DE102019008685A1

DE102019008685A1 - Optische Messanodnung und Verfahren zur Präsenzerkennung kleiner Objekte in einem Strahlengang

Info

Publication number: DE102019008685A1
Application number: DE102019008685.6A
Authority: DE
Inventors: Peter Urs Halter; Volker Preuss
Original assignee: Baumer Electric AG
Current assignee: Baumer Electric AG
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2021-06-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Messanordnung (1) zur Präsenzerkennung kleiner Objekte (3) in einem Strahlengang (5) für Messlicht (7), mit wenigstens einer im Strahlengang (5) angeordneten empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung (9), durch die das durch ein Probenvolumen (19) im Strahlengang (5) transmittierte Messlicht (7) in einer senkrecht zum Strahlengang (5) orientierten ersten Richtung (17) zu einer Bildweite (25) fokussierbar ist und mit wenigstens einer im Strahlengang (5) angeordneten Detektionsvorrichtung (29) zur Detektion des durch die empfangsseitige Strahlformungsvorrichtung (9) transmittierten Messlichts (7). Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum optischen Erkennen der Präsenz eines Objekts (3) in einem Probenvolumen (19). Um die Empfindlichkeit gegenüber Störungen der Justage und gegenüber Staub zu verringern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die wenigstens eine Detektionsvorrichtung (29) in einem Arbeitsabstand (37) zur empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung (9) angeordnet ist, der kleiner als die Bildweite (25) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Messanordnung zur Präsenzerkennung kleiner Objekte in einem Strahlengang für Messlicht, mit wenigstens einer im Strahlengang angeordneten empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung, durch die das durch ein Probenvolumen im Strahlengang transmittierte Messlicht in einer senkrecht zum Strahlengang orientierten ersten Richtung zu einer Bildweite fokussierbar ist, und mit wenigstens einer im Strahlengang angeordneten Detektionsvorrichtung zur Detektion des durch die empfangsseitige Strahlformungsvorrichtung transmittierten Messlichts. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum optischen Erkennen der Präsenz, bevorzugt auch zur Messung der Höhe, eines Objekts in einem Probenvolumen, bei dem Messlicht entlang eines Strahlenganges in einer, senkrecht zum Strahlengang orientierten ersten Richtung in einem Probenvolumen fokussiert und das durch das Probenvolumen hindurch transmittierte Messlicht aufgesammelt wird.
Optische Messanordnungen zur Präsenzerkennung insbesondere kleiner Objekte sind bekannt. Sie finden beispielsweise Anwendung in Lichtschranken. Lediglich als Beispiel seien hier Gabellichtschranken genannt. Die Präsenzerkennung und die Positionsbestimmung kann für verschiedene Anwendungen notwendig oder wünschenswert sein.
Es kann beispielsweise erforderlich sein, beim automatischen Platzieren von Objekten, die Präsenz des Objekts in einem vorbestimmten Raum, Probenvolumen genannt, zu erkennen und gegebenenfalls auch die Abmessungen und die Position des Objekts, zumindest in einer Raumrichtung zu bestimmen. Auch kann die Kenntnis einer Eintauchtiefe bzw. Eindringtiefe des Objekts beim Eintauchen in das Probenvolumen vorteilhaft sein. Durch Objektdrehung um die Eintauchachse können sogar die Abmessungen aller drei Raumrichtungen bestimmt werden.
Eine andere beispielhaft genannte Anwendung ist das Auftragen von flüssigen, schwach oder stark viskosen Substanzen, beispielsweise Klebstoff aus Düsen auf Substrate. Hier kann es erforderlich sein, zu bestimmen, ob ein Tropfen der Substanz an der Düse hängt oder nicht, wie groß der Tropfen ist, oder ob ein Fremdkörper an der Düse hängt, der die Funktion der Düse beeinträchtigen könnte.
Bei der Präsenzerkennung und Positionsbestimmung von Objekten ist es in der Regel erforderlich, die Detektionsvorrichtung präzise zu justieren um eine Abschattung durch das zu erkennende Objekt noch detektieren zu können. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn das Objekt klein ist, beispielsweise mit einer Größe im Submillimeterbereich. Dann ist die Abschattung gering und eine präzise Messung ist unabdingbar. Auch soll die Messanordnung unempfindlich sein gegen kleine Justagefehler oder -störungen und möglichst auch gegen Einflüsse durch Staub oder ähnliches. Darüber hinaus ist es wünschenswert, wenn die optische Messanordnung, insbesondere als Teil einer Lichtschranke, zur präzisen Erkennung kleinster Teile geeignet ist. Letztendlich soll auch die Positionshöhe, bzw. Eintauchtiefe eines Objektes oder die Zeit, wann ein quer zur Schranke bewegtes Objekt eine definierte Messlinie exakt durchbricht, mit für den Anwendungszweck ausreichender Präzision erkannt bzw. gemessen werden können.
Bekannt sind optische Messanordnungen in Lichtschranken zur Detektion von Objekten mit minimaler Größe von beispielsweise 1 bis 50 mm. Weiter sind sogenannte Laserlichtschranken bekannt, die hochgradig paralleles Licht einsetzen und auch deutlich kleinere Objekte noch sicher erkennen.
Einfache Lichtschranken können auch miniaturisiert aufgebaut werden, im einfachsten Fall strahlt ein LED-Chip, das kann sogar eine LED ohne linsenartige Austrittsfläche sein, mit einer Chipgröße von beispielsweise 0,4 × 0,4 mm, auf der Senderseite ohne Optik durch ein Frontfenster. Im Strahlengang wird das Licht irgendwo durch ein zu erkennendes Objekt unterbrochen. Das Licht wird dabei im einfachsten Fall durch eine einfache Fotodiode mit einer Größe von zum Beispiel von 1 × 1 mm aufgenommen. Dadurch kann die Präsenz eines Objektes in der typischen Größe von etwa 0,5 mm erkannt werden.
Laserlichtschranken sind dagegen mit einem Lasermodul aufgebaut, das aus einer Laserdiode in einem Laserdioden-Gehäuse, einer für die Fokussierung und/oder Kollimierung von Lasern geeigneten Linse, sowie einer stabilen Aufnahme für Laserdiode und die Linse, damit die Fokussierung auch im laufenden Gebrauch durch Erschütterungen oder Temperaturänderungen nicht wesentlich verändert wird. Das Gehäuse ist dabei in der Regel nicht kompakt genug für bestimmte Anforderungen bei der Miniaturisierung. Auf der Empfangsseite kann mit einer einfachen Fotodiode hinter einer fokussierenden Linse oder mit einem Zeilenempfänger hinter einer fokussierenden Zylinderlinse gearbeitet werden. Der Sender, aber auch der Aufbau des Empfängers brauchen Platz und sind nicht einfach zu miniaturisieren. Wenn die Lichtschranke selbst klein ist und wenn gleichzeitig die zu erkennenden Objekte sehr klein sind, wird die Optik so klein, dass Staubunempfindlichkeit sehr wichtig wird.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine optische Messanordnung und ein Verfahren zur Präsenzerkennung bereitzustellen, die die oben genannten Probleme ganz oder teilweise behebt. Die optische Messanordnung soll dabei insbesondere für eine Lichtschranke geeignet sein. Durch die Erfindung soll es möglich sein, eine miniaturisierte Lichtschranke zu verwirklichen, bevorzugt eine Lichtschranke, deren gesamte Breite in Lichtausbreitungsrichtung weniger als 25 mm beträgt.
Für die eingangs genannte optische Messanordnung ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass die wenigstens eine Detektionsvorrichtung in einem Arbeitsabstand zur empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung angeordnet ist, der kleiner als die Bildweite ist.
Für das eingangs genannte Verfahren ist die Aufgabe gelöst durch das Fokussieren des Messlichts durch wenigstens eine empfangsseitige Strahlformungsvorrichtung in der ersten Richtung, insbesondere zu einer Bildweite, und durch das Detektieren des Messlichts in einem Arbeitsabstand zur Strahlformungsvorrichtung, der kleiner als eine Bildweite der empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung, nach der das Messlicht zwischen der empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung und der Bildweite detektiert wird, ist eine exakte Justage der Detektionsvorrichtung auf Höhe der Bildweite, also im Fokus des Strahlengangs, nicht erforderlich. Da das Messlicht in der Regel im Bereich vor der Bildweite einen größeren Durchmesser aufweist, ist auch der Bereich größer, in dem die Detektionsvorrichtung angeordnet sein kann und dabei immer noch Messlicht empfängt. Hierdurch wird die Toleranz bei der Justage größer.
Die erfindungsgemäße optische Messanordnung ist im Idealfall dazu geeignet, eine miniaturisierte Lichtschranke bauen zu können, die kleinste Objekte im SubMillimeterbereich, typisch 0,1 mm, erkennen kann und deren Positionshöhe in einer ersten Richtung quer zur Lichtausbreitungsrichtung in einem schmalen Messfeld bzw. Probenvolumen auf etwa 10 µm genau messen kann.
Die oben genannte Bildweite ist durch die wenigstens eine Strahlformungsvorrichtung festgelegt. Sie kann beispielsweise anhand der Eigenschaften der Strahlformungsvorrichtung wie Brennweite usw., berechnet werden. Die Bildweite ist die Entfernung hinter der empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung, bei der das Messlicht durch die empfangsseitige Strahlformungsvorrichtung fokussiert wird.
Jede Strahlformungsvorrichtung umfasst bevorzugt wenigstens ein Brechungselement, insbesondere eine Linse.
Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte und beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile ist im Folgenden eingegangen.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der Arbeitsabstand 20%-90% der Bildweite, bevorzugt 40%-70%, also etwa die Hälfte bis etwa zwei Dritteln der Bildweite.
Die optische Messanordnung umfasst bevorzugt wenigstens eine Lichtquelle zur Aussendung von Messlicht entlang des Strahlenganges.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die optische Messanordnung vorzugsweise wenigstens eine im Strahlengang angeordnete senderseitige Strahlformungsvorrichtung, durch die das Messlicht wenigstens in der senkrecht zum Strahlengang orientierten ersten Richtung im Probenvolumen fokussierbar ist. Bevorzugt ist das Messlicht durch die senderseitige Strahlformungsvorrichtung lediglich in der ersten Richtung fokussierbar, wobei technisch bedingte Abweichungen der Richtung durch Linsen- oder Justagefehler möglich sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung hat die senderseitige Strahlformungsvorrichtung der optische Messanordnung eine doppelt zylindrische Linsenwirkung, die das durch die Lichtquelle erzeugte Messlicht in der ersten Richtung exakt in das Probenvolumen fokussiert und in der zweiten Richtung kollimiert.
Alternativ kann die senderseitige Strahlformungsvorrichtung der optische Messanordnung das durch die Lichtquelle erzeugte Messlicht in der ersten Richtung exakt in das Probenvolumen und in der zweiten Richtung in einen Zwischenfokus zwischen Probenvolumen und empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung fokussieren.
Jede Strahlformungsvorrichtung umfasst bevorzugt wenigstens ein Brechungselement, besonders bevorzugt wenigstens zwei Brechungselemente, nämlich jeweils ein Brechungselement an einer Lichteintrittsseite und eines an einer Lichtaustrittsseite der jeweiligen Strahlformungsvorrichtung.
Bei einer Ausführungsform mit Fokus in der ersten Richtung auf den Objekterkennungsbereich, also auf das Probenvolumen, entspricht die Bildweite dem Abstand in dem dieser Sendefokus in erster Richtung wieder durch die Empfangslinse (empfangsseitige Strahlformungsvorrichtung) und hinter dieser abgebildet wird. Damit entspricht sie ebenso dem Abstand in dem der Objekterkennungsbereich abgebildet wird
In das Probenvolumen ist bevorzugt ein Objekt einbringbar, dessen Präsenz erkannt werden soll. Mit anderen Worten ist das Probenvolumen vorzugsweise für ein Objekt zugänglich, insbesondere von außerhalb der Messanordnung zugänglich.
Das Probenvolumen ist bevorzugt flach, mit anderen Worten ist das Probenvolumen vorzugsweise in der ersten Richtung geringer ausgedehnt als in Richtung des Strahlengangs und als in einer zweiten Richtung, die senkrecht zum Strahlengang und senkrecht zur ersten Richtung verläuft. Das Probenvolumen, bzw. der Messbereich, ist vorzugsweise 2 × 2 mm groß, jeweils ± 1 mm in Richtung der Lichtausbreitung des Strahlengangs und quer dazu in der zweiten Richtung, um auch kleinste Objekte in einem etwas ausgedehnten Messbereich erkennen zu können.
Um die optische Messanordnung kompakt zu halten, insbesondere um die Verwendung in einer Gabellichtschranke zu ermöglichen, ist zwischen dem Probenvolumen und der Detektionsvorrichtung bevorzugt wenigstens ein empfangsseitiges Umlenkelement angeordnet, durch das das Messlicht auf dem Strahlengang umlenkbar ist.
Sofern auch eine senderseitige Strahlformungsvorrichtung vorgesehen ist, ist bevorzugt zwischen einer Lichtquelle oder der vorgesehenen Position der Lichtquelle im Strahlengang und dem Probenvolumen wenigstens ein senderseitiges Umlenkelement angeordnet.
Gemäß einer besonders bevorzugten, aber nicht notwendigen Ausgestaltung ist eine senderseitige Strahlformungsvorrichtung vorgesehen und jeder der beiden Strahlformungsvorrichtungen ist ein Umlenkelement zugeordnet.
Insbesondere durch die Verwendung von sowohl einem senderseitigen Umlenkelement als auch einem empfangsseitigen Umlenkelement kann die optische Messanordnung kleinste Teile und deren Positionshöhe bzw. Eintauchtiefe in einem schmalen Probenvolumen auf etwa 10 µm genau messen. Dabei beansprucht sie in der Regel nur einen Bruchteil des Platzes, wie ihn eine auf kleine Teile optimierte Laserlichtschranke benötigt.
Ein einfaches Umlenkelement kann beispielsweise durch ein Prisma, insbesondere ein 90°-Prisma erhalten werden.
Um einen einfachen Aufbau zu erhalten, ist das wenigstens eine Umlenkelement Teil der jeweiligen wenigstens einen Strahlformungsvorrichtung.
Besonders bevorzugt ist das wenigstens eine Umlenkelement monolithisch mit wenigstens einem Brechungselement, insbesondere einer Linse, der wenigstens einen Strahlformungsvorrichtung gebildet. Hierdurch kann ein kompakter, leicht herzustellender und gegen Dejustage unempfindlicher Aufbau erreicht werden.
Die wenigstens eine Strahlformungsvorrichtung kann insbesondere ein Kunststoffspritzteil sein, insbesondere in dem Fall, in dem wenigstens eine Strahlformungsvorrichtung wenigstens ein Brechungselement und wenigstens ein Umlenkelement umfasst. In diesem Fall ist die Strahlformungsvorrichtung bevorzugt inklusive dieser Teile monolithisch als Kunststoffspritzteil gebildet.
Die wenigstens eine Detektionsvorrichtung umfasst bevorzugt wenigstens einen Zeilendetektor mit einer Reihe von Detektionszellen, wobei sich die Reihe entlang einer senkrecht zum Strahlengang und zur ersten Richtung verlaufenden zweiten Richtung erstreckt. Hierdurch kann ein Schattenwurf durch ein Objekt im Probenvolumen auf die verschiedenen Detektionszellen, bzw. Pixel, abgebildet werden. Dadurch kann nicht nur die Empfindlichkeit gegenüber einer einzelnen, großen, Zelle (Fotodiode) erhöht werden, weil der Schattenwurf auf mehrere Zellen verteilt wird, sondern auch eine Möglichkeit gegeben sein, die Ausdehnung eines Objekts im Probenvolumen zumindest grob zu bestimmen. Die wenigstens eine Detektionsvorrichtung kann insbesondere ein Photodiodenarray, eine CMOS-Zeile, eine CCD-Zeile und/oder eine andere geeignete Vorrichtung umfassen. Auch ist die Detektion durch eine Digitalkamera möglich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die optische Messanordnung ferner wenigstens eine Lichtquelle. Die Lichtquelle ist bevorzugt eine Punktlichtquelle, insbesondere eine Laserdiode oder eine möglichst minimal ausgedehnte Pinpoint-LED.
Eine kompakte optische Messanordnung im Sinne der Erfindung zum Bau einer miniaturisierten Lichtschranke kann ferner durch den Einsatz eines VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) als Lichtquelle erreicht werden. Der VCSEL hat in der Regel einen Austrittsdurchmesser zwischen 5 und 20 µm. Die Lichtquelle wird in der Regel hinter einem Frontfenster, also der senderseitigen Strahlformungsvorrichtung platziert. Empfangsseitig kann eine etwas ausgedehnte Fotodiode, beispielsweise 4 × 1 mm groß, hinter einem Empfängerfenster, also der empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung, angeordnet sein. Nachteil dieser Lösung kann jedoch eine unerwünschte Staubempfindlichkeit beim Senderfenster sein. Durch die Projektion einer fast punktförmigen Senderlichtquelle zum kleinen zu erkennenden Objekt werden Staubkörner auf dem Senderfrontfenster um einen Abstandsfaktor im Bereich des Objekt-Erkennungsbereiches vergrößert wahrgenommen. Der Abstandsfaktor kann dabei als Verhältnis des Abstands der Senderlichtquelle hinter dem Fenster zum Abstand der Senderlichtquelle bis zum zu erkennenden Objekt gebildet werden. Die Vergrößerung kann einen Faktor 5 bis 10 ausmachen, womit bereits Staubkörner im Bereich von 2 × 10 µm die Erkennung von kleinen Objekten (0,1 mm) mit hoher Präzision (10 µm) stören oder gar komplett verunmöglichen können.
Um die optische Messanordnung, bzw. eine damit versehene miniaturisierte Lichtschranke, staubunempfindlicher zu machen, sollte die effektive Lichtaustrittsfläche auf dem SenderFrontfenster, was hierbei die Projektionsfläche auf dem Frontfenster in der Linie Lichtquelle bis Objekt ist, stark vergrößert werden. Dies kann bevorzugt dadurch erreicht werden, dass die Sendelichtquelle einen ähnlich großen oder größeren Abstand hinter dem Frontfenster hat, wie der Abstand zwischen dem Frontfenster und dem Objekt ist. Damit stören nur noch Staubkörner oder Frontscheibenverunreinigungen oder Blasen im Glas oder Ausbrüche auf der Glasoberfläche in der Größe von etwa 5 × 50 µm. Des Weiteren lässt sich dies nochmals um Faktoren verbessern indem Linsen eingesetzt werden um das Licht wieder in den Objekt-Erkennungsbereich zu fokussieren. Dabei wird vorzugsweise eine Zylinderlinse eingesetzt, damit das Licht in der ersten Richtung, in der hoch genau gemessen werden soll, fokussiert wird auf den Erkennungsbereich. Da in der Querrichtung (zweite Richtung) aber ein ausgedehnter Messbereich erwünscht ist, in dem gemessen werden kann, sollte das Licht in dieser Richtung nicht voll auf den Erkennungsbereich fokussiert werden. In dieser zweiten Richtung kann die Fokussierung weggelassen werden, vorzugsweise wird das Licht aber in dieser Richtung nur so weit fokussiert, dass es in etwa kollimiert austritt. Dadurch kann die Staubempfindlichkeit weiter reduziert werden.
Die senderseitige Strahlformungsvorrichtung, insbesondere die Senderlinse, hat weiter den Vorteil, dass viel mehr Licht (typisch 10 ... 50x) der Lichtquelle im Erkennungsbereich, also dem Probenvolumen, und dann auch in der empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung, bzw. der Empfangslinse, auftrifft. Dies erlaubt auch den Einsatz von Pinpoint-LED's, deren Austrittsfläche mit Durchmesser 40 bis 150 µm oder rechteckiger Fläche von etwa dieser Dimension deutlich grösser ist als diejenige der VCSEL. Das Licht der Pinpoint-LED wird breitwinklig abgestrahlt wie ein Lambertstrahler, dadurch geht viel mehr Licht verloren, als bei der engwinklig abstrahlenden VCSEL. Durch den Einsatz der Senderlinse kann erreicht werden, dass genügend Licht den Empfänger erreicht um die Messung auch noch schnell zu machen, was eine weitere Anforderung ist, um ein bewegtes Objekt mit Geschwindigkeiten von 0,1 bis 4 m/s genau zu vermessen. Je nach Anforderung an die maximale Geschwindigkeit kann der Empfänger mit Taktraten von 10 µs oder schneller belichtet und ausgelesen werden. Dies erfordert den Empfang einer ausreichenden Lichtmenge, ansonsten beeinträchtigt das Rauschen des Empfängers oder dessen Verstärkers oder dessen Analog-Digital-Wandlers die geforderte Messgenauigkeit.
Bei der senderseitigen Strahlformungsvorrichtung, bzw. der Senderlinse kann es noch zwei Probleme geben, die jedoch durch weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gelöst werden können

a) Wird die Fokussierung des Lichts in der ersten Richtung und die Kollimierung in der zweiten Richtung mit einer doppelt gekrümmten Zylinderlinsenfläche gelöst, dann können sich zu starke Linsenfehler außerhalb der Linsenachse, das heißt im ausgedehnten Messbereich (typisch 2 mm) in zweiter Richtung ergeben. Die Fokussierung in erster Richtung kann mit asphärischen (nicht kreisförmigen), doppelt gekrümmten Zylinderlinsenfläche zwar in der Mitte dieses Messbereichs, also auf der optischen Achse, gut erreicht werden, am Rand wird die Fokussierung aber unter Umständen schlechter. Aus diesem Grund erfolgt die Fokussierung in den beiden Richtungen zur Hauptsache bevorzugt getrennt. Die eine Fokussierung in erster Richtung kann vorzugsweise auf der Linseneintrittsseite, diejenige der zweiten Richtung auf der Linsenaustrittseite erfolgen. Weiter sollte die Brennweite nicht zu klein sein, damit die Linsenfehler nicht zu groß werden. Bei einem beispielhaften Objektabstand vom Senderfenster von 10 mm und einem vorzugshaften Abbildungsmassstab von ca. 1 : 1 sollte die Brennweite halb so groß sein, also etwa 5 mm.
b) Die Senderlinse und insbesondere der benötigte Abstand der Senderlichtquelle von der Senderlinse, die im soeben erwähnten Beispiel ca. 10 mm beträgt, brauchen Platz. Dies ist in einer miniaturisierten Lichtschranke aber nur schwer möglich. Wenn der verfügbare Platz außerhalb des freien Wegs zwischen Sender- und Empfängerfenster nur einzelne Millimeter groß ist, dann kann diese Optik in dieser Art also nicht eingesetzt werden. Möglich wird die Miniaturisierung jedoch durch Umlenkung des Strahlengangs um 90° in eine Richtung in der mehr Platz zur Verfügung steht, zum Beispiel in die erwähnte erste Richtung. Die Zusammenstellung einzelner Bauteile wie Zylinderlinsen und Umlenkprisma ist aus Platzgründen auch nur bei ausreichend Platz möglich. Die Lösung eines monolithischen Optikteils in der Form eines optischen Präzisionsspritzteils, das Umlenkung und doppelte Strahlfokussierung in einem Teil erledigt, ermöglicht dagegen die geforderte Miniaturisierung. Dabei erfolgt die Strahlfokussierung auf den Objektbereich bevorzugt in der ersten Richtung auf der Strahleintrittsseite, danach die prismatische Umlenkung, und schließlich an der Austrittsseite die Fokussierung zu Kollimierung der Strahlen in der zweiten Richtung. In einer leicht anderen Ausführungsform kann auch die Umlenkfläche des Prismas zur Fokussierung verwendet werden. Weiter können die zylindrischen Fokussierungen zu einem gewissen Teil auch auf die beiden Seiten (Ein- und Austritt) verteilt werden. So kann die Krümmung zur Fokussierung in der ersten Richtung beispielsweise zu 15 % an der Austrittsfläche und zum übrigen Teil an der Eintrittsfläche erfolgen. Und umgekehrt kann dies auch für die Fokussierung / Kollimierung in der zweiten Richtung gelten. Dies ergibt dann beidseits doppelt gekrümmte Zylinderlinsen, die in der ersten und der zweiten Richtung jeweils unterschiedlich stark gekrümmt sind.

Die optische Messanordnung umfasst bevorzugt ferner wenigstens einen, insbesondere automatisch, bewegbaren, vorzugsweise fahrbaren, Objektträger, durch den wenigstens ein zu messendes Objekt in das Probenvolumen bewegbar ist. Besonders bevorzugt ist der wenigstens eine Objektträger parallel zur ersten Richtung bewegbar. Alternativ kann auch der Objektträger ortsfest und die restliche Anordnung bewegbar sein. Durch den Objektträger kann die Eintauchtiefe des Objekts in das Probenvolumen gezielt gesteuert werden. Die erfindungsgemäße Messanordnung und das erfindungsgemäße Verfahren sind jedoch auch ausdrücklich zur Erkennung von Objekten geeignet, die nicht auf einem Objektträger angeordnet sind, sozusagen „freifliegende“ Objekte.
Während des Einbringens des Objektträgers in das Probenvolumen kann zu verschiedenen Zeitpunkten gemessen werden. Dadurch kann eine zeitliche und auch räumliche Auflösung der Messung erreicht werden. Die räumliche Auflösung wird dabei automatisch durch die Bewegung des Objektträgers bei gleichzeitig zeitlich getakteter Messung erreicht. Die räumliche Auflösung betrifft dabei die Richtung, entlang der der Objektträger bewegt wird, also vorzugsweise die erste Richtung.
Unter Umständen kann eine zeitlich getaktete Messung auch erforderlich sein, da bestimmte Bauteile, die als Teil der Detektionsvorrichtung in Frage kommen, beispielsweise CCD-Sensoren, regelmäßig ausgelesen werden müssen, um eine neue Messung zu ermöglichen.
Bei den oben beschriebenen Bewegungen des Objektträgers kann dieser sowohl mit einem Objekt versehen sein, als auch ohne Objekt in das Probenvolumen eindringen. Eine oder mehrere Messungen ohne Objekt können als Referenzmessung für die eigentliche Präsenzerkennung eines Objekts dienen. Bei letzterer ist dann ein Objekt auf dem Objektträger angeordnet. Die Messung mit Objekt kann dann durch eine Referenzmessung referenziert werden, beispielsweise durch Differenzbildung. Liegt das Messsignal oberhalb einer vorbestimmten Schwelle, kann die Detektion eines Objekts bestätigt werden. Die Referenzierung kann für einzelne Pixel oder für jeweils aus der Reihe von Pixeln gebildeten Kurven erfolgen. Im Falle der Kurven, werden diese bevorzugt linear interpoliert um durchgängige Kurven zu erhalten. Dies ist insbesondere dann hilfreich, wenn die Anzahl der Pixel gering ist, beispielsweise im einstelligen oder im niedrigen zweistelligen Bereich, oder wenn die Anzahl Messungen in einer Kurve deutlich kleiner ist, als für die geforderte Messgenauigkeit benötigt würde.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch durch das automatische Einbringen eines auf einem Objektträger angeordneten Objekts in unterschiedliche Eintauchtiefen in das Probenvolumen und durch das Detektieren des Messlichts bei diesen verschiedenen Eintauchtiefen verbessert werden.
Darüber hinaus kann anhand der Abschattung durch das Objekt die Position des Objekts, insbesondere die Eintauchtiefe in das Probenvolumen, insbesondere in der ersten Richtung automatisch bestimmt werden. Auch kann vorgesehen sein, wenigstens eine Messung mit wenigstens einer vorherigen Messung zu vergleichen. Mit anderen Worten kann eine vorher eingelernte Position eines Objekts wiedererkannt werden. Letztendlich kann auch die Differenz einer eingelernten Position zu einer gemessenen Position erkannt werden.
Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Die bei der Ausführungsform beispielhaft dargestellten Merkmalskombinationen können nach Maßgabe der obigen Ausführungen entsprechend der für einen bestimmten Anwendungsfall notwendigen Eigenschaften der erfindungsgemäßen optischen Messanordnung durch weitere Merkmale ergänzt werden. Auch können, ebenfalls nach Maßgabe der obigen Ausführungen, einzelne Merkmale bei den beschriebenen Ausführungsformen weggelassen werden, wenn es auf die Wirkung dieses Merkmals in einem konkreten Anwendungsfall nicht ankommt. In den Zeichnungen werden für Elemente gleicher Funktion und/oder gleichen Aufbaus stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
Es zeigen:

1 schematisch den Strahlengang einer ersten vorteilhaften Messanordnung im Sinne der Erfindung in einer Profilansicht;
2 den Strahlengang aus 1 in einer Aufsicht;
3 eine perspektivische Darstellung eines Strahlenganges mit Objektträger, wobei der Strahlengang zumindest abschnittsweise dem der 1 und 2 entspricht;
4 schematisch den Strahlengang einer weiteren vorteilhaften Messanordnung im Sinne der Erfindung in einer Profilansicht;
5 den Strahlengang aus 4 in einer Aufsicht;
6 eine perspektivische Darstellung eines Strahlenganges mit Objektträger, wobei der Strahlengang zumindest abschnittsweise dem der 4 und 5 entspricht;
7 schematisch den Strahlengang einer weiteren vorteilhaften Messanordnung im Sinne der Erfindung in einer Profilansicht;
8 schematisch den Strahlengang einer weiteren vorteilhaften Messanordnung mit Umlenkelementen im Sinne der Erfindung in einer Profilansicht;
9 den Strahlengang aus 8 in einer Aufsicht;
10 Zeilensignale einer Detektionsvorrichtung bei einer erfindungsgemäßen Messung;
11 den Signalverlauf für verschiedenen Detektionszellen bzw. Pixel der Messung aus 10;
12 den Signalverlauf für verschiedenen Detektionszellen bzw. Pixel einer Messung ohne Objekt auf dem Objektträger; und
13 den Signalverlauf für Messungen aus 11 und 12 für eine ausgewählte Detektionszelle bzw. Pixel.

Der besseren Vergleichbarkeit halber sind die 1 bis 10 jeweils mit einem kartesischen Koordinatensystem mit den Richtungen X, Y und Z versehen.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand des Strahlenganges einer ersten Ausführungsform mit Bezug auf die 1 bis 3 beschrieben.
Die optische Messanordnung 1, im Folgenden kurz „Messanordnung“ 1 genannt, dient zur Präsenzerkennung kleiner Objekte 3 in einem Strahlengang 5 für Messlicht 7. Ein Objekt 3 ist in den 1 bis 3 nur durch seine Position angedeutet. Der Begriff „Messlicht“ soll elektromagnetische Strahlung bedeuten, welche gezielt zum Messen genutzt wird und zum Passieren des Strahlengangs 5 geeignet ist.
Die Messanordnung 1 soll zum Erkennen der Präsenz eines kleinen Objekts 3 in dem Strahlengang 5 dienen. Hierzu weist die Messanordnung 1 wenigstens eine im Strahlengang 5 angeordnete empfangsseitige Strahlformungsvorrichtung 9 auf.
Die Strahlformungsvorrichtung 9 umfasst bevorzugt wenigstens ein Brechungselement 11, insbesondere eine Linse 13. Der Strahlengang 5 breitet sich in dem Ausführungsbeispiel entlang einer Ausbreitungsrichtung 14, die parallel zur Z-Richtung verläuft, aus.
Die empfangsseitige Strahlformungsvorrichtung 9 kann auch lediglich aus einem Brechungselement 11, insbesondere einer Linse 13 bestehen. Die Strahlformungsvorrichtung 9 kann jedoch auch noch weitere Elemente umfassen. Hierauf ist später mit Bezug auf die 8 und 9 eingegangen.
Die Strahlformungsvorrichtung 9 kann eine Zylinderlinse 15 umfassen, welche Licht bevorzugt in einer ersten Richtung 17 fokussiert ist, welche in dem Ausführungsbeispiel parallel zur Y-Richtung verläuft. Die erste Richtung 17 ist zudem im Wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung 14 des Strahlengangs 5 ausgerichtet.
Das Messlicht 7 hat auf dem Weg entlang des Strahlenganges 5 ein Probenvolumen 19 passiert. Das Probenvolumen 19 ist das Volumen, welches zum Einbringen eines Objekts 3 vorgesehen ist. Dieses Probevolumen ist ein gedankliches Volumen und wird normalerweise nicht durch Wände irgendwelcher Art begrenzt. Durch das Objekt 3 im Probenvolumen 19 wird das Messlicht 7 in der Regel zumindest etwas abgeschwächt, bzw. das Objekt 3 erzeugt einen Schattenwurf 21, welcher sich entlang dem Strahlengang 5 ausbreitet. Der Schattenwurf 21 ist in den 1 bis 3 für ein eher großes Objekt dargestellt und kann auch deutlich kleiner sein.
Das Messlicht 7 wird durch die empfangsseitige Strahlformungsvorrichtung 9 zu einem Fokus 23 fokussiert, welcher in einer Bildweite 25 von der empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung 9 entfernt ist. Die Bildweite 25 ist dabei von den Eigenschaften der Strahlformungsvorrichtung 9 sowie weiterer im Strahlengang 5 befindliche Objekte, sofern vorhanden, abhängig.
In der beispielhaft dargestellten Ausführungsform wird das Messlicht 7 aufgrund der Zylinderlinse 15 nur in der ersten Richtung 17 fokussiert. In einer dazu senkrecht verlaufenden zweiten Richtung 27 wird das Messlicht 7 durch die erste Strahlformungsvorrichtung 9 dagegen nicht fokussiert. Die zweite Richtung 27 verläuft nicht nur senkrecht zur ersten Richtung 17, sondern auch zur Ausbreitungsrichtung 14 und verläuft in den Darstellungen parallel zur X-Richtung.
Das Messlicht 7 wird in einer im Strahlengang 5 entlang der Ausbreitungsrichtung 14 hinter der empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung 9 angeordneten Detektionsvorrichtung 29 detektiert.
Die Detektionsvorrichtung 29 ist bevorzugt ein Zeilendetektor 31 mit einer Reihe 33 von Detektionszellen 35. Dies ist in 2 angedeutet. Die Reihe 33 von Detektionszellen 35 erstreckt sich dabei bevorzugt entlang der zweiten Richtung 27. Der Zeilendetektor 31 ist bevorzugt ein Photodioden-Array, eine CMOS-Zeile oder eine CCD-Zeile. Jede Detektionszelle 35 entspricht einem Pixel der Detektionsvorrichtung 29.
Der Schattenwurf 21, welcher sich entlang der zweiten Richtung 27 räumlich erstreckt, lässt sich auf die Detektionsvorrichtung 29 abbilden, sodass die Detektionszellen 35, welche im Bereich des Schattenwurfes 21 liegen, weniger Licht empfangen, als die Detektionszellen 35, welche außerhalb des Schattenwurfes 21 liegen.
Die Detektionsvorrichtung 29 ist in einem Arbeitsabstand 37 zu der empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung 9 angeordnet. Mit anderen Worten ist die Detektionsvorrichtung 29 im Strahlengang 5 in Ausbreitungsrichtung 14 gesehen im Arbeitsabstand 37 hinter der empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung 9 angeordnet. Der Arbeitsabstand 37 ist erfindungsgemäß kleiner als die Bildweite 25. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Arbeitsabstand 37 in etwa 2/3 der Bildweite 25.
Die Messanordnung 1 umfasst bevorzugt auch wenigstens eine Lichtquelle 39 zur Erzeugung bzw. Aussendung des Messlichts 7. Die Lichtquelle 39 ist bevorzugt eine quasi-Punktlichtquelle, insbesondere eine „Pinpoint“-LED. Der Begriff „quasi-Punktlichtquelle“ soll veranschaulichen, dass es sich zwar um eine kleine, annäherungsweise punktförmige, Lichtquelle handelt, diese aber aufgrund einer realen räumlichen Ausdehnung keine Punktlichtquelle im mathematischen Sinne ist.
Das von der Lichtquelle 39 ausgesendete Messlicht 7 wird bevorzugt durch eine zwischen dem Probenvolumen 19 und der Lichtquelle 39 angeordneten senderseitigen Strahlformungsvorrichtung 41 geformt, bzw. in der ersten Richtung 17 auf das Probenvolumen 19 fokussiert. In dem ersten Ausführungsbeispiel wird das Messlicht 7 durch die senderseitige Strahlformungsvorrichtung 41 in das Probenvolumen 19 in dieser ersten Richtung 17 fokussiert.
In der zweiten Richtung 27 wird das Messlicht 7 bevorzugt kollimiert, das heißt, das Licht verläuft in dieser Ebene, aufgespannt durch die zweite Richtung 27 und die Lichtausbreitungsrichtung 14, parallel. Dies ist beispielsweise in 2 dargestellt. Diese zwei Fokussierungen (oder auch mit anderen Worten die Fokussierung und die Kollimierung) benötigt zwei verschiedene Zylinderlinsenwirkungen in der ersten und in der zweiten Richtung 17 und 27.
Da die Lichtquelle 39 keine ideale Punktlichtquelle ist, gibt es keinen scharfen Fokus im Probenvolumen 19, sondern eine ausgedehnte Lichtscheibe 43, welche in der ersten Richtung 17 eine zumindest abschnittsweise konstante Dicke 45 aufweist. Die Dicke 45 ist kleiner als die Ausdehnung der Lichtscheibe in den Richtungen 14 und 27. Bevorzugt wird ein größerer Teil der Lichtscheibe 43 als Probenvolumen 19 verwendet. Das Probenvolumen 19 ist daher im Wesentlichen flach. Durch die räumliche Ausdehnung der Lichtscheibe 43 ist eine Toleranz in Bezug auf die Position des Objekts 3 in die Richtungen 14 und 27 gegeben. Dadurch, dass die Lichtscheibe 43 in der zweiten Richtung 27 grösser ist als das Probevolumen 19, wird eine weitere Toleranz gegenüber Positionstoleranzen der Sendelichtquelle 39 und dessen Optik erreicht.
Die Messanordnung 1 kann ferner einen bewegbaren Objektträger 47 umfassen, auf dem ein Objekt 3 anordbar ist und mit dem ein Objekt 3 in das Probenvolumen 19 bewegbar ist. Bevorzugt ist der Objektträger 47 parallel zur ersten Richtung 17 bewegbar, vorzugsweise automatisch bewegbar. Beispielsweise kann der Objektträger 47 elektrisch verfahrbar sein. Durch die Bewegung des Objektträgers 47 kann eine Eindringtiefe bzw. Eintauchtiefe 65 eines Objekts 3 in das Probenvolumen 19 gesteuert werden.
Durch die erfindungsgemäße Messanordnung 1 ist die Toleranz gegenüber Justagefehlern bzw. Montagefehlern erhöht. Zumindest gegenüber einer Anordnung, bei der die Detektionsvorrichtung 29 im Fokus 23, also im Abstand der Bildweite 25 zur empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung 9 angeordnet wäre. Wäre beispielsweise die Lichtquelle in der ersten Richtung 17 verschoben, so würde sich die Verschiebung auf den Strahlengang 5 auswirken, sodass auch das Messlicht 7 in der ersten Richtung 17 im Fokus 23 nicht auf der optischen Achse 51 (also der Verbindungslinie zwischen Sender- und Empfängeroptik) liegen würde, sondern in der ersten Richtung 17 versetzt. Eine in erster Richtung 17 in Höhe des Fokus 23 und auf der optischen Achse 51 angeordnete Detektionsvorrichtung 29 wäre dann außerhalb des Messlichts 7 und würde kein Signal empfangen. Die Erkennung der Präsenz des Objektes 3 wäre dadurch unmöglich.
Aufgrund der Anordnung der Detektionsvorrichtung 29 in einem Arbeitsabstand 37, der kleiner als die Bildweite 25 ist, ist die Abbildung des Objekts 3 auf die Detektionsvorrichtung 29 zwar unscharf im Vergleich zu einer Anordnung im Fokus 23. Es ist aber sichergestellt, dass zumindest bei einer geringfügigen Dejustage stets noch Messlicht 7, welches auch Informationen über den Schattenwurf 21 enthält, auf die Detektionsvorrichtung 29 trifft und detektiert werden kann.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand des Strahlenganges einer vorteilhaften zweiten Ausführungsform mit Bezug auf die 4 bis 6 beschrieben. Der Kürze halber wird dabei nur auf die Unterschiede zu der mit Bezug auf die 1 bis 3 beschriebene Ausführungsform eingegangen.
Im Gegensatz zur zuvor beschriebenen Ausführungsform mit senderseitiger Strahlformungsvorrichtung 41, die das Messlicht 7 in der ersten Richtung 17 fokussiert und in der zweiten Richtung 27 kollimiert, wird das Licht in dieser Ausführungsform in der zweiten Richtung 27 stärker gebündelt, sodass auch in der zweiten Richtung 27 ein Fokus entsteht. Es wird dabei ein hinter dem Objekt 3 liegender Zwischenfokus 49 für die Fokussierung in der zweiten Richtung 27 erzeugt.
Wie bei der ersten Ausführungsform durchläuft das Messlicht 7 anschließend die empfangsseitige Strahlformungsvorrichtung 9 und wird von dieser zumindest in der ersten Richtung 17 zu einer Bildweite 25 fokussiert, wobei die Detektionsvorrichtung 29, wie gehabt, vor dem Fokus 23 angeordnet ist. Der Arbeitsabstand 37 ist bei der zweiten Ausführungsform in etwa wie bei der ersten Ausführungsform.
In der zweiten Richtung 27 erzeugt die empfangsseitige Strahlformungsvorrichtung ein im Wesentlichen paralleles Strahlenbündel, um den Schattenwurf 21 sauber auf die Detektionsvorrichtung 29 abzubilden.
Im Folgenden ist eine dritte vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messanordnung mit Bezug auf die 7 beschrieben. Wie zuvor wird auch hier nur auf die Unterschiede zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen eingegangen.
Bei der dritten vorteilhaften Ausführungsform ist die Detektionsvorrichtung 29 in einem Arbeitsabstand 37 zur empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung 9 angeordnet, welcher in etwa der halben Bildweite 25 entspricht. Bevorzugt beträgt der Arbeitsabstand 30 bis 70 %, besonders bevorzugt 40 bis 60 % der Bildweite 25. Ansonsten kann der Aufbau der Messanordnung 1 dem der ersten oder der zweiten Ausführungsform entsprechen, je nachdem wie die Fokussierung in der zweiten Richtung 27 erfolgt.
Im Folgenden ist der Vorteil dieser Ausführungsform beschrieben, wobei sich das Prinzip auch auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen anwenden lässt. Um den Vorteil der Ausführungsform zu verdeutlichen, ist die Messanordnung mit einer geringen Dejustage der Lichtquelle 39 dargestellt:

Die Lichtquelle 39 ist in der ersten Richtung 17 verschoben. In 7 ist die Lichtquelle 39 in der ersten Richtung 17 nach oben verschoben. Diese Verschiebung erscheint im Bereich des Objekts 3 als Verschiebung nach unten, jeweils in Bezug auf eine ideale optische Achse 51 betrachtet.

Hinter dem Objekt 3 trifft das Messlicht 7 eher im unteren Bereich auf die empfangsseitige Strahlformungsvorrichtung 9, wobei einige Strahlen des Messlichts 7 an der Strahlformungsvorrichtung 9 vorbeigehen.
Nach der empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung 9 ist das Messlichts 7 wieder nach oben verschoben, sodass im Bereich des Fokus 23 eine Abbildung des Objekts 3 oberhalb der optischen Achse 51 läge.
Wäre nun eine Detektionsvorrichtung 29 auf Höhe der optischen Achse 51 angeordnet, könnte es sein, dass die Abbildung des Objekts 3 vollständig außerhalb der Detektionsvorrichtung 29 läge.
Durch die Anordnung der Detektionsvorrichtung 29 dagegen in einem Arbeitsabstand 37, der in etwa der Hälfte der Bildweite 25 entspricht, wird zwar generell weniger Messlicht empfangen, da das empfangene Messlicht 7 noch zu wenig fokussiert ist. Das empfangene Messlicht 7 trifft aber unabhängig von der Verschiebung der Lichtquelle 39 nahezu ähnlich auf die Detektionsvorrichtung 29 auf. Die empfangene Lichtmenge verändert sich durch diese Verschiebung nur unwesentlich, obwohl die empfangsseitige Strahlformungsvorrichtung 9 nicht vollständig ausgeleuchtet ist. Durch die bewusst nicht ideale Fokussierung wird darüber hinaus auch eine Toleranz gegenüber Verschiebungen der Detektionsvorrichtung 29 erreicht. Diese muss nicht exakt auf der optischen Achse 51 liegen.
Generell gilt, dass die Detektionsvorrichtung 29 bevorzugt zwischen 25 % und 80 % der Bildweite 25 angeordnet werden kann. Je stärker die Unempfindlichkeit gegenüber Verschiebungen der Lichtquelle 39 oder der Detektionsvorrichtung 49 sein soll, desto weiter sollte die Detektorvorrichtung 29 von dem Fokus 23 entfernt sein. Ist dagegen eine hohe Signalstärke gewünscht, sollte die Detektionsvorrichtung 29 näher am Fokus 23 liegen. Idealerweise liegt die Detektionsvorrichtung 29 in einem Arbeitsabstand 37 bei dem die Strahlen des Messlichts 7 die optische Achse hinter der Strahlformungsvorrichtung 9 wieder schneiden. Dies ist in 7 im Abstand 37 gegeben: es treffen ähnlich viele Strahlen unter wie über der optischen Achse auf die Detektionsvorrichtung 29 auf.
Im Folgenden ist eine vierte vorteilhafte Ausführungsform der Messanordnung 1 mit Bezug auf die 8 und 9 beschrieben. Auch hier ist lediglich auf die Unterschiede zu den zuvor genannten Ausführungsformen eingegangen. In der 9 sind lediglich zur Anschauung Staubkörner 52 auf den Brechungselementen 59 und 11 dargestellt. Die Staubkörner 52 sind übertrieben groß dargestellt.
Die Messanordnung 1 der vierten Ausführungsform unterscheidet sich von den vorangegangenen Ausführungsformen durch die Anwesenheit von Umlenkelementen 53, 55, 57 im Strahlengang 5. Ohne die Umlenkelemente 53, 55, 57 entspräche der Strahlengang 5 dem der zweiten Ausführungsform, welche oben mit Bezug auf die 4 bis 6 beschrieben ist.
Durch die Umlenkelemente 53, 55, 57 kann die Messanordnung 1 kompakt gebildet sein. Insbesondere kann sie als Teil einer Gabellichtschranke 60 (gestrichelt angedeutet in 8) gebildet sein.
Ein erstes, senderseitiges Umlenkelement 53 ist zwischen der Lichtquelle 39 und dem Probenraum 19 angeordnet. Das senderseitige Umlenkelement 53 ist bevorzugt ein Prisma, welches das Messlicht 7 in einem 90°-Winkel umlenkt. Bevorzugt ist das senderseitige Umlenkelement 53 Teil der senderseitigen Strahlformungsvorrichtung 41.
Besonders bevorzugt ist die senderseitige Strahlformungsvorrichtung 41 ein einziges, monolithisches Bauteil, was das senderseitige Umlenkelement 53 und ein senderseitiges Brechungselement 58, insbesondere eine Zylinderlinsenfläche bei der Lichteintrittsseite, und / oder ein weiteres senderseitiges Brechungselement 59, insbesondere eine Zylinderlinsenfläche bei der Lichtaustrittsseite, umfasst. Die beiden senderseitigen Brechungselemente 58 und 59 wirken zur Hauptsache je in einer anderen Richtung, dass eine hauptsächlich in die erste Richtung 17, das zweite hauptsächlich in die zweite Richtung 27.
Besonders bevorzugt ist die senderseitige Strahlformungsvorrichtung 41 mit den senderseitigen Brechungselementen 58 und 59 und dem senderseitigen Umlenkelement 53 als monolithisches Kunststoffspritzteil 61 gebildet. Alternativ dazu kann es auch als monolithisches Bauteil aus einem anderen Material, beispielsweise aus Glas, gebildet sein.
Zwischen dem Probenvolumen 19 und der Detektionsvorrichtung 29 sind zwei empfangsseitige Umlenkelemente 55 und 57 angeordnet. Ein erstes empfangsseitiges Umlenkelement 55 ist hinter dem empfangsseitigen Brechungselement 11 und vor dem empfangsseitigen Brechungselement 12 angeordnet und ist zusammen mit diesem Teil der empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung 9.
Das erste empfangsseitige Umlenkelement 55 und die beiden empfangsseitige Brechungselemente 11 und 12 sind bevorzugt Teil einer monolithisch gebildeten empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung 9. Wie die senderseitige Strahlformungsvorrichtung 41 ist auch die empfangsseitige Strahlformungsvorrichtung 9 bevorzugt ein Kunststoffspritzteil 63.
Das erste empfangsseitige Umlenkelement 55 ist bevorzugt ebenfalls ein Prisma, welches das Messlicht 7 in einem 90°-Winkel umlenkt.
Bevorzugt ist zwischen der empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung 9 und der Detektionsvorrichtung 29 ein zweites empfangsseitiges Umlenkelement 57 angeordnet, welches das Messlicht 7 wiederum in einem 90°-Winkel auf die Detektionsvorrichtung 29 umlenkt.
In einer weiteren (nicht dargestellten) Ausführungsform werden die Umlenkelemente 55 und 57 sowie das empfangsseitige Brechungselement 11 zusammengefasst zu einem einzigen monolithischen Teil. Auf die strahlbrechende Oberfläche 12 muss dann verzichtet werden und der Strahlengang, der in der oben beschriebenen Ausführungsform zwischen der Oberfläche 12 und Umlenkelement 57 verläuft, läuft dann vollständig in diesem monolithischen Teil. Das hat den Vorteil tieferer Kosten, zumindest im Fall der Detektion kleinster Teile mit einer stark miniaturisierten Vorrichtung, da dann auf die Herstellung und Montage eines zusätzlichen Teils verzichtet werden kann, sowie den Vorteil höherer Stabilität, da die Strahlumlenkung nur noch von den Winkelfehlern im Teil, aber nicht mehr von den Winkelfehlern der Montage der beiden Teile beeinträchtigt wird. Der Fehlereinfluss des Montage-Winkelfehlers des Doppelprismas fällt dann sogar ganz weg.
Weiter kann die Fokussierung des Lichtes sowohl beim Sender als auch beim Empfänger von den brechenden Ein- und Austrittsflächen auf die reflektierende Umlenkfläche verlagert werden. Dabei wird diese Umlenkfläche (diese Umlenkflächen) mit einer vorzugsweisen zylindrischen Wölbung versehen, die die Strahlfokussierung oder -bündelung übernimmt.
Im Folgenden ist beispielhaft auf die Präsenzerkennung eines Objekts 3 im Strahlengang 5 mit Bezug auf die 10 bis 13 eingegangen. Die im Folgenden beschriebene Präsenzerkennung kann prinzipiell mit jeder der zuvor beschriebenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Messanordnung 1 durchgeführt werden.
Es wird dabei davon ausgegangen, dass ein Objekt 3 auf einem Objektträger 47 von einem Bereich außerhalb des Probenvolumen 19 bzw. der Lichtscheibe 43 in das Probenvolumen 19 hinein bewegt wird, wobei zu verschiedenen Zeitpunkten und dadurch bei verschiedenen Eintauchtiefen 65 mit der Detektionsvorrichtung 29 gemessen wird.
Lediglich beispielhaft ist hier bei sieben verschiedenen Eintauchtiefen 65a bis 65g gemessen. Die Eintauchtiefe 65a betrifft dabei eine Eintauchtiefe, wobei das Objekt noch außerhalb des Strahlengangs 5 bzw. des Probenvolumens 19 angeordnet ist.
In 10 sind auf der Abszissenachse (X-Achse) die Detektionszellen 35, bzw. Pixel 35 aufgetragen. Auf der Ordinatenachse (Y-Achse) ist die empfangene Signalstärke 67 der einzelnen Zellen 35 aufgetragen. Die Signalstärke 67 ist dabei als relative Signalstärke 67 aufgetragen, also in Bezug auf die volle Ausleuchtung der Zellen 35, die auf der Y-Achse bei 100 liegt.
Auch ist ein Messbereich 69 eingezeichnet, der die tatsächlich zur Messung verwendeten Zellen 35 markiert.
Je größer die Eintauchtiefe 65 ist, desto stärker ist der Schattenwurf 21 zu sehen bzw. auch von den Zellen 35 detektiert. Ebenfalls gilt, dass bei größerer Eintauchtiefe 65 mehr Zellen 35 den Schattenwurf 21 empfangen. Die starke Verbreiterung des Schattenwurfs im oberen Teil bei Eintauchtiefen 65f und 65g stammt allerdings vom Objektträger, der in diesem Beispiel breiter ist als das Objekt selbst. Bei der größten Eintauchtiefe 65g ist die relative Signalstärke 67 von einigen Zellen 35 annähernd null. Bei den Zellen 35, die in der Mitte des Schattenwurf 21 liegen, findet also eine starke Abschattung statt.
Die 11 zeigt den Verlauf der Signalstärke 67 für ausgewählte Zellen 35 bzw. Pixel in Abhängigkeit der Eintauchtiefe 65, hier in Mikrometern. Die 12 zeigt eine ähnliche Abbildung jedoch für einen Objektträger 47 ohne Objekt 3.
In 13 sind die Signalverläufe aus den 11 und 12 für den Pixel, bzw. die Zelle mit der Nummer 14 aufgetragen. Dabei zeigt die gestrichelte Linie die Messung nur mit dem Objektträger 47 und die durchgehende Linie eine Messung für den Objektträger 47 mit einem darauf angeordneten Objekt 3.
In 13 sind die Signale in Funktion der Eintauchtiefe dargestellt. Die hier vorgestellte Vorrichtung bzw. das Verfahren kann die Signale in Funktion der Eintauchtiefe nur erfassen, wenn von einer Steuerung des Eintauchmechanismus (Roboterarm oder eine mechanische Bewegungsachse) die aktuelle Position der Eintauchtiefe übermittelt wird. In Realität wird dies selten der Fall sein, sondern die Steuerung wird das Eintauchen mit einer einigermaßen konstanten Geschwindigkeit veranlassen. Damit kennt die Vorrichtung zwar die Eintauchtiefe nicht, kann aber den Zeitpunkt, wann ein Objekt genügend eingetaucht ist, bestimmen. In diesem Fall kann die horizontale Achse in 12 und 13 durch eine Zeitachse ersetzt werden. Der Kurvenverlauf sieht dabei genau gleich aus, nur die Zahlen auf der Abszisse würden andere sein. Die Zeit der Unterschreitung beim Eintauchen oder der Überschreitung beim wieder „Auftauchen“ aus dem Messbereich 19 kann von der Vorrichtung einfach gemessen werden. Die Eintauchtiefe oder der Eintauchzeitpunkt kann auch per digitaler Datenübertragung an die Steuerung übermittelt werden.
In einer weiteren Version kann der gemessene Zeitpunkt des Ein- oder Auftauchens eines Objekts in den Messbereich 19 auch mit einer exakt definierten Messverzögerung mit einem Schaltpuls ausgegeben werden. Falls die Messverzögerung möglichst kurz ist und der Schaltpuls möglichst schnell ausgegeben werden soll, wird allerdings nicht die bestmögliche Genauigkeit erreicht. Eine Interpolation zwischen verschiedenen Messpunkten vor und nach der Schaltschwelle kann dann nicht durchgeführt werden.
In 13 ist deutlich zu erkennen, dass die durchgehende Linie bereits bei einer geringeren Eintauchtiefe 65 zu einem Abfall der Signalstärke 67, also zu einer Abschattung, führt. Es kann eine Schwelle 71 definiert werden, welche in 13 bei einer beispielhaften 50-prozentigen Signalstärke liegt. Die Schwelle 71 kann herangezogen werden um die Eintauchtiefe des Objekts 3, beziehungsweise des Objektträgers 47 mit oder ohne Objekt 3 zu bestimmen. Wie im vorherigen Absatz erwähnt, wird in den meisten Anwendungen eher der Zeitpunkt bestimmt, wann das Objekt 3 so weit eingetaucht ist, dass die Schaltschwelle unter- oder überschritten wurde Die Berücksichtigung der beiden Messungen, einmal mit und einmal ohne Objekt ermöglicht dann die eindeutige Erkennung einer Präsenz des Objekts 3.
Um die Auswertung zu automatisieren kann in einem ersten Schritt bei den Signalen, wie sie in 10 dargestellt sind, zunächst ein Minimum gesucht werden um die Pixel 35 mit der stärksten Abschattung zu finden.
Hierbei können auch die Signale bei verschiedenen Eintauchtiefen 65 verglichen werden. Wird beispielsweise festgestellt, dass bei einem Pixel 35 eine starke, insbesondere dauerhafte, Abschattung bzw. Signalabschwächung unabhängig von der Eintauchtiefe 65 vorhanden ist, kann dies auf eine Verunreinigung der Zelle 35 hinweisen. Das Signal dieser Zelle 35 könnte dann um den Abschwächungsfaktor dividiert werden, womit die dauerhafte Abschwächung beispielsweise durch Verschmutzung einer Frontfläche oder einer Fehlfunktion des Pixels (Zelle 35), kompensiert werden könnte oder diese Zelle 35 könnte allenfalls sogar ignoriert werden.
Die Genauigkeit des Verfahrens kann weiter verbessert werden, wenn bei den Signalstärken 67 für einzelne Zellen 35, wie dies in 13 dargestellt ist, eine lineare Interpolation zwischen den einzelnen Messungen durchgeführt wird. Dies ist in 13 auch mit der durchgezogenen Linie bzw. gestrichelten Linie angedeutet.
Die Genauigkeit des Verfahrens kann noch weiter verbessert werden durch eine lineare Interpolation zwischen drei oder noch mehr Messungen, möglichst für alle Messungen, die im mittleren, linearen Bereich, also etwa zwischen 20 und 80 % der maximalen Werte, beziehungsweise in der Nähe der Schaltschwelle 71 liegen. Hierdurch kann die geforderte hohe Messgenauigkeit des Eintauchzeitpunktes bei einer hohen Eintauchgeschwindigkeit berechnet werden. Vorzugsweise durch die Messanordnung 1 oder die Lichtschranke 60, die dazu bevorzugt eine Datenverarbeitung beispielsweise in Form eines Mikroprozessors enthält.
Die Genauigkeit des Verfahrens wird nochmals weiter verbessert, wenn die Messpunkte deutlich vor dem Eintauchen, sowie nach dem Eintauchen, wenn das Objekt 3 mit Objektträger 47 komplett in des Messbereich 19 eingetaucht ist, auch mit gemessen und mitberücksichtigt werden können. Damit kann jede Zelle 35, die hier ausgewertet wird, einzeln auf volles Signal (kein Eintauchen) und auf Leersignal (komplettes Eintauchen) skaliert oder kalibriert werden. Dies kann bei jedem Tauchvorgang neu gemacht werden, womit auch sich zeitlich langsam verändernde Bedingungen wie allenfalls störendes Umgebungslicht oder minimale mechanische Belastungen, die zu Signaländerungen führen könnten, kompensiert werden können. Das Leersignal kann dazu als Nullpunkt der Signalstärke gesetzt werden und das volle Signal als 100 %.

Claims

Optische Messanordnung (1) zur Präsenzerkennung kleiner Objekte (3) in einem Strahlengang (5) für Messlicht (7), mit wenigstens einer im Strahlengang (5) angeordneten empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung (9), durch die das durch ein Probenvolumen (19) im Strahlengang (5) transmittierte Messlicht (7) in einer senkrecht zum Strahlengang (5) orientierten ersten Richtung (17) zu einer Bildweite (25) fokussierbar ist und mit wenigstens einer im Strahlengang (5) angeordneten Detektionsvorrichtung (29) zur Detektion des durch die empfangsseitige Strahlformungsvorrichtung (9) transmittierten Messlichts (7), dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Detektionsvorrichtung (29) in einem Arbeitsabstand (37) zur empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung (9) angeordnet ist, der kleiner als die Bildweite (25) ist.
Optische Messanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Messanordnung (1) ferner wenigstens eine Lichtquelle (39) zum Aussenden des Messlichts (7) umfasst.
Optische Messanordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine im Strahlengang (5) angeordnete senderseitige Strahlformungsvorrichtung (41) vorgesehen ist, durch die das von der Lichtquelle (39) erzeugte Messlicht (7) zumindest in der ersten Richtung (17) in das Probenvolumen (19) fokussierbar ist.
Optische Messanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Probenvolumen (19) und der Lichtquelle (39) wenigstens ein Umlenkelement (53, 55, 57) angeordnet ist, durch das das Messlicht (7) auf dem Strahlengang (5) umlenkbar ist.
Optische Messanordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Umlenkelement (53, 55, 57) Teil wenigstens einer Strahlformungsvorrichtung (9, 41) ist.
Optische Messanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Probenvolumen (19) und der Detektionsvorrichtung (29) wenigstens ein Umlenkelement (53, 55, 57) angeordnet ist, durch das das Messlicht (7) auf dem Strahlengang (5) umlenkbar ist.
Optische Messanordnung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Umlenkelement (53, 55, 57) monolithisch mit wenigstens einem Brechungselement (11, 59) wenigstens einer Strahlformungsvorrichtung (9, 41) gebildet ist.
Optische Messanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Strahlformungsvorrichtung (9, 41) ein Kunststoffspritzteil (61, 63) ist.
Optische Messanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Detektionsvorrichtung (29) einen Zeilendetektor (31) mit einer Reihe (33) von Detektionszellen (35) umfasst, wobei sich die Reihe (33) entlang einer senkrecht zum Strahlengang (5) und zur ersten Richtung (17) verlaufenden zweiten Richtung (27) erstreckt.
Optische Messanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die senderseitige Strahlformungsvorrichtung (41) doppelt zylindrische Linsenwirkung hat, die das durch die Lichtquelle (39) erzeugte Messlicht (7) in der ersten Richtung (17) exakt in das Probenvolumen (19) fokussiert und in der zweiten Richtung kollimiert.
Optische Messanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Messanordnung (1) femer wenigstens einen bewegbaren Objektträger (47) umfasst, durch den wenigstens ein zu messendes Objekt (3) in das Probenvolumen (19) bewegbar ist.
Verfahren zum optischen Erkennen der Präsenz eines Objekts (3) in einem Probenvolumen (19), umfassend die folgenden Verfahrensschritte: Fokussieren von Messlicht (7) entlang eines Strahlenganges (5) in einer, senkrecht zum Strahlengang (5) orientierten ersten Richtung (17) in einem Probenvolumen (19); und Aufsammeln des durch das Probenvolumen (19) hindurch transmittierten Messlichts (7), gekennzeichnet durch das Fokussieren des Messlichts (7) durch wenigstens eine empfangsseitige Strahlformungsvorrichtung (9) in der ersten Richtung (17) und das Detektieren des Messlichts (7) in einem Arbeitsabstand (37) zur Strahlformungsvorrichtung (9), der kleiner als eine Bildweite (25) der empfangsseitigen Strahlformungsvorrichtung (9) ist.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch das automatische Einbringen eines auf einem Objektträger (47) angeordneten Objekts (3) in unterschiedliche Eintauchtiefen (65) in das Probenvolumen (19) und durch das Detektieren des Messlichts (7) bei verschiedenen Eintauchtiefen (65).
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, gekennzeichnet durch das automatische Bestimmen der Position, insbesondere der Eintauchtiefe (65) eines Objekts (3) in dem Probenvolumen, insbesondere in der ersten Richtung (17).