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Gegenstand der Erfindung ist ein optischer Sensor und ein Verfahren zur Unterdrückung von Streulichtfehlern bei optischen Sensoren gemäss den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 6.
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Optische Sensoren zur Erfassung von Objekten können beispielsweise als Reflexionslichttaster oder als Lichtschranken ausgebildet sein. Sie umfassen eine Lichtquelle zum Aussenden von sichtbarem oder unsichtbarem Licht und einen Detektor zum Empfangen von Licht, welches von der Lichtquelle emittiert wird. Als Lichtquelle können beispielsweise Leuchtdioden, Laserdioden oder IR-Dioden eingesetzt sein. Je nach Ausgestaltung des Sensors kann die Lichtquelle kontinuierlich oder - zur Minimierung von Fremdlichteinflüssen - gepulst oder getaktet betrieben werden. Es ist auch bekannt, das Licht zu polarisieren und/oder mittels Blenden und Linsen zu einem Lichtstrahl zu bündeln.
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Als Detektoren können beispielsweise Fototransistoren oder Fotodioden verwendet werden. Lichtquelle und Detektor können je nach Einsatzzweck und Funktionsweise des Sensors in einem gemeinsamen Gehäuse oder räumlich getrennt voneinander in separaten Gehäusen angeordnet sein.
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Bei herkömmlichen Reflexionslichttastern emittiert die Lichtquelle einen Lichtstrahl, welcher an einem Objekt bzw. Messobjekt spiegelnd oder diffus reflektiert wird. Das Licht wird dabei exakt in eine Richtung gespiegelt oder aber mit gleichmässiger oder ungleichmässiger Verteilung der Lichtintensität in den Raum reflektiert. Ein Teil des reflektierten Lichts kann vom Detektor erfasst und ausgewertet werden. Mit anderen Worten: Der durch den Lichtstrahl auf dem Objekt erzeugte Lichtfleck wird durch eine vor dem Detektor angeordnete Abbildungsoptik auf die lichtempfindliche Fläche des Detektors abgebildet.
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Einfache Reflexionslichttaster werten lediglich die Intensität des erfassten Lichts aus: Je kürzer der Abstand zwischen Lichtquelle und Messobjekt, desto höher ist die vom Detektor erfasste Lichtintensität. Durch Festlegung einer Schaltschwelle lässt sich so für eine bestimmte Art von Messobjekten ein Schaltabstand festlegen. Die so eingestellte Schaltdistanz ist in unerwünschter Weise durch verschiedene Parameter wie z.B. Farbe und Reflexionseigenschaften des Objekts und des Hintergrundes oder Verschmutzungen des Sensors, beeinflussbar.
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Die meisten herkömmlichen Reflexionslichttaster mit Hintergrundausblendung sowie Distanzsensoren arbeiten nach dem Triangulationsprinzip. Dabei wird der vom Objekt in Richtung des Detektors reflektierte Lichtanteil auf den Detektor abgebildet und die sich in Abhängigkeit der Entfernung zwischen Sensor und Objekt ändernde Position bzw. Lage des detektierten Lichts auf dem Detektor ausgewertet. Der Detektor ist derart ausgebildet, dass er mindestens zwei unterschiedliche Auftreffpositionen des an einem Messobjekt reflektierten Lichts unterscheiden kann. Als Detektoren können beispielsweise zwei oder mehrere diskrete oder auf einem gemeinsamen Substrat integrierte Fotodioden oder Fototransistoren verwendet werden.
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Der Strahldurchmesser des von der Lichtquelle emittierten kohärenten oder nicht kohärenten Lichts kann mittels optischer Elemente wie Blenden und Linsen begrenzt werden. Aufgrund von Beugungs- und/oder Streueffekten und/oder Reflexen an oder in den Sendeelementen ist der Rand des Lichtstrahls nicht scharf abgrenzbar und die Lichtintensität ausserhalb des Kernstrahls ist nicht vernachlässigbar klein. Dies kann vor allem bei einem hochempfindlichen Detektor dazu führen, dass bereits das Licht der Randzone, welches den Kernstrahl umgibt, ausreicht, um eine Durchsteuerung der Sensor-Ausgangsstufe zu bewirken. Das Licht in der Randzone des Lichtstrahls wird fortan auch als Hof oder als Streulicht oder als Beugungslicht bezeichnet, unabhängig davon, ob es durch Beugung und/oder Streuung und/oder Reflexionen (Nebenspots) des von der Lichtquelle emittierten Lichts zustande kommt. Falls der Detektor z.B. als CCD-Array in Matrix-Form mit hoher räumlicher Auflösung ausgebildet ist, können die Helligkeitsunterschiede auf den einzelnen Pixeln ausgewertet und die genaue Position des Kernstrahls ermittelt werden. Bei einem linearen CCD-Array kann dies innerhalb des Arrays auch noch gemacht werden, quer zum linearen Array dagegen nicht. Falls der Detektor sogar nur ein oder nur wenige Fotoelemente umfasst, kann die Position des auf den Detektor abgebildeten Lichtflecks bzw. - bei spiegelnden Objekten - des am Objekt reflektierten Kernstrahls nicht in dieser Weise bestimmt und vom Hof unterschieden werden. Probleme können insbesondere dann auftreten, wenn der Lichtstrahl nicht vollständig von einem Objekt reflektiert wird, z.B. wenn das Licht der Randzone des Strahls im Bereich einer Objektkante bereits auf das Objekt auftrifft und mindestens teilweise zum Detektor hin reflektiert wird, nicht jedoch das Licht des Kernstrahls.
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Aus der Druckschrift
DE 102 22 797 A1 ist eine Vorrichtung zum Bestimmen des Objektabstands zwischen einem nach dem Triangulationsprinzip arbeitenden optoelektronischen Sensor und einem Tastobjekt mit wenigstens einem Messkanal zwischen einer Sendeeinheit zum Aussenden elektromagnetischer Abtaststrahlen in den Messbereich und wenigstens einer Empfangseinheit zum Nachweisen von aus dem Messbereich reflektierten und/oder remittierten Abtaststrahlen, mit zumindest einem Zusatzkanal, der zusätzlich zu der Sendeeinheit und der Empfangseinheit des Messkanals eine weitere Sendeeinheit zum Aussenden eines Kompensationslichtstrahls aufweist, mit einer der weiteren Sendeeinheit zugeordneten optischen Komponente zur Formung des Kompensationslichtstrahls und mit einer Auswerteeinheit zur gemeinsamen Auswertung der Empfangssignale des Messkanals und des Zusatzkanals zur Bestimmung des Objektabstands bekannt.
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Aus der Druckschrift
DE 100 12 522 A1 ist ein Distanzsensor mit einem erste Sendelichtstrahlen emittierenden ersten Sender, mit in einem in Abstand zu diesem angeordneten als ortsauflösender Detektor ausgebildeten Empfänger, auf welchem die von einem Objekt reflektierten, in einem Triangulationswinkel zu den Sendelichtstrahlen verlaufenden Empfangslichtstrahlen geführt sind, und mit einer Auswerteeinheit, in welcher aus der Lage des Lichtflecks der Empfangsrichtstrahlen auf dem ortsauflösenden Detektor die Distanz des Objektes ermittelt wird, bekannt. Zudem ist ein zweiter Sender vorgesehen, wobei die von diesem emittierten zweiten Sendelichtstrahlen koaxial zu den ersten Sendelichtstrahlen verlaufen. Die ersten und zweiten Sendelichtstrahlen weisen hierbei unterschiedliche Strahldurchmesser auf.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Sensor zur Erfassung von Objekten und ein Verfahren zur Unterdrückung von Streulichtfehlern bei der Erfassung von Objekten zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen optischen Sensor und durch ein Verfahren zur Unterdrückung von Streulichtfehlern gemäss den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Anhand einiger Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1 Einen Reflexionslichttaster mit einer Hauptlichtquelle und einer Kompensationslichtquelle,
- 2 eine Darstellung der Lichtausbreitung der Haupt- und der Kompensationslichtquelle im Bereich eines zu erfassenden Objektes,
- 3 eine Darstellung des Eintritts einer Objektkante in den Streumantel der Hauptlichtquelle,
- 4 eine Darstellung einer ersten Helligkeitsverteilung auf einer Fotodiode,
- 5 eine Darstellung einer zweiten Helligkeitsverteilung auf der Fotodiode,
- 6 ein Diagramm mit zeitlichen Signalverläufen einer ersten Ausführungsform des Sensors.
- 7 ein Diagramm mit zeitlichen Signalverläufen einer weiteren Ausführungsform des Sensors,
- 8a eine erste Schaltungsanordnung zur Verarbeitung der Detektorsignale,
- 8b eine zweite Schaltungsanordnung zur Verarbeitung der Detektorsignale,
- 8c eine dritte Schaltungsanordnung zur Verarbeitung der Detektorsignale,
- 8d eine vierte Schaltungsanordnung zur Verarbeitung der Detektorsignale.
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1 zeigt schematisch einen Reflexionslichttaster, fortan kurz Sensor 1 genannt. Der Begriff Sensor 1 umfasst nebst optischen Näherungsschaltern auch Distanzsensoren und Lichtschranken, bei denen ein Lichtstrahl erzeugt, durch ein Messobjekt beeinflusst und von einem Detektor erfasst wird. Der Sensor 1 umfasst zwei Fotodioden 3, wovon die eine als Vordergrunddiode 3a und die andere als Hintergrunddiode 3b arbeitet. Anstelle von Fotodioden 3 können auch andere integrierende, flächige Fotoelemente wie z.B. Fototransistoren, andere positionssensitive Elemente wie PSDs oder einzeilige Photodioden- oder CCD-Arrays eingesetzt sein. Eine Hauptlichtquelle 5 des Sensors 1 - vorzugsweise ein Halbleiterlaser oder alternativ eine Leuchtdiode - erzeugt einen Lichtstrahl 7, wobei in der Regel eine Blende 9 und eine optische Linse 11 zur Begrenzung des Kernstrahldurchmessers D1 (2) vorgesehen ist. Der Kernstrahldurchmesser D1 hat in etwa 150mm Abstand von der Hauptlichtquelle 5 typischerweise einen Wert im Bereich von etwa 0.05 mm bis etwa 5 mm, je nach Lichtquelle. In einer leicht anderen Ausführungsform hat der Kernstrahl eine Linienform mit einer Linienlänge von etwa 3 bis 30 mm und einer Linienbreite von 0.05 bis 5 mm je nach Version und Abstand vor dem Sensor. Dies dient zur Ausgleichung von Unregelmässigkeiten auf einem zu erfassenden Objekt oder zur Kompensation von Objektwölbungen bei stark spiegelnden Objekten. Die Hauptlichtquelle 5 wird mit konstanter oder variabler Taktfrequenz f1 (6) ein- und ausgeschaltet. Die Taktfrequenz f1 kann z.B. 8kHz betragen. Sie kann aber auch kleiner oder deutlich höher sein und z.B. im Bereich von etwa 100Hz bis etwa 1MHz liegen. Treffen die Lichtpulse innerhalb eines in der Regel mechanisch oder elektronisch ein- und verstellbaren Erfassungsbereichs (Distanz vor dem Sensor, innerhalb welcher Objekte vom Sensor erfassbar sind) auf eine Objektoberfläche 13 auf, wird der dadurch auf der Oberfläche 13 erzeugte Lichtfleck 15 gestreut und/oder spiegelnd reflektiert und mittels einer weiteren Abbildungsoptik 17 abhängig vom Abstand des Objektes auf eine oder beide der Fotodioden 3 oder bei einem Photodiodenarray je nach Abstand auf unterschiedliche Bereiche des Arrays abgebildet. Der Lichtfleck 15 hat einen Durchmesser D2 (2) von z.B. 3mm. Wird der Abstand des Objektes relativ zum Sensor 1 verändert, so ändert sich gemäss dem Triangulationsprinzip auch die Lage des auf den Detektor mit den Fotodioden 3 abgebildeten Lichtflecks 15'. Die Abmessungen der lichtempfindlichen Fotodiodenflächen sind so gewählt, dass bei einer Objektdistanz sObj , die innerhalb des in der Regel vorgebbaren Erfassungsbereichs liegt, mindestens der Kernstrahl 19 bzw. das Abbild 20' (4) des vom Kernstrahl 19 auf der Objektoberfläche 13 gebildeten Kernstrahl-Lichtflecks 20 vollständig auf die lichtempfindliche Detektorfläche fällt. Bei anderen Distanzen kann das Bild des Lichtflecks 15' nur teilweise oder gar nicht auf den Detektor fallen.
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Bei Distanzsensoren oder Reflexionslichttastern mit Hintergrundausblendung werden üblicherweise zwei aneinandergrenzende Fotodioden 3a, 3b verwendet. Diese sind so angeordnet und ausgerichtet, dass der auf den Detektor abgebildete Lichtfleck 15' mehrheitlich auf die Vordergrunddiode 3a fällt, wenn sich die Objektoberfläche 13 innerhalb einer vorgebbaren Schaltdistanz befindet. Ist die Objektoberfläche 13 ausserhalb dieser Schaltdistanz, aber noch innerhalb des erfassbaren Messbereichs des Sensors 1, fällt der Lichtfleck 15' mehrheitlich auf die Hintergrunddiode 3b.
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An jeder der beiden Fotodioden 3a, 3b wird als erstes der Wechselsignalanteil des jeweiligen Fotostromes ausgekoppelt, verstärkt, die beiden Anteile voneinander subtrahiert bzw. addiert (entsprechend der Vorzeichendefinition der Fotoströme), gegebenenfalls durch einen der Anteile oder die Summe der beiden dividiert und während vorgegebener Zeitintervalle integriert. Der resultierende Wert repräsentiert in nichtlinearer Weise den Auftreffpunkt des Lichtflecks 15' bezüglich Vordergrund/Hintergrund und somit das Vorhandensein eines Objektes im Vordergrund bzw. im Hintergrund.
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Die Wechselsignalauskopplung und Auswertung der Fotoströme kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. So werden z.B. innerhalb einer integrierten Schaltung, wo vorzugsweise elektronische Schalter 22 Verwendung finden, die Koppelkondensatoren 24 kurz vor dem Aussenden eines Lichtpulses genullt bzw. entladen und zu Beginn eines Pulses wieder geöffnet (8a). Am Ende eines Lichtpulses liegt auf diese Weise nach dem Koppelkondensator 24 der ausgekoppelte Wechselanteil an. Falls keine elektronischen Schalter 22 Verwendung finden, kann alternativ ein Hochpassfilter 26 zur Wechselsignalauskopplung verwendet werden (8b). Dort findet nur eine einzige Messung kurz vor Ende eines Lichtpulses statt. Als Bezugswert dient dann der lineare Mittelwert des Eingangssignals, welches nach dem Hochpassfilter bekanntlich gleich Null ist. Das Signal nach dem Hochpassfilter 26 ist somit die Differenz zwischen Momentanwert und Mittelwert des Wechselanteils. Weitere Alternativen stellt die Verwendung von Sample & Hold 28 oder AD-Wandlungs-Gliedern 30 dar, wobei das Eingangssignal im Fall „Sample & Hold“ 28 vor dem Puls und am Ende des Pulses eingelesen und anschliessend mittels eines Differenzierglieds 32 subtrahiert wird (8c). Im Fall „AD-Wandler“ 30 wird das Eingangssignal erst periodisch eingelesen und digitalisiert. Die selben Methoden, wie sie für die analoge Signalverarbeitung gewählt werden, können dann bei der Verarbeitung der digitalisierten Signale in einer digitalen Verarbeitungseinheit 34 angewandt werden (8d).
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In allen genannten Fällen kann der ausgekoppelte Wechselanteil nun verstärkt und/oder integriert und anschliessend z.B. in einer einfachen Schwellschaltung ausgewertet werden. Das Signal kann beispielsweise auch mittels eines AD-Wandlers digitalisiert und anschliessend beispielsweise mathematisch bearbeitet oder mit logischen Regeln verknüpft und ausgewertet werden.
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Tritt wie in 3 skizziert eine Kante 21 eines zu erfassenden Objektes, beispielsweise einer Messerkante, eines CD-Stapels oder eines Wafers, innerhalb des Erfassungsbereichs lateral (Pfeilrichtung P) in den Streulichtmantel 23 des Laser- oder LED-Strahls 7 ein, könnte der auf eine der Fotodioden 3a,3b des Detektors auftreffende Streulichtanteil bereits dazu führen, dass das Messresultat verfälscht wird und somit einen vorgebbaren Vergleichswert überschreiten würde, und dass der Ausgang des Sensors 1 fälschlicherweise durchgesteuert würde. Der Sensor 1 würde beim langsamen Durchfahren eines Objektes durch den Strahl 7 zu früh einschalten und allenfalls zu spät ausschalten. Liegt das Objekt 13 etwas ausserhalb des eingestellten Schaltabstandes, so könnte aufgrund des im Vergleich zum Durchmesser D1 des Kernstrahls 19 grossen Durchmessers D2 des Streulichtmantels 23 der Eintritt einer Objektkante 21 in den Streulichtmantel 23 zur Verfälschung der mittleren Position des abgebildeten Messflecks 15' auf den Photodioden 3a und 3b, und damit des ausgewerteten Distanzwerts führen. Dies würde eine fälschliche Durchsteuerung der Sensorausgangsstufe bewirken. Um dies zu verhindern ist erfindungsgemäss eine Kompensationslichtquelle 25 (1) vorgesehen, welche nahe bei der Hauptlichtquelle 5 und/oder einigermassen in der durch den Lichtstrahl 7 der Hauptlichtquelle 5 und durch die Fotodiode 3 bzw. die Fotodioden 3a, 3b definierten Ebene liegt. Die Kompensationslichtquelle 25 ist so angeordnet und ausgerichtet, dass sie einen Lichtstrahl oder Lichtkegel emittieren kann, der den Streulichtmantel 23 der Hauptlichtquelle 5 möglichst vollständig überdeckt. Die Kompensationslichtquelle 25 kann beispielsweise eine Leuchtdiode mit einem Öffnungswinkel von etwa 6° bis 30° sein. Vorzugsweise ist der Öffnungswinkel kleiner als etwa 15 bis 20°, so dass die relative Abnahme der Strahlungsintensität der Kompensationslichtquelle 25 im Vergleich zu jener der Hauptlichtquelle 5 mit zunehmendem Abstand von den Lichtquellen 5, 25 möglichst klein ist. In einem Abstand von etwa 150mm vom Sensor 1 kann der Lichtfleck der Kompensationslichtquelle 25 z.B. einen Durchmesser D3 von etwa 10mm bis etwa 50mm aufweisen. Selbstverständlich können zusätzliche optische Elemente wie Blenden 9, Linsen 11, Streuscheiben (keine Darst.) und dergleichen vorgesehen sein, um die Ausbreitung des Lichts der Kompensationslichtquelle 25 zu beeinflussen. In einer speziellen Ausgestaltung kann z.B. ein Strahlteiler (keine Darst.) das Licht der Kompensationslichtquelle 25 koaxial zum Lichtstrahl 7 der Hauptlichtquelle 5 ausrichten. Letzteres ist insbesondere von Vorteil beim Einsatz einer solchen Kompensationslichtquelle 25 in einer Reflexlichtschranke. In einem solchen Fall wird zumeist nur eine Photodiode 3a zur Auswertung des abgebildeten Messflecks 15' verwendet. Da bei Reflexlichtschranken allerdings eine Objekterkennung über grosse Reichweiten erfolgt, ist es von Vorteil, wenn der Lichtkegel 27 der Kompensationslichtquelle 25 koaxial oder nahezu koaxial zum Kernstrahl 19 der Hauptlichtquelle 5 ist.
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Da dieses Kompensationslicht das Licht der Hauptlichtquelle 5 überdeckt, wird bei einer Auswertung der Differenz der beiden Lichtanteile die Empfindlichkeit des Sensors 1 bezüglich dem Hauptlicht ein klein wenig reduziert. Das Kompensationslicht kann genügend schwach gewählt werden, damit diese Empfindlichkeitsreduktion sich kaum auswirkt. Trifft allerdings nur der Hof (ohne Kernstrahl) des Lichtes der Hauptlichtquelle 5 und das Kompensationslicht auf das Objekt, so wird durch das Kompensationslicht das Licht des Hofes vollständig kompensiert. Ein grosser Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass bei schwach reflektierenden Objekten sowohl Haupt- wie Kompensationslicht schwach reflektiert wird. Hier zeigt es sich, dass die Empfindlichkeitsreduktion gerade bei Objekten, die eine hohe Empfindlichkeit des Sensors 1 erfordern, minimal ist. Stark reflektierende Objekte dagegen, deren Reflexion stark genug ist, dass bereits das relativ schwache Licht des Hofes (ohne Kernstrahl) genügen würde, um die Ausgangsstufe des Sensors 1 zum Durchsteuern zu bringen, reflektieren auch das Kompensationslicht stark. Damit wird das fälschliche Durchsteuern der Ausgangsstufe des Sensors 1 effizient verhindert.
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Die Kompensationslichtquelle 25 wird so angesteuert, dass zwischen den Zeitpunkten kurz vor dem Aussenden und kurz vor dem Ende eines Lichtpulses in der oben beschriebenen Wechselsignalauskopplung eine zu jener der Hauptlichtquelle 5 entgegengesetzte Signalrichtung erzeugt wird. Damit kann in erster Linie die gleiche Auswerteeinheit wie ohne Verwendung einer Kompensationslichtquelle 25 verwendet werden. Dies kann einerseits erreicht werden, indem die Kompensationslichtquelle 25 während der Sendepausen der Hauptlichtquelle 5 aktiviert und unmittelbar vor Beginn der jeweils nächstfolgenden Lichtpulse der Hauptlichtquelle 5 wieder ausgeschaltet wird. Im Falle der beschriebenen Wechsellichtauskopplung durch Hochpass funktioniert das beschriebene Kompensationsverfahren, indem der lineare Mittelwert des Gesamtsignals durch das Kompensationssignal verschoben wird und sich dadurch der Bezugspunkt der Messung ebenfalls verschiebt. In weiteren Ausführungen können die Kompensationssignale auch so erzeugt werden, dass sie zeitlich völlig getrennt von denen der Hauptlichtquelle 5 ausgelöst und ausgewertet werden und deren Messresultat überhaupt nicht oder nur sehr wenig beeinflussen. In diesem Falle findet die Kompensation nicht unmittelbar in der Wechsellichtauskopplungsstufe statt, sondern erst danach, indem die beiden zeitlich versetzten Messwerte der durch die Hauptlichtquelle 5, bzw. durch die Kompensationslichtquelle 25 erzeugten Signale wieder voneinander subtrahiert werden. Dazu können auch über mehrere Perioden gemittelte Messwerte zum Einsatz gelangen. Sinnvollerweise wird nur dann subtrahiert, wenn das durch die Kompensationslichtquelle 25 erzeugte Signal einen positiven Wert aufweist. Dies ist der Fall, wenn das Licht hauptsächlich auf der Vordergrunddiode aufgetroffen ist. Im anderen Fall wird nur das Signal der Hauptlichtquelle 5 beachtet.
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Die zuerst genannte Methode hat zur Folge, dass der Signalpegel bei der ersten Messung kurz vor der Aktivierung der Hauptlichtquelle 5 künstlich erhöht wird. In jenem Fall, wo die Fotodiode 3 nur das störende Streulicht der Hauptlichtquelle 5 erfasst, nicht jedoch das Licht des Kernstrahls 19 (5, 6 Funktion d), führt die zweite Messung beim Ende des Pulses der Hauptlichtquelle 5 nach anschliessender Differenzbildung mit dem ersten Messwert zu einem Ergebniswert, der negativ ist, oder einfach kleiner ist, als er ohne Aktivierung der Kompensationslichtquelle 25 wäre. Dadurch kann verhindert werden, dass der Sensorausgang allein aufgrund des Streulichts 23 der Hauptlichtquelle 5 aktiviert werden kann. Der Sensor 1 umfasst für diesen Zweck eine Auswertelogik (nicht dargestellt), welche die aufbereiteten Signalwerte der Fotodiode(n) 3 aus einem oder mehreren Messzyklen zu einer Steuergrösse für den Sensorausgang verarbeitet. Dabei macht auch die Mittelung mehrerer Messwerte zur Rauschunterdrückung und damit zur Erhöhung der Empfindlichkeit durchaus Sinn.
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In jenem Fall hingegen, wo eine der Fotodioden 3a,3b vom Objekt reflektiertes Licht des Kernstrahls 19 der Hauptlichtquelle 5 erfasst (4, 6 Funktion c), führt die zweite Messung beim Ende des Pulses der Hauptlichtquelle 5 immer noch zu einem ausreichend hohen Wert für die Durchsteuerung des Sensorausgangs, weil die Lichtstärke des Lichts im Kernstrahl 19 in der Regel um Grössenordnungen höher ist als im angrenzenden Streulichtmantel 23. Die Bestrahlungsstärke des Kernstrahls 19 kann um einen Faktor, der z.B. im Bereich 50 bis 50000 liegen kann, stärker sein als die Lichtstärke im Streulichtmantel 23.
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Verschiedene Parameter wie Leuchtdichte, Abstrahlwinkel oder Aktivierungsdauer der Kompensationslichtquelle 25 beeinflussen deren Wirkung bei der Unterdrückung von Streulichtstörungen.
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Gewisse dieser Parameter wie z.B. die Leuchtdichte sind veränderlich bzw. ein- oder verstellbar oder steuerbar. Dies kann zum Abgleichen oder Anpassen der Kompensationslichtquelle 25 an unterschiedliche Einsatzbedingungen genutzt werden.
Die Bestrahlungsstärke der Kompensationslichtquelle 25 kann z.B. so bemessen oder eingestellt sein, dass sie etwa das ein- bis fünffache der über den gesamten Hof integrierten Bestrahlungsstärke des Streulichts der Hauptlichtquelle 5 beträgt, oder etwa das ein- bis fünffache der maximalen Bestrahlungsstärke im Hof. Im Vergleich zur integrierten Bestrahlungsstärke des Hauptlichts 5 kann jene der Zusatzlichtquelle 25 beispielsweise 10 bis 1000 Mal kleiner sein.
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Dadurch, dass das Licht der Kompensationslichtquelle 25 in ähnlicher Weise wie das Licht der Hauptlichtquelle 5 in Richtung des zu erfassenden Objektes abgestrahlt wird, nimmt auch der auf den Detektor auftreffende Lichtstrom der beiden Lichtquellen 5, 25 in ähnlicher Weise mit zunehmendem Abstand des Objektes ab. Dadurch kann erreicht werden, dass sich die Wirkung der Kompensationslichtquelle 25 innerhalb des gesamten Erfassungsbereichs nicht wesentlich ändern kann.
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Die Hauptlichtquelle 5, die Fotodiode 3 und der Lichtfleck 15 auf der Objektoberfläche 13 definieren eine Ebene. Vorzugsweise ist auch die Kompensationslichtquelle 25 in dieser Ebene angeordnet, sodass die Auswirkungen glänzender Objektoberflächen 13 für beide Lichtquellen 5, 25 etwa gleich sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Hauptlichtquelle 5 und die Kompensationslichtquelle 25 nahe beieinander liegen.
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6 zeigt ein Diagramm mit folgenden sechs zeitlichen Signalverläufen, welche alle eine gemeinsame Zeitskala haben:
- a) Ansteuertakt für die Hauptlichtquelle 5. Die Frequenz f1 beträgt z.B. 8kHz und die Periode 0.125ms.
- b) Ansteuertakt für die Kompensationslichtquelle 25: Die Periode ist mit 0.25ms doppelt so lange wie jene der Hauptlichtquelle 5. Die Kompensationslichtquelle 25 wird so angesteuert, dass sie zu einem frei festlegbaren Zeitpunkt innerhalb der Sendepausen der Hauptlichtquelle 5 eingeschaltet und unmittelbar vor oder gleichzeitig mit der Einschaltflanke der Hauptlichtquelle 5 wieder ausgeschaltet wird. Diese alternierende Ansteuerung hat den Vorteil, dass der Einfluss der Kompensationslichtquelle 25 erkennbar wird. In diesem Fall können die Signale der Kompensationslichtquelle 25 von jenen der Hauptlichtquelle 5 separiert werden. Anstelle einer integrativen Auswertung der Signale beider Lichtquellen 5, 25 ist auch eine Bandpassauswertung möglich, wie aus der Patentanmeldung WO 96/02858 A1 bekannt. Vorzugsweise wird in diesem Fall die Kompensationslichtquelle 25 in der Mitte der Sendepausen der Hauptlichtquelle 5 aktiviert.
- c) Situation „Lichtstrahl 7 und Licht der Kompensationslichtquelle 25 treffen innerhalb des Schaltabstandes auf Objektoberfläche 13“: Durch die Vordergrunddiode 3a an einer Integrationskapazität generiertes Spannungssignal, erzeugt durch Licht der Hauptlichtquelle 5 und der Kompensationslichtquelle 25. Die Auswertung der Signale vor Beginn und beim Ende der Ansteuertakte der Hauptlichtquelle 5 (die Anfangswerte werden von den Endwerten subtrahiert) liefert für jeden Messzyklus einen hohen positiven Ergebniswert.
- d) Situation „Nur Licht des Streulichtmantels 23 und der Kompensationslichtquelle 25 trifft innerhalb des Schaltabstandes auf Objektoberfläche 13“: Um einen Faktor 10 bis 100 vergrössert dargestelltes, durch die Vordergrunddiode 3a generiertes Spannungssignal. Die Kompensationslichtquelle 25 wird alternierend nur bei jedem zweiten Messzyklus aktiviert. In jenen Messperioden, wo die Kompensationslichtquelle 25 nicht eingeschaltet wird, übersteigt die positive Differenz der beiden Messwerte einen vorgegebenen Minimalwert. In den anderen Messperioden, wo die Kompensationslichtquelle 25 aktiviert wird, ist die Differenz der beiden Messwerte negativ und somit kleiner als der vorgegebene Minimalwert. Die Auswerteeinheit des Sensors 1 interpretiert dieses Muster als Störeffekt durch Streulicht des Lichtstrahls 7 und unterdrückt die Durchsteuerung der Sensorausgangsstufe.
- e) Situation „Lichtstrahl 7 und Licht der Kompensationslichtquelle 25 treffen ausserhalb des Schaltabstandes auf Objektoberfläche 13 (analog zu c)“: Durch die Hintergrunddiode 3b an einer Integrationskapazität generiertes Spannungssignal, erzeugt durch Licht der Hauptlichtquelle 5 und der Kompensationslichtquelle 25. Die Signale der Hintergrunddiode 3b sind hier negativ wegen der verwendeten Subtraktion: Vordergrunddiode - Hintergrunddiode. Die Auswertung der Signale vor Beginn und beim Ende der Ansteuertakte der Hauptlichtquelle 5 (die Anfangswerte werden von den Endwerten subtrahiert) liefert für jeden Messzyklus einen hohen negativen Ergebniswert. Der Sensorausgang bleibt ausgeschaltet.
- f) Situation „Nur Licht der Kompensationslichtquelle 25 trifft ausserhalb des Schaltabstandes auf Objektoberfläche 13. Der Lichtstrahl 7 wird wegen eines Lochs oder eines nicht genügend reflektierenden schwarzen Flecks auf dem Hintergrund nicht reflektiert“:
- Um einen Faktor 10 bis 100 vergrössert dargestelltes, durch die Hintergrunddiode 3b generiertes Spannungssignal. Die Kompensationslichtquelle 25 wird alternierend nur bei jedem zweiten Messzyklus aktiviert. In jenen Messperioden, wo die Kompensationslichtquelle 25 eingeschaltet wird, übersteigt die positive Differenz der beiden Messwerte vor Beginn und beim Ende der Ansteuertakte der Hauptlichquelle 5 einen vorgegebenen Minimalwert. In den anderen Messperioden, wo die Kompensationslichtquelle 25 inaktiv ist, ist die Differenz der beiden Messwerte Null. Die Auswerteeinheit des Sensors 1 interpretiert dieses Muster als Störeffekt durch die Kompensationslichtquelle 25. Der Sensorausgang bleibt ausgeschaltet.
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Alternativ kann zur Vereinfachung die Kompensationslichtquelle 25 in jedem Messzyklus aktiviert werden. Im Falle von 6d) wird dann das störende Streulicht der Hauptlichtquelle 5 in jedem Messzyklus unterdrückt. Die Durchsteuerung der Sensorausgangsstufe wird damit genau gleich verhindert. Im Fall von 6f) dagegen würde in jedem Messzyklus eine positive Differenz der beiden Messwerte erreicht. Übersteigt diese positive Differenz einen vorgegebenen Minimalwert, so würde die Sensorausgangsstufe durchgesteuert. Dies muss in einem solchen Fall durch eine geeignet schwache Intensität der Kompensationslichtquelle 25 verhindert werden. Auf übliche matte, d.h. streuende Objekte ist dies in gewissen Abständen vor dem Sensor 1 möglich, vor allem, wenn der Abstand zwischen einem zu detektierendem Objekt im Vordergrund und einem auszublendendem Objekt im Hintergrund gross ist im Verhältnis zum Abstand des Objektes im Vordergrund. Wenn allerdings spiegelnde Objekte mit einem Loch oder mit beschränkter Grösse in einem Abstand, der dem Hintergrund entspricht, so montiert werden, dass der Kernstrahl 19 der Hauptlichtquelle 5 nicht auf dieses Objekt fällt, das Kompensationslicht aber dennoch, und die Objekte so ausgerichtet werden, dass das Kompensationslicht exakt auf die Empfangsoptik gespiegelt wird, so wird dieses Licht in den meisten Fällen stark genug sein, um den Sensor 1 zu täuschen und die Sensorausgangsstufe zur Durchsteuerung zu bringen. Dies kann dann durch die alternierende Ansteuerung der Kompensationslichtquelle 25 verhindert werden (siehe 6f) oder mit einer Auswertung wie sie im folgenden gezeigt wird.
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7 zeigt für eine andere Ausführungsform der Auswertung ein Diagramm mit folgenden zeitlichen Signalverläufen, welche alle eine gemeinsame Zeitskala haben:
- a) Ansteuertakt für die Hauptlichtquelle 5. Die Frequenz f1 beträgt wiederum z.B. 8kHz und die Periode T1 = 0.125ms.
- b) Ansteuertakt für die Kompensationslichtquelle 25: Die Periode T2 ist hier gleich lang wie jene T1 der Hauptlichtquelle 5. Die Kompensationslichtquelle 25 wird so angesteuert, dass sie zu einem frei festlegbaren Zeitpunkt innerhalb der Sendepausen der Hauptlichtquelle 5 ein- und wieder ausgeschaltet wird. Dabei sollte es eine deutliche zeitliche Trennung zwischen dem Sendepuls der Kompensationslichtquelle 25 und demjenigen der Hauptlichtquelle 5 geben. Die zeitlich getrennten Signale werden somit nicht einander direkt überlagert, sondern erst nach erfolgter, jeweils einzelner Messung miteinander verrechnet.
- c) Situation „Lichtstrahl 7 und Licht der Kompensationslichtquelle 25 treffen innerhalb des Schaltabstandes auf Objektoberfläche 13“: Durch die Vordergrunddiode 3a an einer Integrationskapazität generiertes Spannungssignal, erzeugt durch Licht der Hauptlichtquelle 5 und der Kompensationslichtquelle 25. Die Differenz der Signale vor Beginn und beim Ende der Ansteuertakte der Hauptlichtquelle 5 liefert für jeden Messzyklus einen hohen Ergebniswert. Die Auswertung der Signale vor Beginn und beim Ende der Ansteuertakte der Kompensationslichtquelle 25 liefert einen sehr schwachen positiven Wert. Die Subtraktion beider Teilsignale bleibt hoch, der Ausgang des Sensors 1 wird durchgesteuert.
- d) Situation „Nur Licht des Streulichtmantels 23 und der Kompensationslichtquelle 25 trifft innerhalb des Schaltabstandes auf Objektoberfläche 13“: Um einen Faktor 10 bis 100 vergrössert dargestelltes, durch die Vordergrunddiode 3a generiertes Spannungssignal. Das Signal erzeugt durch den Hof der Hauptlichtquelle 5 ist schwächer als dasjenige der Kompensationslichtquelle 25. Die Differenz ist somit negativ, die Sensorausgangsstufe wird ausgeschaltet.
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Trifft Licht der Hauptlichtquelle 5 oder der Kompensationslichtquelle 25 ausserhalb des Schaltabstandes auf Objektoberfläche 13, so wird das eine wie das andere Licht je auf die Hintergrunddiode 3b abgebildet. In dieser Ausführungsform werden die Signale damit je negativ. Hier macht es nun Sinn, anstelle der Differenz der beiden Signale nur noch das durch die Hauptlichtquelle 5 erzeugte negative Signal auszuwerten. Ein Signal erzeugt durch die Kompensationslichtquelle 5 auf der Hintergrunddiode 3b interessiert nicht. Egal, ob dieses da ist oder nicht, soll die Ausgangsstufe des Sensors 1 ausgeschalten werden, wenn das Licht der Hauptlichtquelle 5 hauptsächlich auf die Hintergrunddiode 3b fällt.
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Somit können in dieser Ausführungsform die folgenden Situationen unterschieden werden: Strahl der Hauptlichtquelle 5 trifft hauptsächlich auf die Vordergrunddiode 3a oder die Hintergrunddiode 3b auf (unterschiedliches Vorzeichen des Signals), Kompensationslicht trifft auf die Vordergrunddiode 3a oder die Hintergrunddiode 3b auf (ebenso durch anderes Signal-Vorzeichen unterschieden). Die Ausgangsstufe des Sensors 1 bleibt ausgeschalten, ausser wenn das Signal der Hauptlichtquelle 5 auf der Vordergrunddiode 3a stärker ist als das Signal der Kompensationslichtquelle 25 auf der Vordergrunddiode 3a. Bei Bedarf kann hier das eine Signal vor dem Vergleich noch skaliert werden.
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Mit dem erfindungsgemässen Sensor und Verfahren können insbesondere gestapelte glänzende oder spiegelnde Objekte wie Wafer oder CDs mit einer hohen Auflösung und einer Reproduzierbarkeit von 0.1mm und weniger lateral erfasst werden.
