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Die
Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung.
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Es
ist eine Vorrichtung nach der
DE 199 33 439 A1 bekannt, die glänzende Objekte
dadurch detektiert, dass das Sendelicht zu einem sensorseitigen Reflektor
hin und zurück
gelenkt wird und im Sensor einen Mindesintensitätswert erreicht. Der zulässige Objektneigungswinkel
ist abhängig
vom Objektabstand und der Reflektorgröße. Bei diffus reflektierenden
Objekten wird der Mindesintensitätswert
unterschritten.
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Es
sind weitere Vorrichtungen nach 1 bekannt,
die eine möglichst
große
Empfangsoptik ausweisen und dadurch einen gewisse Objektneigung
zulassen, die vom Objektabstand und dem Durchmesser der Empfangsoptik
abhängig
sind. Der zulässige
Objektneigungswinkel w2 beträgt
näherungsweise:
w2 = 0,5·arctan(d2/d1),
wobei d1 der Objektabstand und d2 der Empfangsoptikdurchmesser ist.
Beispielsweise ergibt sich für
d1 = 200mm und d2 = 15mm ein zulässiger
Objektneigungswinkel von +/- 1°.
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Nachteile
der Vorrichtungen nach dem Stand der Technik sind:
- – der
zulässige
Objektneigungswinkel ist für
praktisch sinnvolle Sensorabmessungen sehr klein,
- – der
Objektneigungswinkel nimmt mit dem Objektabstand ab,
- – der
Objektabstand kann nicht ermittelt werden, bzw. kann nur ein diffuser
Anteil ausgewertet werden, wobei der Direktreflex nicht in den Sensor fallen
darf.
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Vor
der Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösung soll der Begriff „Glanz" an Hand von 2 beschrieben werden.
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Glanz
ist die Eigenschaft einer Oberfläche, einfallende
Lichtstrahlen mehr oder minder gerichtet zu reflektieren. Je mehr
Lichtstrahlen von einer Oberfläche
gerichtet reflektiert werden, desto glatter und glänzender
ist diese.
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Der
Glanzgrad einer Oberfläche
ist definiert als der Quotient aus dem gerichtet und dem diffus
reflektierten Anteil des auffallenden Lichts. Die praktische Bestimmung
des Glanzgrades erfolgt nach DIN 537781 in den 6 Glanzgraden: hochglänzend, glänzend, seidenglänzend, seidenmatt,
matt, und stumpfmatt. Der einfallende Sendestrahl 3 bildet
zur Flächennormalen
des Objektes 6 den Einfallswinkel 12.
- a) Ist das Objekt transparent, wird der Sendestrahl 3 gebrochen
und mit ca. 95% der Intensität
als gebrochener Strahl 15 weitergeleitet. Ein Anteil mit
ca 4% wird mit dem Ausfallwinkel 13 vom Objekt 6 reflektiert.
- b) Ist das Objekt nichttransparent und hochglänzend, wird
das gesamte Sendelicht mit dem Ausfallwinkel 13 vom Objekt 6 reflektiert.
- c) Ist das Objekt nichttransparent und seidenmatt bis glänzend, bildet
sich um den reflektierten Empfangslichtstrahl 4 Streustrahlung 14.
Ein Anteil des Sendelichtes 3 wird je nach Glanzgrad durch
das Objekt 6 absorbiert.
- d) Ist das Objekt nichttransparent und stumpfmatt bis matt,
wird der überwiegende
Teil des Sendelichtes 3 absorbiert und ein geringer Anteil
diffus in den Halbraum reflektiert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine optoelektronische Vorrichtung
bereitzustellen, mittels derer unterschiedliche glänzende Objekte
sicher detektiert werden können.
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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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Die
erfindungsgemäße Lösung nutzt
den direkt vom Objekt gespiegelten Empfangslichtstrahl, im Folgenden
als Direktreflex bezeichnet, um das Objekt zu detektieren. Durch
Auswertung von zwei Direktreflexen aus unterschiedlichen Winkelbereichen kann
nach dem Triangulationsprinzip die Objektdistanz ermittelt werden.
Im ersten Ausführungsbeispiel werden
die beiden Direktreflexe durch eine aufgeteilte Zylinderlinse erzeugt,
im zweiten Ausführungsbeispiel
durch zwei seitlich versetzte Sender. Aus dem Abstand der beiden
Empfangslichtflecke die auf dem Mehrfachempfangselement abgebildet
werden, wird die Objektdistanz berechnet. Durch die Auswertung des
Empfangssignalverlaufes und/oder Vergleich mit einem eingeteachten
Referenzsignalverlauf können verschiedenste
Objekteigenschaften analysiert werden.
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Vorteile
der erfindungsgemäßen Lösung sind:
- – der
zulässige
Objektneigungswinkel ist nur abhängig
vom Raumwinkel des Sendelichtes und weitgehend unabhängig von
der Objektdistanz,
- – dadurch
können
auch Sensoren mit kleinen Abmessungen zum Einsatz kommen,
- – für glänzende Objekte
kann der Abstand ermittelt werden,
- – es
können
Objekteigenschaften, wie z.B. Glanzgrad ermittelt werden,
- – transparente
Objekte (Folien, Glas, Flüssigkeiten)
können
vor einem diffusen Hintergrund oder einer glänzenden Referenzfläche detektiert
werden.
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Die
Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Vorrichtung nach dem Stand der Technik
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2:
Skizze zur Beschreibung der Definition des Begriffes „Glanz".
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3:
Blockschaltbild zum ersten Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung 1.
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4:
Blockschaltbild zum zweiten Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung 1.
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5:
Funktionsprinzip des ersten Ausführungsbeispiels.
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6a:
Diagramm der Empfangssignalverläufe
bei einem fernen Objekt.
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6b:
Diagramm der Empfangssignalverläufe
bei einem nahen Objekt.
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7: Mögliche
Anordnungen des Senders.
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8:
Skizze zur Beschreibung des zulässigen
Objektneigungswinkels.
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9a:
Sendestrahlaufweitung mit Fokuspunkt im Nahbereich.
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9b:
Fokuslage zur Detektion von kleinen Objekten.
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10: Funktionsprinzip des zweiten Ausführungsbeispiels
mit zwei Sendern.
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11:
Diagramm der Empfangssignalverläufe
nach 10.
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12:
Anordnung eines glänzenden,
geneigten Objektes.
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13: Diagramm der Empfangssignalverläufe nach 12.
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14: Diagramm der Empfangssignalverläufe nach 12 zur
Bestimmung des Glanzgrades.
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15:
Anordnung einer transparenten Schicht vor einem Objekt.
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16:
Diagramm der Empfangssignalverläufe
nach 15.
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17: Diagramm der Empfangssignalverläufe bei
einer transparenten Schicht vor einer glänzenden Referenzfläche.
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18:
Kombination eines Triangulationstasters mit der Vorrichtung nach 7b.
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3 zeigt
das Blockschaltbild einer optoelektronischen Vorrichtung 1 mit
dem Sender 2, dessen Sendelichtstrahlen 3 durch
Reflektion am Objekt 6 die Empfangslichtstrahlen 4 ergeben.
Die zweiteilige Empfangsoptik 7 teilt den Empfangslichtstrahl 4 durch
zwei getrennte Randbereiche in die Teilstrahlen 4a und 4b auf
und bündelt
sie auf das den Empfänger
bildende Mehrfachempfangselement 5 welches aus einer Reihenanordnung
von Empfangselementen besteht. Der Empfangssignalverlauf wird in der
Auswerteeinheit 11 ausgewertet und daraus am Schaltausgang 9 ein
binäres
Schaltsignal bereitgestellt.
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4 zeigt
das Blockschaltbild der Vorrichtung 1 mit zwei zueinander
versetzt angeordneten Sendern 2a und 2b, die alternierend
geschaltet werden und über
das Objekt 6 die Empfangslichtstrahlen 4a und 4b erzeugen,
die auf dem Mehrfachempfangselement 5 zwei Empfangssignalverläufe (Lichtflecke)
ergeben. Ansonsten entspricht diese Ausführungsform der Vorrichtung
gemäß 1.
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5 zeigt
das erste Ausführungsbeispiel der
Vorrichtung 1 mit der aufgeteilten Empfangsoptik 7.
Der Sender 2 emittiert Sendelichtstrahlen 3 in
einen grö ßeren Raumwinkel,
in dem das Objekt 6 detektiert werden soll. Entsprechend
der Neigung des Objektes 6 gelangen die beiden Direktreflexe 4a, 4b über die
Randbereiche der Empfangsoptik 7 zum Mehrfachempfangselement 5.
Wird die Empfangsoptik 7 durch eine Zylinderlinse gebildet,
werden die Empfangslichtstrahlen 4a, 4b als Empfangslichtstreifen
in der Ebene des Mehrfachempfangselement 5 und quer dazu
gebündelt,
so dass sich Empfangslichtstreifen und Mehrfachempfangselement 5 in
einem weiten Neigungsbereich des Objektes 6 schneiden.
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Wie
in 6a gezeigt, entsteht auf dem Mehrfachempfangselement 5 ein
Empfangssignalverlauf mit den zwei Intensitätsmaximas u4a und u4b im Abstand
n1. In einem kürzeren
Abstand des Objektes 6' ändert sich
der Winkel der einfallenden Teilstrahlen 4a', 4b' und damit, wie in 6b gezeigt, der
Abstand n1' der
Intensitätsmaximas
u4a und u4b. Durch die Änderung
der Neigung des Objektes 6 wird lediglich die Lage der
beiden Intensitätsmaximas
u4a und u4b verschoben, wobei der Abstand n1 erhalten bleibt.
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7 zeigt verschiedene Anordnungen des Senders 2.
Vorzugsweise ist der Sender 2, wie in 7a gezeigt,
zwischen den beiden Randbereichen der Empfangsoptik 7 angeordnet. 7b und 7c zeigen,
dass der Sender 2 auch neben oder über der Empfangsoptik 7 angeordnet
werden kann, wobei lediglich die Ausrichtung der Sendestrahlen 3 des
Senders 2 angepasst werden muss.
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8 zeigt
den zulässigen
Neigungswinkel w2 des Objektes 6. Dabei ist zu berücksichtigen, dass
der durch das Objekt 6 zur Vorrichtung 1 zurück gespiegelte
Sendelichtfleck gerade noch die Empfangsoptik 7 treffen
muss. Da dieser Sendelichtfleck mit dem Objektabstand wächst ist
der zulässige
Neigungswinkel w2 des Objektes 6 etwa so groß wie der Raumwinkel
w3 der Sendelichtstrahlen 3. Es gilt die Beziehung: w2
= 0,5·arctan(2·tan(w3)) ≈ w3.
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9a zeigt
die Möglichkeit
der Vergrößerung des
Raumwinkels der Sendelichtstrahlen 3. Durch Fokussierung
der Sendelichtstrahlen 3 im Punkt P1, der im Nahbereich
der Vorrichtung 1 in einem Bereich liegt, in dem kein Objekt
detektiert werden soll. Durch diese Maßnahme wird der wirksame Raumwinkel
und damit der zulässige
Neigungswinkel des Objektes 6 vergrößert.
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9b zeigt
den Grenzfall für
Anwendungen, bei denen eine sehr kleine Fläche des Objektes 6,
bzw. Objekte mit kleinen Abmessungen nach diesem Verfahren detektiert
und bezüglich
ihres Abstandes beurteilt werden sollen. Der Fokuspunkt P1 der Sendelichtstrahlen 3 liegt
unmittelbar vor dem Objekt 6. Die Einschränkung dabei
ist, dass der Neigungswinkel des Objektes 6 so ist, dass
die Empfangsoptik 7 noch getroffen wird.
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10 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel der
Vorrichtung 1 mit zwei Sendern 2a, 2b,
die alternierend geschaltet werden und über die einteilige Empfangsoptik 8 auf
dem Mehrfachempfangselement 5 zwei Empfangssignalverläufe erzeugen.
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11 zeigt
das Diagramm der Empfangssignalverläufe, wobei im Gegensatz zu 6a die
Signalverläufe
u4a und u4b zeitlich nacheinander entstehen und ausgewertet werden
können.
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12 zeigt
die Vorrichtung 1 nach 10, die
auf ein glänzendes
Objekt 6 gerichtet ist. Die Diagramme der beiden Signalverläufe u4a
und u4b sind in 13a dargestellt. Das um den
Winkel w1 geneigte Objekt 6' liefert,
wie in 13a dargestellt, die zwei Empfangssignalverläufe u4a,
u4b, die gegenüber 13a um den Wert dn versetzt sind. Aus dem Versatz
dn kann die Neigung des Objektes 6' ermittelt werden.
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14a zeigt das Diagramm der Empfangssignalverläufe u4a,
u4b von einer seidenmatt bis glänzenden
Oberfläche.
Die Breite d3 eines Signalverlaufes ist ein Maß für den Glanzgrad der Objektoberfläche. Damit
kann evtl. auch die Bedruckung einer matten Oberfläche mit
glänzendem
Aufdruck, bzw. die Bedruckung eines glänzenden Trägers mit matter Bedruckung
analysiert werden. Ebenso kann die partielle Strukturierung eines
glänzenden,
ebenen Trägers
beurteilt werden. Bei einer Flüssigkeitsschicht
ist die Breite d3 ein Maß für die Welligkeit
der Flüssigkeitsoberfläche, die
durch Vibrationen oder andere Bewegungen entstehen kann.
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Bei
gegebenem Objektabstand kann auch, wie in 14b dargestellt,
die Überlappung
ausgedrückt
durch das Verhältnis
der Spannung am Überlappungspunkt
U2 zur Maximalspannung Umax als Maß für den Glanzgrad, z.B. für seidenmatte
Oberflächen,
verwendet werden.
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Bei
matten Oberflächen
ist der Signalverlauf, wie in 14c gezeigt,
so flach, dass nur die Intensität
U3 als Anhaltspunkt für
die Objektdistanz dient, wobei der Reflexionsgrad näherungsweise
bekannt und konstant sein sollte. Ansonsten kann auf das Vorhandensein
eines Objektes geschlossen werden, wenn U3 einen Intensitätsschwellwert übersteigt.
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15 zeigt
die Vorrichtung 1, die auf das diffus reflektierende Objekt 6 gerichtet
ist, dem ein transparentes Objekt 6' vorgelagert ist, das durch eine
Kunststofffolie, eine Glasplatte oder eine Flüssigkeitsschicht gebildet sein
kann. Die Sendelichtstrahlen 3 durchdringen das transparente
Objekt 6' und
generieren diffus reflektierte Empfangslichtstrahlen, die über das
Mehrfachempfangselement 5, wie im Diagramm der 16 dargestellt,
den Grundpegel U3 generieren. Von der Oberfläche des transparenten Objektes 6' werden durch
die Direktreflexe die beiden Intensitätsmaximas u4a und u4b generiert, die
das Vorhandensein des vorgelagerten transparenten Objektes 6' zeigt und der
Abstand n1 ein Maß für den Objektabstand
darstellt. Diese Auswertung ermöglicht
vorzugsweise die Kontrolle von Folienverpackungen bezüglich fehlerhafter
oder fehlender Folie.
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17a zeigt das Diagamm der beiden Intensitätsmaximas
u4a und u4b, für
den Fall, dass die Vorrichtung auf eine glänzende Referenzfläche gerichtet
wird. Um transparente Objekte vor dieser Referenzfläche erkennen
zu können,
werden die beiden Signalverläufe
als Referenzsignalverläufe
u4a_ref, 4b_ref gespeichert.
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Wird
dieser glänzenden
Referenzfläche
eine transparente Schicht, die durch eine Kunststofffolie, eine
Glasplatte oder eine Flüssigkeitsschicht
gebildet sein kann, vorgelagert, ergibt sich, wie in 17b gezeigt, der Signalverlauf u4a, u4b, der eine
Mischung aus dem Empfangslicht der Referenzfläche und der vorgelagerten transparenten
Schicht darstellt.
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In 17c sind die beiden Signalverläufe u4a_obj, 4b_obj gezeigt,
die dadurch ermittelt werden, dass von den Signalverläufen in 17b, die Referenzsignalverläufe u4a_ref, 4b_ref von 17a subtrahiert werden. Der Abstand n2 ist dann
ein Maß für den Abstand
der transparenten Schicht zur Vorrichtung 1. Damit können Kunststofffolien
vor einer glänzenden
Metalloberfläche
detektiert werden.
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18 zeigt
die Kombination der Vorrichtung 1 nach 5 mit
einem Triangulationstaster nach dem Stand der Technik. Zur Distanzmessung auf
ein diffus reflektierendes Objekt 6' wird der Sender 2' aktiviert,
der den Sendelichtstrahl 3' zum
Objekt 6' emittiert,
von wo der Empfangslichtstrahl 4' über die Empfangsoptik 16,
die vorzugsweise durch eine Asphäre
gebildet wird, auf das Mehrfachempfangselement 5 fokussiert
wird. Aus der Empfangslichtposition wird der Abstand des Objektes 6' ermittelt.
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Zur
Abstandsermittlung des glänzenden
Objektes 6 wird der Sender 2 aktiviert, der entsprechend 7b angeordnet
ist. Die Direktreflexe 4a, 4b erzeugen über die
zweiteilige Empfangsoptik 7, die durch zwei, der Empfangsoptik
be nachbarten, Fresnelzylinderlinsenbereiche gebildet ist, die Signalverläufe u4a,
u4b nach 6a, aus deren Abstand n1 die
Objektdistanz berechnet wird.
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- 1
- Optoelektronische
Vorrichtung
- 2
- Sender
- 3
- Sendelichtstrahl
- 4
- Empfangslichtstrahl
- 5
- Empfänger
- 6
- Objekt
- 7
- Empfangsoptik
(zweiteilig)
- 8
- Empfangsoptik
(einteilig)
- 9
- Schaltausgang
- 10
- Datenschnittstelle
- 11
- Auswerteeinheit
- 12
- Einfallswinkel
- 13
- Ausfallswinkel
- 14
- Streustrahlung
- 15
- gebrochener
Strahl
- 16
- Empfangsoptik
(Asphäre)