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Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 7.
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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 Empfängerzelle 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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Die
DE 198 17 824 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Überprüfung von Gegenständen aus mehreren Teilen, Lagen oder dergleichen mit einem Prüfaggregat, an dem der Gegenstand, insbesondere eine Zigarettengruppe, eine Materialbahn oder dergleichen vorbeibewegt wird, wobei reflektiertes Licht von dem Gegenstand durch ein optoelektronisches Prüforgan aufgenommen wird, nämlich von einem CCD-Zeilenchip, der quer zur Bewegungsrichtung bzw. quer zur Längserstreckung des Gegenstands angeordnet ist. Durch Bereiche unterschiedlicher Lichtintensität wird durch den CCD-Zeilenchip ein Profil des Gegenstands aufgenommen und in einer Auswerteeinheit verarbeitet. Zur Überprüfung der Gegenstände wird das auf der CCD-Zeile generierte Helligkeitsmuster mit einem Referenzmuster verglichen.
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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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Diese Aufgabe wird mit einem optischen Sensor gemäß Anspruch 1 oder 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass mit zwei Sendern des erfindungsgemäßen 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 gemäß einer ersten Variante 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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Gemäß einer zweiten Variante 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 Anordnung 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 s0 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 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 A4a und die vom Objekt 6 zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 4b des zweiten Senders 2b als Lichtfleck A4b gemäß dem Diagramm von 3a auf den Empfangselementen des Empfingen 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 A4a 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 A4a, A4b, vorzugsweise durch eine Spitzenwertermittlung der jeweiligen Empfangssignalmuster bestimmt. Durch die vorzeichenabhängige Auswertung der Abstände Δn, Δn', Δn'' der beiden Lichtflecke A4a, 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, A4b 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 Empfingen 5 verläuft, sind die Abstände der Lichtflecke A4a, 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 A4a, 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 Objekt 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 Sender 2a, 2a', 2b, 2b' auf. Das erste Paar mit den Sender 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. Zudem 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 Sender 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 11c 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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Bezugszeichenliste
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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 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