Nachteilig bei derartigen optischen
Sensoren ist, dass Objektstrukturen wie zum Beispiel Kanten und
Vertiefungen, auf welche die Sendelichtstrahlen treffen, zu Verschiebungen
des Lichtflecks auf der Empfängerseite
und dadurch bedingt zu Ungenauigkeiten bei der Distanzmessung führen können.
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Schließlich ist nachteilig, dass
die Distanzwertbestimmung bei derartigen optischen Sensoren äußerst empfindlich
bezüglich
Lagetoleranzen des Senders und der Empfängerseite ist. Daher ist ein großer Aufwand
erforderlich, um den Sender und die Empfängerseite exakt in den Sollpositionen
innerhalb des optischen Sensors zu montieren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde
einen optischen Sensor der eingangs genannten Art bereitzustellen,
mit welchem bei möglichst
geringem konstruktivem Aufwand eine möglichst genaue Information über Distanzen
und Strukturen von Objekten erhalten wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die
Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der erfindungsgemäße optische Sensor umfasst
eine Sendelichtstrahlen emittierende Sendereinheit, einen Empfangslichtstrahlen
empfangenden Empfänger
und eine Auswerteeinheit zur Generierung eines Objektfeststellungssignals
in Abhängigkeit
von am Ausgang des Empfängers
anstehenden Empfangssignalen. Der Empfänger weist eine zeilenförmige Anordnung
von Empfangselementen auf. Die Sendereinheit weist wenigstens ein
Paar von Sendelichtstrahlen emittierenden Sendern auf, wobei die Sender
beidseits des Empfängers
angeordnet sind. Die optischen Achsen der Sender schneiden sich
in einer vorgegebenen Soll-Distanz.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin,
dass mit den beiden Sendern des optischen Sensors eine doppelte
Abtastung von zu erfassenden Objekten erfolgt. Demzufolge entsteht
bei einer Objektdetektion auf den Empfangselementen des Empfängers durch
die Sendelichtstrahlen des ersten Senders, die von dem Objekt zurückreflektiert
werden, ein erster Lichtfleck und durch die Sendelichtstrahlen des
zweiten Senders, die von demselben Objekt zurückreflektiert werden, ein zweiter
Lichtfleck.
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Diese Lichtflecke sind insbesondere
als Spitzenwerte innerhalb des von den Empfangssignalen der einzelnen
Empfangselemente gebildeten Empfangssignalmuster erfassbar.
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Durch die Bestimmung der Abstände der
den Lichtflecken entsprechenden Spitzenwerte kann einerseits die
Distanz eines Objektes erfasst werden. Durch die Bestimmung der
Relativlagen der Spitzenwerte können
zudem Strukturen von Objekten erfasst werden.
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Durch die Anordnung der Sender beidseits des
Empfängers
und aufgrund der Signalauswertung jeweils in Form einer Relativmessung
der von den Sendelichtstrahlen der beiden Sendern generierten Lichtflecke,
ist die Objektdetektion unempfindlich gegenüber Lagetoleranzen des Empfängers.
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Da mit den Sendelichtstrahlen der
Sender das Objekt in zwei unterschiedlichen Winkeln erfasst wird
und dabei die Einzelmessungen durch die Auswertung der Relativlagen
der Lichtflecke beider Sendelichtstrahlen auf dem Empfänger in
Beziehung gesetzt werden, wird mit dem optischen Sensor eine Tiefeninformation über die
Positionen von Objekten erhalten, die es insbesondere erlaubt, auch
Objekte dicht vor einem Hintergrund zu erfassen.
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In einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform
der Erfindung werden die Sender alternierend aktiviert, wobei bei
jeweils einem aktivierten Sender das durch die Sendelichtstrahlen
generierte Empfangssignalmuster separat erfasst wird. Zur Bestimmung
von Objektdistanzen und Objektstrukturen werden dann die beiden
Empfangssignalmuster miteinander in Beziehung gesetzt, um die Abstände und/oder
Relativlagen der Lichtflecke der Sendelichtstrahlen beider Sender
auf dem Empfänger
zu ermitteln. Diese Ausführungsform
ist deshalb vorteilhaft, da eine Überlappung der Lichtflecke
der Sendelichtstrahlen beider Sender auf dem Empfänger vermieden
wird, was zu Ungenauigkeiten, insbesondere bei der Distanzbestimmung,
führen
würde.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass durch die Differenzbildung der beiden
Empfangssignalmuster weitere Informationen über Objektstrukturen erhalten
werden können.
Insbesondere können
dadurch Schattenbildungen durch Objektkanten erfasst werden.
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Die Erfindung wird im Nachstehenden
anhand der Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1:
Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen optischen
Sensors.
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2:
Optische Komponenten des optischen Sensors gemäß 1.
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3a–c:
Diagramme von Empfangssignalmustern des Empfängers des optischen Sensors
für die
Anordnung gemäß 2.
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4:
Diagramm der Lichtfleckpositionen der Sendelichtstrahlen auf dem
Empfänger
des optischen Sensors gemäß 2 in Abhängigkeit der Objektdistanz.
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5:
Applikationsbeispiel zur Erkennung eines Objektes vor einem Hintergrund
mittels der Vorrichtung gemäß 2.
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6:
Empfangssignalmuster am Empfänger
des optischen Sensors für
das Applikationsbeispiel gemäß 5.
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7:
Applikationsbeispiel zur Bestimmung des Objektneigungswinkels mittels
der Vorrichtung gemäß 2.
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8:
Optische Komponenten eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen
Sensors.
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9:
Optische Komponenten eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen
Sensors.
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10a–c:
Diagramme von Empfangssignalmustern am Empfänger des optischen Sensors gemäß 9.
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11:
Optischer Sensor gemäß 9 zur Erkennung einer Vertiefung.
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12a–c:
Diagramme von Empfangssignalmustern am Empfänger des optischen Sensors
für die
Anordnung gemäß 11.
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1 zeigt
schematisch das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines optischen
Sensors 1. Der Aufbau der optischen Komponenten dieses optischen
Sensors 1 ist in 2 dargestellt.
Der optische Sensor 1 weist eine Sendereinheit auf, welche im
vorliegenden Fall zwei Sender 2a, 2b umfasst.
Die Sendelichtstrahlen 3a, 3b emittierenden Sender 2a, 2b sind
im vorliegenden Fall identisch ausgebildet und bestehen jeweils
aus einer Fotodiode. Der optische Sensor 1 weist weiterhin
einen Empfangslichtstrahlen 4a, 4b empfangenden
Empfänger 5 auf,
der aus einer zeilenförmigen
Anordnung von Empfangselementen besteht. Im vorliegenden Fall besteht
der Empfänger 5 aus
einer CCD-Zeile. Alternativ kann der Empfänger 5 von einer CMOS-Zeile
gebildet sein.
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Die Sendelichtstrahlen 3a, 3b der
Sender 2a, 2b werden von einem Objekt 6 als
Empfangslichtstrahlen 4a, 4b zum Empfänger 5 zurückreflektiert. Die
Anord nung der optischen Komponenten und die Strahlengänge der
Sendelichtstrahlen 3a, 3b und der Empfangslichtstrahlen 4a, 4b sind
aus 2 ersichtlich. Die
Sender 2a, 2b liegen beidseits des Empfängers 5,
wobei die Sender 2a, 2b in Längsrichtung des Empfängers 5 an
diesen anschließen.
Dabei sind die Sender 2a, 2b beidseits einer Empfangsoptik 7 angeordnet,
welche zur Fokussierung der Empfangslichtstrahlen 4a, 4b auf
den Empfänger 5 dient.
Den Sendern 2a, 2b kann jeweils eine nicht dargestellte
Sendeoptik zur Strahlformung, insbesondere zur Kollimation oder
Fokussierung der Sendelichtstrahlen 3a, 3b nachgeordnet
sein.
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Die Sender 2a, 2b sind
symmetrisch zum Mittelpunkt der den Empfänger 5 bildenden CCD-Zeile
angeordnet. Dabei verlaufen die optischen Achsen der Sender 2a, 2b geneigt,
so dass sich diese in einem vorgegebenen Abstand so zum optischer
Sensor 1 schneiden.
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Wie aus 1 ersichtlich sind die Sender 2a, 2b und
der Empfänger 5 an
eine Auswerteeinheit 8 angeschlossen, die von einem Mikroprozessor
oder dergleichen gebildet ist. Mit der Auswerteeinheit 8 erfolgt
die Ansteuerung der Sender 2a, 2b. Zudem werden
in der Auswerteeinheit 8 die Empfangssignale an den Ausgängen der
Empfangselemente des Empfängers 5 zur
Generierung eines Objektfeststellungssignals ausgewertet. An die
Auswerteeinheit 8 sind ein Schaltausgang 9 und
eine serielle Schnittstelle 10 angeschlossen. Über den
Schaltausgang 9 ist ein als binäres Schaltsignal ausgebildetes
Objektfeststellungssignal ausgebbar. Über die serielle Schnittstelle 10 ist
ein analoges Objektfeststellungssignal ausgebbar. Weiterhin können über die
serielle Schnittstelle 10 Parameterwerte in den optischen
Sensor 1 eingelesen werden.
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Zur Objektdetektion mittels des optischen Sensors 1 gemäß den 1 und 2 können
prinzipiell beide Sender 2a, 2b gleichzeitig aktiviert
sein. Im vorliegenden Fall sowie in sämtlichen nachfolgenden Ausführungsbeispielen
werden die Sender 2a, 2b alternierend aktiviert.
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Mittels des optischen Sensors 1 gemäß den 1 und 2 kann insbesondere die Distanz eines Objektes 6 zum
optischen Sensor 1 bestimmt werden. Der ermittelte Distanzwert
kann als analoger Messwert über
die serielle Schnittstelle 10 ausgegeben werden. Alternativ
kann aus den Distanzwerten durch eine Schwellwertbewertung als Objektfeststellungssignal
ein binäres
Schaltsignal abgeleitet werden, dessen Schaltzustände angeben,
ob sich ein Objekt 6 innerhalb eines Distanzbereichs befindet oder
nicht.
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Das Prinzip der Distanzmessung mittels
des optischen Sensors 1 ist in den 2 – 4 veranschaulicht. Dabei
ist in den 3a–c das Empfangssignalmuster
des Empfängers 5,
das heißt
der Verlauf der Empfangssignale An der Empfangselemente
n (n = 1 ... N) für
die Detektion eines Objektes 6 in den Abständen s1,
s1' und s1'' gemäß 2 dargestellt. Für den Fall,
dass ein Objekt 6 im Nahbereich des optischen Sensors 1 in
einer Distanz s1 angeordnet ist (2)
werden die vom Objekt 6 zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 4a des
ersten Senders 2a als Lichtfleck A4
a und die vom Objekt 6 zurückreflektierten
Empfangslichtstrahlen 4b des zweiten Senders 2b als
Lichtfleck A4b gemäß dem Diagramm von 3a auf den Empfangselementen
des Empfängers 5 abgebildet.
Entsprechend erfolgt eine Abbildung der Lichtflecke A4a und
A4b auf dem Empfänger 5 gemäß dem Diagramm
von 3b für ein Objekt 6 in
einem Abstand s1' zum
optischen Sensor 1. Weiterhin erfolgt eine Abbildung der
Lichtflecke A4
a und A4b auf dem Empfänger 5 gemäß dem Diagramm
von 3c für ein Objekt 6 in
einem Abstand s1" zum
optischen Sensor 1.
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Zur Distanzbestimmung werden zunächst die
Lagen der beiden Lichtflecke A4
a,
A4b, vorzugsweise durch eine Spitzenwertermittlung
der jeweiligen Empfangssignalmuster bestimmt. Durch die vorzeichenabhängige Auswertung
der Abstände Δn, Δn', Δn'' der beiden Lichtflecke A4
a, A4b gemäß den Diagrammen
der 3a–c erfolgt dann die
Bestimmung der Objektdistanzen s1, s1', s1'' in der Auswerteeinheit 8.
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Da zur Bestimmung der Objektdistanz
die Relativlagen der Lichtflecke A4a, A4
b ausgewertet werden,
ist die Distanzbestimmung unempfindlich gegenüber Lagetoleranzen des Empfängers 5.
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Da im vorliegenden Fall die Objektoberfläche in einer
Ebene senkrecht zur optischen Achse des Empfängers 5 verläuft, sind
die Abstände
der Lichtflecke A4
a +
A4b aufgrund der symmetrischen Anordnung
der Sender 2a, 2b bezüglich des Empfängers 5 jeweils
symmetrisch zum Zentrum des Empfängers 5,
das heißt
symmetrisch zum zentralen Empfangselement n = N/2.
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In 4 ist
der Verlauf der Lage der Lichtflecke A4a,
A4b über
den gesamten Distanzmessbereich zwischen smin und
smax für
den optischer Sensor 1 gemäß 4 aufgetragen. Der Distanzbereich ist
durch die Länge
des Empfängers 5 und
damit durch die Anzahl N der Empfangselemente (n = 1 ... N) des
Empfängers 5 gegeben.
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Wie aus 4 ersichtlich, fallen für ein Objekt
6 im Abstand s = s0 die Lichtflecke A4
a, A4b zusammen.
Im Nahbereich, das heißt
bei Distanzen s < s0 liegt der Lichtfleck A4b in
der ersten Hälfte
des Empfängers 5 (Empfangselemente < N/2) und der Lichtfleck
A4b in der zweiten Hälfte des Empfängers 5. Für Objekte 6 im
Fernbereich s > s0 wird gerade der umgekehrte Fall erhalten.
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Da die Sender 2a, 2b alternierend
aktiviert werden und die Lage der Lichtflecke A4a,
A4b in getrennten Empfangssignalmustern
bestimmt werden, können
diese einfach unterschieden werden. Damit ist eine vorzeichenabhängige Auswertung
der Abstände
der Lichtflecke einfach möglich.
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5 zeigt
den optischen Sensor 1 gemäß 2 zur Detektion eines Objektes 6 dicht
vor einem Hintergrund 6'.
Das Objekt 6 weist eine Objekthöhe s2 auf und liegt auf der
Oberfläche
des Hintergrunds 6' auf.
Wie aus 5 ersichtlich
treffen die Sendelichtstrahlen 3a des ersten Senders 2a auf
das Ob jekt 6, während
die Sendelichtstrahlen 3b des zweiten Senders 2b auf
den Hintergrund 6' treffen.
Das hierfür
erhaltene Empfangssignalmuster ist in 6 dargestellt.
Für den
Fall, dass die Sendelichtstrahlen 3a, 3b beider
Sender 2a, 2b auf den Hintergrund 6' treffen würden, ergäben sich
zwei Lichtflecke A4a (gestrichelt in 6 dargestellt) und A4b, die symmetrisch zum zentralen Empfangselement
n = N/2 liegen und um den Versatz Δn getrennt sind. Da jedoch die
Sendelichtstrahlen 3a des ersten Senders 2a auf
das Objekt 6 treffen, ist entsprechend der Objekthöhe s2 des Objektes 6 der
Lichtfleck A4a zum Zentrum des Empfängers 5 hin
verschoben, wie in 6 dargestellt
ist. Aus der Asymmetrie der Lagen der Lichtflecke zum Zentrum des
Empfängers 5 kann
die Objekthöhe
s2 des Objektes 6 bestimmt werden. Insbesondere kann durch
die Auswertung der Lagen der Lichtflecke A4a, A4b das dicht vor dem Hintergrund 6' liegende Objekt 6 sicher
erkannt werden.
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Ebenso können in analoger Weise die
Neigungen von Objektoberflächen
relativ zum optischen Sensor 1 bestimmt werden. Eine entsprechende
Anordnung zeigt 7. In
diesem Fall verläuft
die Objektoberfläche
um einen Neigungswinkel w1 geneigt zur Normalebene senkrecht zur
optischen Achse des Empfängers 5.
Die Bestimmung des Neigungswinkels erfolgt analog zur Auswertung
gemäß 6.
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8 zeigt
die optischen Komponenten eines weiteren Ausführungsbeispiels des optischen Sensors 1.
Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 2 weist der optische Sensor 1 eine
Sendereinheit mit zwei Paaren von Sendern 2a, 2a', 2b, 2b' auf. Das erste
Paar mit den Sendern 2a, 2b entspricht der Anordnung
gemäß 2, wobei sich die optischen
Achsen der Sender 2a, 2b wiederum in dem Abstand
so zum optischen Sensor 1 schneiden. Die optischen Achsen
der Sender 2a', 2b' des zweiten
Paares schneiden sich im Abstand s0', wobei s0' > s0 ist.
Durch die Hinzufügung
des zweiten Senderpaares kann damit der Distanzmessbereich zu großen Distanzen
hin erweitert werden. Die Sender 2a, 2a', 2b, 2b' der beiden
Paare werden bevorzugt alternierend aktiviert. Zu dem werden bevorzugt
auch die Sender 2a, 2a', 2b, 2b' eines Paares
jeweils alternierend aktiviert.
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9 zeigt
eine Anordnung eines optischen Sensors 1 mit einem Senderpaar
zur Detektion einer Kante eines Objektes 6. Das Senderpaar
kann im vorliegenden Fall von zwei externen Sendern 2a, 2b in
Form von Beleuchtungsquellen gebildet sein, welche Sendelichtstrahlen 3a, 3b in
Form von aufgeweiteten Strahlenbündeln
emittieren. Die Sender 2a, 2b werden wiederum
alternierend aktiviert. Zur Strahlaufweitung der Sendelichtstrahlen 3a, 3b kann
den Sendern 2a, 2b ein nicht dargestelltes Optikelement wie
zum Beispiel eine Streufolie nachgeordnet sein. Die Strahlaufweitung
erfolgt zweckmäßigerweise derart,
dass die Sendelichtstrahlen 3a, 3b einen elliptischen
Strahldurchmesser aufweisen. Wie aus 9 ersichtlich
entsteht bei der Beleuchtung des Objektes 6 mit dem Sender 2b ein
Schatten 11 der Objektkante, nicht jedoch bei der Beleuchtung
mit dem Sender 2b. Durch die Signalauswertung gemäß den 10a–c wird die Objektkante
durch den Schattenwurf bei Abtastung mit dem optischen Sensor 1 erfasst.
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10a zeigt
das Empfangssignalmuster, das heißt den Verlauf der Empfangssignale
Aa(n) in Abhängigkeit der Empfangselemente
bei aktiviertem ersten Sender 2a. Entsprechend zeigt 10b den Verlauf der Empfangssignale
Ab(n) bei aktiviertem zweiten Sender 2b.
Zur Objekterfassung wird die Differenz der beiden Empfangssignalmuster
Aa–b(n)
= Aa(n) – Ab(n)
gebildet. Diese ist in 11 c
dargestellt.
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Die Differenz Aa–b gibt
deutlich den Schatten 11 der Objektkante als positiven
Signalpegel wieder. Dabei werden störende Signalspitzen von einem Kontrast 12,
der zum Beispiel durch Bedruckung der Objektoberfläche entstehen
kann, unterdrückt.
Aus Kenntnis der Anordnung der Sender 2a, 2b und
des Objektabstandes s3 kann aus der Schattenbreite d1 die Stufenhöhe (s4)
berechnet werden.
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11 zeigt
den optischen Sensor 1 gemäß 9 zur Detektion einer Vertiefung der
Breite d2 in einem Objekt 6. In diesem Fall wird bei aktiviertem Sender 2b ein
Schatten 11 am linken Rand der Vertiefung generiert. Entsprechend
wird bei aktiviertem Sender 2a ein Schatten 11' am rechten
Rand der Vertiefung generiert. Die in den 12a–c dargestellte Signalauswertung
erfolgt analog zu dem Ausführungsbeispiel
gemäß 10.
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Dementsprechend wird gemäß 12a das Empfangssignalmuster
der Empfangssignale Aa(n) bei aktiviertem
Sender 2a erfasst. Weiterhin wird gemäß 12b das Empfangssignalmuster der Empfangssignale
Ab(n) bei aktiviertem Sender 2b erfasst. Zur
Detektion der Vertiefung des Objektes 6 wird gemäß 12c die Differenz beider
Empfangssignalmuster gemäß Aa–b(n)
= Aa(n) – Ab(n)
gebildet.
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Die Signalpeaks in dem Differenzsignal Aa–b(n)
stammen von den Schatten 11, 11' an den Rändern der Vertiefung und definieren
die Lagen der Kanten der Vertiefung. Insbesondere kann aus dem Abstand
der Signalpeaks der Durchmesser d2 der Vertiefung berechnet werden.
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- 1
- Optischer
Sensor
- 2a,
2a', 2b, 2b'
- Sender
- 3a,
3b
- Sendelichtstrahlen
- 4a,
4b
- Empfangslichtstrahlen
- 5
- Empfänger
- 6
- Objekt
- 6'
- Hintergrund
- 7
- Empfangsoptik
- 8
- Auswerteeinheit
- 9
- Schaltausgang
- 10
- Serielle
Schnittstelle
- 11,
11'
- Schatten
- 12
- Kontrast
- A4a, A4b
- Lichtflecke
- Aa(n), Ab(n)
- Verlauf
der Empfangssignale
- Aa–b
- Differenz
- An
- Empfangssignale
- d1
- Schattenbreite
- d2
- Durchmesser
der Vertiefung
- s
- Abstand
- s0
- vorgegebener
Abstand
- s0'
- Abstand
- s1,
s1', s1''
- Abstand
- s2
- Objekthöhe
- s3
- Objektabstand
- s4
- Stufenhöhe
- w1
- Neigungswinkel