DE10238075B4 - Optical sensor - Google Patents
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Abstract
Optischer Sensor zur Erfassung von Objekten (2) in einem Überwachungsbereich, mit zwei in einem Abstand d angeordneten Sendern (5, 5'), welche von zwei auf einem Chip (13) integrierten Laserdioden gebildet sind, mit einer Kollimationslinse, mittels derer die von den Sendern (5, 5') emittierten Sendelichtstrahlen (4, 4') kollimiert sind, so dass diese parallel und in Abstand zueinander verlaufen, mit zwei Empfängerzeilen (6, 6'), welche mit parallel verlaufenden Längsachsen in einem Abstand d' angeordnet sind, so dass die von einem im Überwachungsbereich angeordneten Objekt (2) zurückreflektierten Sendelichtstrahlen (4) des ersten Senders (5) auf die erste Empfängerzeile (6) zur Durchführung einer ersten Distanzmessung und die zurückreflektierten Sendelichtstrahlen (4') des zweiten Senders (5') auf die zweite Empfängerzeile (6') zur Durchführung einer zweiten Distanzmessung geführt sind, und mit einer Auswerteeinheit (8), in welcher aus den Ausgangssignalen der Empfängerzeilen (6, 6') ein Objektfeststellungssignal generiert wird.optical Sensor for detecting objects (2) in a surveillance area, with two at a distance d arranged transmitters (5, 5 '), which of two On a chip (13) integrated laser diodes are formed, with a collimating lens, by means of which the of the transmitters (5, 5 ') emitted transmitted light beams (4, 4 ') are collimated, so that these are parallel and spaced apart, with two receiver lines (6, 6 '), which with parallel longitudinal axes at a distance d 'are arranged so that the one arranged in the monitoring area Object (2) reflected back Transmitted light beams (4) of the first transmitter (5) on the first receiver line (6) to be carried out a first distance measurement and the back-reflected transmitted light beams (4 ') of the second transmitter (5') to the second receiver line (6 ') to carry out guided a second distance measurement are, and with an evaluation unit (8), in which from the output signals the recipient lines (6, 6 ') an object detection signal is generated.
Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor.The The invention relates to an optical sensor.
Derartige optische Sensoren dienen zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich. Dabei sind diese optischen Sensoren vorzugsweise als Distanzsensoren ausgebildet, mittels derer die Distanzen eines Objektes im Überwachungsbereich bestimmt werden können.such Optical sensors are used to detect objects in a surveillance area. In this case, these optical sensors are preferably as distance sensors formed by means of which the distances of an object in the surveillance area can be determined.
Aus
der
Mit diesem optischen Sensor können die Distanzen von Objekten zwar äußerst genau bestimmt werden.With this optical sensor can the distances of objects are extremely accurate be determined.
Jedoch ist die Distanzmessung in unerwünschter Wese abhängig von den Oberflächenstrukturen der Objekte. Durch Inhomogenitäten der Objektoberfläche, insbesondere durch hohe Kontrastunterschiede wie Kanten an Helldunkelübergängen wird die Triangulationsmessung in unerwünschter Weise beeinträchtigt, da die Lage und Form des auf die Empfangselemente des Empfängers abgebildeten Lichtflecks von dieser Oberflächenbeschaffenheit des Objekts abhängig ist.however is the distance measurement in unwanted Wese dependent from the surface structures the objects. By inhomogeneities the object surface, especially by high contrast differences such as edges on light-dark transitions interferes with the triangulation measurement in an undesirable manner, as the location and shape of the imaged on the receiving elements of the receiver Light spot of this surface texture of the Object dependent is.
Die
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Die 198 39 830 A1 betrifft einen Sensor mit einem Sender und einer mehrkanaligen CCD-Sensoranordnung.The 198 39 830 A1 relates to a sensor with a transmitter and a multi-channel CCD sensor array.
Die
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Die
Druckschrift
Die
Druckschrift
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der eingangs genannten Art mit einer erweiterten Funktionalität, einer hohen Nachweisempfindlichkeit und hohen Störsicherheit bereitzustellen.Of the Invention is based on the object, an optical sensor of of the type mentioned above with an extended functionality, one provide high detection sensitivity and high interference immunity.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.to solution This object, the features of claim 1 are provided. advantageous embodiments and appropriate training The invention are described in the subclaims.
Der erfindungsgemäße optische Sensor dient zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich und weist zwei in einem Abstand d angeordnete Sender auf, welche von zwei auf einem Chip integrierten Laserdioden gebildet sind. Mit einer Kollimationslinse, werden die von den Sendern emittierten Sendelichtstrahlen kollimiert, so dass diese parallel und in Abstand zueinander verlaufen. Zwei Empfängerzeilen, sind mit parallel verlaufenden Längsachsen in einem Abstand d' angeordnet, so dass die von einem im Überwachungsbereich angeordneten Objekt zurückreflektierten Sendelichtstrahlen des ersten Senders auf die erste Empfängerzeile zur Durchführung einer ersten Distanzmessung und die zurückreflektierten Sendelichtstrahlen des zweiten Senders auf die zweite Empfängerzeile zur Durchführung einer zweiten Distanzmessung geführt sind. In einer Auswerteeinheit, wird aus den Ausgangssignalen der Empfängerzeilen ein Objektfeststellungssignal generiert.Of the according to the invention optical Sensor is used to detect objects in a surveillance area and has two spaced at a distance d transmitter, which of two integrated on a chip laser diodes are formed. With a collimation lens, those emitted by the transmitters Transmitted light beams collimated so that they are parallel and spaced to each other. Two recipient lines, are with parallel longitudinal axes arranged at a distance d ', leaving one in the surveillance area rearranged arranged object Transmission light beams of the first transmitter to the first receiver line to execution a first distance measurement and the back-reflected transmitted light beams the second transmitter to the second receiver line to perform a second distance measurement are performed. In an evaluation unit, the output signals of the receiver lines become generates an object detection signal.
Jeder Sender und die diesem zugeordneten Empfängerzeile bilden ein Distanzsensorelement. Mit diesen Distanzsensorelementen können gleichzeitig zwei Distanzwerte ermittelt werden. Dadurch wird eine erweiterte Funktionalität des erfindungsgemäßen optischen Sensors gegenüber herkömmlichen optischen Sensoren mit einem Distanzsensorelement erhalten.Everyone Transmitter and the associated receiver line form a distance sensor element. With these distance sensor elements can two distance values are determined simultaneously. This will be a extended functionality of the optical according to the invention Sensors opposite usual obtained optical sensors with a distance sensor element.
Die Funktionalität des optischen Sensors kann durch geeignete Verknüpfungen der Ausgangssignale beider Empfängerzeilen weiter erhöht werden. Beispielsweise kann durch Auswertung des zeitlichen Verlaufs der Ausgangssignale beider Empfängerzeilen die Geschwindigkeit sowie die Bewegungsrichtung eines Objektes im Überwachungsbereich erfasst werden.The functionality of the optical sensor can by suitable links of the output signals both recipient lines further increased become. For example, by evaluating the time course the output signals of both receiver lines the speed and the direction of movement of an object in the surveillance area be recorded.
Besonders vorteilhaft erfolgt in der Auswerteeinheit einer Amplitudenbewertung der Ausgangssignale der Empfängerzeilen, wobei hierzu die Ausgangssignale insbesondere mit geeigneten Schwellwerten bewertet werden.Especially advantageously takes place in the evaluation of an amplitude evaluation the output signals of the receiver lines, in which case the output signals are in particular with suitable threshold values be rated.
Mittels der Schwellwerte können insbesondere binäre Schaltsignale generiert werden, welche als Objektfeststellungssignale am optischen Sensor ausgegeben werden können.through the thresholds can especially binary Switching signals are generated, which as object detection signals can be output at the optical sensor.
Durch den Vergleich der Amplituden der Ausgangssignale der beiden Empfängerseiten können Inhomogenitäten der Objektoberfläche und insbesondere Kontrastschwankungen auf der Objektoberfläche erfasst werden.By the comparison of the amplitudes of the output signals of the two receiver sides may be inhomogeneities of object surface and in particular recorded contrast fluctuations on the object surface become.
Diese Informationen können seinerseits zur Eliminierung von Störfaktoren bei der Distanzmessung verwendet werden. Beispielsweise kann durch den Vergleich der Ausgangssignale der Empfängerzeilen erfasst werden, ob die Amplituden oder Ausgangssignale einer Empfängerzeile gegenüber der anderen erhöht oder reduziert sind. Typischerweise sind die Amplituden der Ausgangssignale durch Störeinflüsse wie Inhomogenitäten auf der Objektoberfläche reduziert. Zur Minimierung der Störeinflusse wird dann vorzugsweise nur die Empfängerzeile zur Distanzmessung herangezogen, welche die Ausgangssignale mit den höheren Amplitudenwerten liefert. Mit derartigen Auswerteverfahren können insbesondere auch sogenannte Schwarz-Weißfehler eliminiert werden. Hierbei handelt es sich um Verfälschungen der Distanzmessung, die dadurch bewirkt werden, dass der Lichtfleck der Sendelichtstrahlen eines Senders auf eine Kontrastkante trifft. Dadurch wird ein Teil des Lichtflecks stark, der andere Teil des Lichtflecks schwach zur Empfängerzeile zurückreflektiert, wodurch eine Verschiebung des auf die Empfängerzeile abgebildeten Lichtflecks bezüglich einer Detektion einer homogenen Oberfläche erhalten wird. Diese Verschiebung wiederum führt zu einem Fehler bei der Distanzmessung.These Information can in turn, to eliminate interference factors in the distance measurement be used. For example, by comparing the output signals the recipient lines be detected, whether the amplitudes or output signals of a receiver line across from the other increases or reduced. Typically, the amplitudes of the output signals by disturbances like inhomogeneities on the object surface reduced. To minimize the interference is then preferably only the recipient line used for distance measurement, which with the output signals the higher one Provides amplitude values. In particular, with such evaluation methods also so-called black and white defects be eliminated. These are adulterants the distance measurement, which are caused by the light spot the transmission light beams of a transmitter hits a contrast edge. As a result, one part of the light spot becomes strong, the other part of the light spot weak to the recipient line reflected back, whereby a shift of the light spot imaged on the receiver line with regard to one Detection of a homogeneous surface is obtained. This shift in turn leads to an error in the Distance measurement.
Prinzipiell ist zur Reduzierung von Störeinflüssen auch eine Mittelung der Ausgangssignale beider Empfängerzeilen denkbar.in principle is also for reducing interference an averaging of the output signals of both receiver lines conceivable.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann der optische Sensor zur Kantendetektion, d.h. zur Erfassung von Kontrastkanten eines Objektes eingesetzt werden. Auch hier wird eine Amplitudenbewertung der Ausgangssignale der Empfängerzeilen vorgenommen. Dabei liegt eine Kante dann vor, wenn die Amplituden, vorzugsweise die Maximalamplitude, einer Empfängerzeile signifikant größer sind als die Amplituden der Ausgangssignale der jeweils anderen Empfängerzeile.In an advantageous embodiment According to the invention, the optical sensor for edge detection, i. be used for detecting contrast edges of an object. Again, an amplitude evaluation of the output signals of receiver line performed. An edge is present when the amplitudes, preferably the maximum amplitude, a receiver line are significantly larger as the amplitudes of the output signals of the other receiver line.
Dieses Auswerteverfahren kann auch zur Objektzählung, insbesondere zur Schuppenzählung bei übereinanderliegenden Papierbögen in Druckmaschinen oder dergleichen eingesetzt werden.This Evaluation method can also for object counting, in particular for Schuppenzählung at superimposed sheets of paper used in printing machines or the like.
Bei derartigen Schuppenzählungen muss die Kante eines Papierbogens erfasst werden, welche auf einem darunter liegenden zweiten Papierbogen liegt. Die Erfassung einer derartigen Schuppung ist im Rahmen einer Distanzmessung aufgrund der geringen Dicken der Papierbögen oftmals nicht möglich. Jedoch liefert die Schuppung einen Kontrastunterschied in Form einer Kontrastkante, die mit dem erfindungsgemäßen optischen Sensor erfassbar ist. Werden die Papierbögen unter den optischen Sensor durchbewegt, so können die einzelnen Schuppungen im optischen Sensor einzeln nacheinander erfasst und gezählt werden.In such scaly counts, the edge of a paper sheet lying on an underlying second sheet of paper must be detected. The detection of such scaling is in the context of a distance measurement due to the small thicknesses of the paper sheets often not possible. However, the scaling provides a contrast difference in the form of a contrast edge, which can be detected with the optical sensor according to the invention. If the paper sheets are moved under the optical sensor, the individual scales in the optical sensor can be recorded and counted one after the other.
Die Empfängerzeilen des optischen Sensors können prinzipiell von zwei diskreten CMOS-Zeilen oder CCD-Zeilen gebildet sein.The receiver line of the optical sensor can principally formed by two discrete CMOS lines or CCD lines be.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Empfängerzeilen Bestandteil eines flächigen CMOS- oder CCD-Arrays. Dabei werden von der Auswerteeinheit bevorzugt die Inhalte zweier einzelner parallel laufender Zeilen dieses Arrays ausgelesen, wobei diese Zeilen die Empfängerzeilen bilden.In a particularly advantageous embodiment of the invention the recipient lines component a flat CMOS or CCD arrays. In this case, preferred by the evaluation unit the contents of two single parallel running lines of this array read out, these lines form the recipient lines.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Lage der Empfängerzeilen relativ zueinander allein über die Auswahl der Zeilen des Arrays in der Auswerteeinheit vorgebbar ist und somit keinerlei Justage bedarf. Zudem ist das CMOS- bzw. CCD-Array einfach bezüglich des Chips mit den beiden Laserdioden ausrichtbar.One The main advantage of this arrangement is that the location the recipient lines relative to each other alone the selection of the rows of the array in the evaluation unit can be predetermined is and thus requires no adjustment. In addition, the CMOS or CCD array simple with respect of the chip alignable with the two laser diodes.
Die Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The The invention will be explained below with reference to the drawings. It demonstrate:
Der
optische Sensor
Jeder
Sender
Zur
Durchführung
der Distanzmessung wird in einer an die Empfängerzeilen
Wie
aus
Weiterhin
ist den Sendern
Den
Empfängerzeilen
Aus
den in der Auswerteeinheit
Dabei
verlaufen die großen
Halbachsen der Ellipsen der Strahlquerschnitte der Sendelichtstrahlen
Die
Empfängerzeilen
Mit
dem erfindungsgemäßen optischen
Sensor
Im einfachsten Fall werden beide Distanzmesswerte als Objektfeststellungssignal nacheinander oder parallel über einen oder mehrere Sensorausgänge ausgegeben.in the In the simplest case, both distance measured values are used as an object detection signal in succession or in parallel one or more sensor outputs output.
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt in der Auswerteeinheit
Dabei
können
einerseits die ermittelten Distanzwerte in der Auswerteeinheit
Mittels
der Verknüpfung
der Ausgangssignale der Empfängerzeilen
Dabei
wird bei Eindringen eines Objektes
Durch
einen geeigneten Vergleich der Amplitudenverläufe der Ausgangssignale beider
Empfängerzeilen
Derartige Inhomogenitäten können von lokalen Aufrauhungen einer ansonsten glatten Objektoberfläche gebildet sein.such inhomogeneities can formed by local roughening of an otherwise smooth object surface be.
Die
Sendelichtstrahlen
In
der Auswerteeinheit
Durch
fortlaufende Registrierung mehrerer aufeinanderfolgenden Messungen
mit beiden Empfängerzeilen
Die
Auswertung gemäß dem Ausführungsbeispiel
gemäß
Schließlich können in
der Auswerteeinheit
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