DE19626187C2 - Verfahren und Anordnung zur Detektion von Objekten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Detektion eines dünnen fadenförmigen Objektes, das sich an einem Ort innerhalb einer Meßstrecke befindet, wobei die Meßstrecke zwischen einer Quelle, die einen monochromatischen Strahl abgibt, und einer Empfangseinrichtung, die einen optoelektrischen Wandler umfaßt, verläuft.

Eine Detektion, ob sich an einer beliebigen Stelle einer größeren Meßstrecke ein kleines Objekt befindet, wird für verschiedene Überwachungsaufgaben benötigt. So ist beispielsweise bei der Herstellung von extrem feinen Geweben aus Metalldrähten eine Erkennung eines herabfallenden Drahtes erforderlich. Es wurde versucht, diese Aufgabe mit Lichtschranken zu lösen. In DE 42 00 777 A1 beispielsweise wird eine teilweise Unterbrechung des Lichtstrahls bei Anwesenheit eines Fadens zur Detektion des Fadens ausgenutzt. Nimmt der Faden jedoch nur einen kleinen Teil des Lichtstrahls ein, so ist der dadurch verursachte Signaleinbruch äußerst klein. Das Signal muß entsprechend verstärkt werden, wodurch der Unterbrechungsdetektor teuer und/oder störanfällig ist. Die Erfindung beschreitet geradezu den gegenteiligen Weg: der direkte Strahl wird zur Messung nicht ausgenutzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die möglicherweise kurzfristige Anwesenheit eines der genannten Objekte an einem beliebigen Ort einer Meßstrecke sicher zu erkennen und zur Anzeige zu bringen.

Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung dadurch gelöst, daß die Empfangseinrichtung eine dem Wandler optisch vorgeordnete, einen direkten Einfall des Strahls auf den Wandler verhindernde Lichtfalle derart aufweist, daß der Wandler lediglich von durch ein Objekt in verschiedene Richtungen gebeugter Strahlung beaufschlagbar ist. Die Auswertung kann in vorteilhafter Weise dadurch erfolgen, daß zur Auswertung des Ausgangssignals des optoelektrischen Wandlers eine Schwellwertschaltung vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht eine Detektion von dünnen fadenförmigen Objekten aus beliebigem Material - einschließlich durchsichtiger Objekte. Die Dicke der Objekte kann zwischen wenigen Mikrometern und einigen Millimetern liegen. Dabei kann sich das Objekt auch nur kurzzeitig an einem nahezu beliebigen Ort der Meßstrecke aufhalten. Die Länge der Meßstrecke kann an die jeweiligen Erfordernisse angepaßt werden und eine Länge von beispielsweise einem Dezimeter bis zu vielen Metern aufweisen.

Die Ausnutzung der Beugung ist zwar zur Messung des Durchmessers eines dünnen Drahtes bekannt (DE-AS 23 31 575). Damit sowohl der Hauptstrahl, der an sich eine wesentlich höhere Intensität aufweist, als auch Beugungsstrahlen zur Bestimmung des Abstandes der Maxima ausgewertet werden können, ist zur Dämpfung des Hauptstrahls ein optisches Filter vorgesehen. Dabei ist ferner eine genaue Führung des dünnen Drahtes zur Erzielung eines ausreichend genauen Meßergebnisses erforderlich und eine relativ komplizierte Vorrichtung mit beweglichen Teilen, die eine Art Abtastbewegung durchführt und deshalb zur Detektion von kurzfristig anwesenden Teilen nicht geeignet ist.

Ist bei dem jeweiligen Anwendungsfall die Zahl der Objekte von Interesse, so kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehen sein, daß Mittel zum Zählen von durch Überschreiten des Schwellwertes entstehenden Impulsen vorgesehen sind.

Die Ausschaltung von Störungen durch Fremdlicht, beispielsweise durch Beleuchtungseinrichtungen, kann gemäß einer Weiterbildung dadurch vermieden werden, daß der monochromatische Strahl moduliert ist und Mittel zur ausschließlichen Auswertung der entsprechend modulierten Ausgangssignale des optoelektrischen Wandlers vorgesehen sind. Eine dafür besonders gut geeignete Anordnung besteht darin, daß die Ausgangssignale des optoelektrischen Wandlers mit einem Login-Verstärker verstärkt werden. Ferner ist der monochromatische Strahl vorzugsweise kohärent.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann vorgesehen sein, daß vor dem optoelektrischen Wandler eine bündelnde optische Einrichtung (Sammellinse, Hohlspiegel) angeordnet ist. Bei genügend großem optoelektrischen Wandler kann die bündelnde optische Einrichtung auch entfallen.

Für die Anordnung der bündelnden optischen Einrichtung und der Lichtfalle sind an sich verschiedene Möglichkeiten gegeben. Eine mögliche Beeinträchtigung der Funktion durch aus der Lichtfalle austretendes von der bündelnden optischen Einrichtung weitergeleitetes Streulicht kann dadurch vermieden werden, daß die bündelnde optische Einrichtung hinter der Lichtfalle angeordnet und größer als die Lichtfalle ist.

Alternativ kann vorgesehen sein, daß die Lichtfalle in der Brennebene der bündelnden optischen Einrichtung angeordnet ist. Dadurch wird eine größere Toleranz gegenüber Verschiebungen des Empfängers senkrecht zur Strahlrichtung erzielt.

Neben oder anstelle der Modulation des monochromatischen Strahls kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur Verminderung von Störungen durch andere Lichtquellen vorgesehen sein, daß in der Empfangseinrichtung ein Filter angeordnet ist, das die Strahlung anderer Wellenlängen als die des monochromatischen Strahls unterdrückt. Neben üblichen Interferenz- und Massefiltern kann auch ein selektiver Spiegel verwendet werden. Dabei kann das Filter bzw. der selektive Spiegel wellenlängen- und/oder polarisationsselektiv wirken.

Die durch unvollständige Filterung verbleibende Störwirkung des Fremdlichtes kann dadurch verringert werden, daß ein weiterer optoelektrischer Wandler, der mit der Strahlung anderer Wellenlängen beaufschlagt ist, und Mittel zum Vergleich der Ausgangssignale beider optoelektrischen Wandler vorgesehen sind.

Die Abmessungen der erfindungsgemäßen Anordnung, insbesondere der Durchmesser des monochromatischen Strahls, der bündelnden optischen Einrichtung und der Lichtfalle können vom Fachmann an die jeweilige Anwendung angepaßt werden. Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht jedoch darin, daß der monochromatische Strahl einen Durchmesser zwischen 1 mm und 5 mm aufweist. Zur Erfassung einer größeren Fläche kann jedoch auch vorgesehen sein, daß der monochromatische Strahl einen länglichen Querschnitt aufweist.

Der Beugungswinkel ist unter anderem von der Wellenlänge des monochromatischen Strahls und von der Größe der Objekte abhängig. Der Beugungswinkel bestimmt wiederum zusammen mit der Entfernung vom zu detektierenden Objekt bis zum Empfänger den Abstand des gebeugten Strahls von der optischen Achse. Dadurch ergibt sich auch der notwendige Durchmesser der bündelnden optischen Einrichtung. Als vorteilhaft hat sich gemäß einer Ausführungsform der Erfindung herausgestellt, daß die Lichtfalle einen Durchmesser von kleiner als 10 mm und die bündelnde optische Einrichtung einen Durchmesser zwischen 20 mm und 50 mm aufweist.

Zur Vergrößerung des Raumes, in welchem Objekte ermittelt und angezeigt werden oder zur Messung der Geschwindigkeit eines Objektes kann gemäß einer anderen Weiterbildung vorgesehen sein, daß mehrere monochromatische Strahlen nebeneinander angeordnet sind.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß die Meßstrecke gefaltet ist, so daß sich die Quelle und die Empfangseinrichtung nebeneinander befinden. Dadurch können Quelle und Empfangseinrichtung in einem Gehäuse angeordnet werden, was sich vorteilhaft auf die Herstellungskosten auswirkt.

Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung sieht vor, daß die Lichtfalle als Reflektor ausgebildet ist, der den monochromatischen Strahl in sich reflektiert. Dadurch kann die Meßstrecke als Resonator betrieben werden mit dem Vorteil, daß mit einer relativ kleinen Leistung des Lasers bereits eine hohe Leistung der, Meßstrecke erhalten wird. Dadurch, daß die Leistung in der Meßstrecke bei einer Unterbrechung unverzögert zurückgeht, stellt diese Maßnahme auch einen wesentlichen Beitrag zur Sicherheit dar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind schematisch in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel und

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem gefalteten Strahl.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel tritt ein Laserstrahl 1 aus einem Laser 2 als Quelle heraus und trifft nach Durchlaufen der Meßstrecke 3 auf eine Lichtfalle 4 in einer Empfangs­ einrichtung 5. Die Lichtfalle besteht im wesentlichen aus einer schwarzen Scheibe, welche die Laserstrahlen absorbiert. Um seitlich austretendes Streulicht zu verhindern, ist bei der dargestellten Lichtfalle 4 ein umlaufender Rand vorgesehen. Hinter der Lichtfalle 4 sind eine Sammellinse 6 und ein Interferenzfilter 7 angeordnet.

Die von den Rändern eines Objektes 8 ausgehenden gebeugten Strahlen 9, 10, 11, 12 werden mit Hilfe der Sammellinse 6 auf einen optoelektrischen Wandler 13 geleitet, dessen Ausgangssignal einer Auswerteschaltung 14 zugeführt wird. Diese kann beispielsweise einen Verstärker und eine Schwellwertschaltung enthalten. Einem Ausgang 15 kann dann ein Signal entnommen werden, das bei jedem in den Laserstrahl 1 eindringenden Objekt 8 einen Impuls enthält. Je nach Anforderungen im einzelnen ist eine weitergehende Auswertung möglich, beispielsweise das Zählen von Objekten.

Bei der Anordnung nach Fig. 2 wird der Laserstrahl 1 mit Hilfe eines Prismas 21 zweimal reflektiert, so daß er parallel zu dem aus dem Laser 2 austretenden Strahl zurückläuft. In Fig. 2 ist der Laserstrahl 1 unterbrochen dargestellt, um eine beliebige Länge der Meßstrecke anzudeuten. An sich kann bei dem entsprechend Fig. 2 gefalteten Laserstrahl die gleiche Empfangseinrichtung wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 verwendet werden. Fig. 2 zeigt jedoch ein auch bezüglich der Empfangseinrichtung 22 geändertes Ausführungsbeispiel.

Bei der Empfangseinrichtung 22 ist ein Reflektor 23 als Lichtfalle vorgesehen, der den Laserstrahl in sich zurückspiegelt. Dadurch kann die Meßstrecke als Resonator betrieben werden mit dem Vorteil, daß mit einer relativ kleinen Leistung des Lasers bereits eine hohe Leistung der Meßstrecke erhalten wird. Dadurch, daß die Leistung in der Meßstrecke bei einer Unterbrechung unverzögert zurückgeht, stellt diese Maßnahme auch einen wesentlichen Beitrag zur Sicherheit dar.

Anstelle eines Filters ist bei der Empfangseinrichtung 22 ein selektiver Spiegel 24 vorgesehen, der nur die Strahlung im Wellenlängenbereich des Lasers reflektiert und Strahlung außerhalb dieses Bereichs hindurchläßt. Strahlung aus der Umgebung in einem anderen Wellenlängenbereich ist in Fig. 2 stellvertretend durch einen Strahl 25 dargestellt.

Durch den selektiven Spiegel 24 wird somit Fremdlicht weitgehend von dem optoelektrischen Wandler 13 ferngehalten. Der Spiegel 24 reflektiert jedoch auch einen Teil des Fremdlichtes 25, was die Messung an sich verfälschen kann. Deshalb ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ein weiterer optoelektrischer Wandler 26 vorgesehen, der die Intensität des Fremdlichtes 25 mißt. Der Anteil des durch das Fremdlicht bedingten Ausgangssignals des optoelektrischen Wandlers 13 wird dann durch eine Subtraktion eines Teils des Ausgangssignals des optoelektrischen Wandlers 26 kompensiert, was in der Auswerteschaltung 27 durchgeführt wird. Am Ausgang 28 steht dann ein Signal zur Anzeige von Objekten zur Verfügung.

In den Ausführungsbeispielen wurden der Übersichtlichkeit halber nur vier von dem Objekt 8 ausgehende Beugungsstrahlen 9 bis 12 mit einem relativ großen Beugungswinkel dargestellt. In Abhängigkeit von der Größe des Objekts 8 bilden sich jedoch jeweils mehrere Strahlen (Beugungsmaxima) mit von der Größe des Objekts und der Wellenlänge abhängigem Abstand. Praktische Versuche haben ergeben, daß auch bei einer Länge der Meßstrecke von mehreren Metern genügend gebeugtes Licht durch eine Linse mit einem Durchmesser zwischen 20 mm und 50 mm auf den optoelektrischen Wandler geleitet wird.

Claims (18)

1. Anordnung zur Detektion eines dünnen fadenförmigen Objektes, das sich an einem Ort innerhalb einer Meßstrecke befindet, wobei die Meßstrecke zwischen einer Quelle, die einen monochromatischen Strahl abgibt, und einer Empfangseinrichtung, die einen optoelektrischen Wandler umfaßt, verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung (5) eine dem Wandler (13) optisch vorgeordnete, einen direkten Einfall des Strahls auf den Wandler (13) verhindernde Lichtfalle (4; 23) derart aufweist, daß der Wandler (13) lediglich von durch ein Objekt in verschiedene Richtungen gebeugter Strahlung beaufschlagbar ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der monochromatische Strahl ein Laserstrahl ist.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung des Ausgangssignals des optoelektrischen Wandlers eine Schwellwertschaltung vorgesehen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Zählen von durch Überschreiten des Schwellwertes entstehenden Impulsen vorgesehen sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der monochromatische Strahl (1) moduliert ist und Mittel zur ausschließlichen Auswertung der entsprechend modulierten Ausgangssignale des optoelektrischen Wandlers (13) vorgesehen sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ausgangssignale des optoelektrischen Wandlers (13) ein Login-Verstärker vorgesehen ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der monochromatische Strahl (1) kohärent ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem optoelektrischen Wandler (13) eine bündelnde optische Einrichtung (6) (Sammellinse, Hohlspiegel) angeordnet ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die bündelnde optische Einrichtung (6) hinter der Lichtfalle (4) angeordnet und größer als die Lichtfalle (4) ist.

10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtfalle in der Brennebene der bündelnden optischen Einrichtung angeordnet ist.

11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Empfangseinrichtung (5) ein Filter (7) angeordnet ist, das die Strahlung anderer Wellenlängen als die des monochromatischen Strahls (1) unterdrückt.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer optoelektrischer Wandler (26), der mit der Strahlung (25) anderer Wellenlängen beaufschlagt ist, und Mittel (27) zum Vergleich der Ausgangssignale beider optoelektrischen Wandler (13, 26) vorgesehen sind.

13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der monochromatische Strahl (1) einen Durchmesser zwischen 1 mm und 5 mm aufweist.

14. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der monochromatische Strahl einen länglichen Querschnitt aufweist.

15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtfalle (4) einen Durchmesser von kleiner als 10 mm und die bündelnde optische Einrichtung (6) einen Durchmesser zwischen 20 mm und 50 mm aufweist.

16. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere monochromatische Strahlen nebeneinander angeordnet sind.

17. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke gefaltet ist, so daß sich die Quelle (2) und die Empfangseinrichtung (22) nebeneinander befinden.

18. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtfalle als Reflektor (23) ausgebildet ist, der den monochromatischen Strahl (1) in sich reflektiert.