DE20003675U1

DE20003675U1 - Optoelektronische Vorrichtung

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Publication number: DE20003675U1
Application number: DE20003675U
Authority: DE
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 1999-03-02
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2000-06-08
Anticipated expiration: 2010-03-01

Description

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Leuze electronic GmbH
73277 Owen/Teck

Optoelektronische Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 42 38 116 C2 bekannt, Diese Vorrichtung ist als Reflexionslichtschranke ausgebildet und dient zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich. Auf einer Seite des Überwachungsbereichs sind ein Sendelichtstrahlen emittierender Sender sowie zwei Empfänger angeordnet. Jedem Empfänger ist ein polarisierendes Mittel vorgeordnet, wobei deren Polarisationsrichtungen um 90° gegeneinander gedreht sind. Am anderen Ende des Überwachungsbereichs ist ein Reflektor mit einem vorgeordneten Polarisationsfilter vorgesehen. Die vom Sender emittierten Sendelichtstrahlen werden über den Reflektor zu den Empfängern geführt. Zur Objektdetektion wird die Differenz der an den Ausgängen der Empfänger anstehenden Empfangssignale bewertet. Damit können sowohl spiegelnde Objekte als auch Objekte mit depolarisierenden Eigenschaften sicher erkannt werden.

Der Nachteil dieser Vorrichtung liegt darin, dass transparente Objekte, insbesondere transparente Kunststofffolien nur dann sicher erkannt werden, wenn ihre Streckrichtung gegenüber der Richtung der Polarisationsfilter gedreht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genanten Art so auszubilden, dass eine sichere Detektion sowohl von nichttransparenten als auch transparenten Objekten gewährleistet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist mindestens einen Sender und zwei Empfänger mit jeweils einem vorgeordneten Polarisationsfilter auf, deren Polarisationsrichtungen um 45° bis 90° gegeneinander gedreht sind. Aus den Empfangssignalen an den Ausgängen der Empfänger wird die Differenz gebildet und mit einem Schwellwert si verglichen. Zudem wird die Summe der Empfangssignale mit Schwellwerten s2 und s3 (s3 < s2) verglichen. Das Schaltsignal am Ausgang der Vorrichtung nimmt nur dann den Schaltzustand &ldquor;Objekt vorhanden" ein, wenn die Differenz unterhalb von si oder die Summe der Empfangssignale oberhalb von s2 oder unterhalb von s3 liegt.

Durch diese Auswertung ist sowohl eine sichere Detektion von Klarsichtfolien als auch eine sichere Detektion von spiegelnden Oberflächen möglich. Dabei wird mit der Ausführungsform gemäß Anspruch 3 eine besonders sichere Detektion von transparenten Kunststofffolien unabhängig von der Lage ihrer Streckrichtung ermöglicht. Zudem ist vorteilhaft, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung einen einfachen und kostengünstigen Aufbau mit Standardbauelementen aufweist, wobei keine hohen Anforderungen an die Ausrichtung der Vorrichtung gestellt werden müssen. Durch eine automatische Nachführung der Schwellwerte si - s3 kann die Nachweisempfindlichkeit weiter erhöht werden.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1: Erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung.
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Figur 2: Impulsdiagramm von Sende- und Empfangssignalen für die optoelektronische Vorrichtung gemäß Figur 1.

Figur 3: Zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung.

Figur 4: Drittes Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung.

Figur 5: Viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung.

Figur 6: Optikanordnung von Sender und Empfänger für die erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung.

Figur 7: Blockschaltbild für ein Ausführungsbeispiel der optoelektronischen

Vorrichtung.
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Figur 8: Signalverläufe für die optoelektronische Vorrichtung gemäß Figur 7.

Figur 1 zeigt eine als Lichtschrankenanordnung ausgebildete optoelektronisehen Vorrichtung 1 mit zwei Sendern 2, 27, welchen jeweils ein Polarisationsfilter 26, 28 nachgeordnet ist. Die beiden Sender 2, 27 emittieren Sendelichtstrahlen 3 in Form von Sendelichtimpulsen, wobei die Sender 2, 27 alternierend eine periodische Folge von Sendelichtimpulsen emittieren. Die Sender 2, 27 befinden sich auf einer Seite eines Überwachungsbereichs, in welchem Objekte erfasst werden. Auf der gegenüberliegenden Seite des Überwachungsbereichs sind zwei Empfänger 10, 11 mit jeweils einem vorgeordneten Polarisationsfilter 8, 9 angeordnet. Die vom Sender 2 abgestrahlten Sendelichtimpulse werden durch das Polarisationsfilter 26 polarisiert und gelangen durch einen Strahlteiler 29 und eine nicht dargestellte Sendeoptik zu einem als Kunststofffolie 32 ausgebildeten Objekt. Die Sendelichtimpulse werden beim Durchgang durch die Kunststofffolie 32 teilweise absorbiert. Der transmittierte Anteil der Sendelichtimpulse wird teilweise depolarisiert und gelangt über einen Strahl-

teiler 33 zu den Empfängern 10, 11 mit den vorgeschalteten Polarisationsfiltern 8, 9. Die Polarisationsfilter 26, 9 eines Sender-Empfängerpaares 2,11 und die Polarisationsfilter 28, 8 des zweiten Sender-Empfängerpaares 27, 10 sind paarweise um 90° gegeneinander gedreht, so dass bei freier Strecke Sendelichtimpulse vom Sender 2 nur zum Empfänger 10 und Sendelichtimpulse vom Sender 27 nur zum Empfänger 11 gelangen.

Befindet sich die Kunststofffolie 32 im Überwachungsbereich, so erhöht sich der Gesamttransmissionsgrad der die Polarisationsfilter 8, 9 durchsetzenden Sendelichtimpulse, da die Kunststofffolie 32 depolarisierend wirkt, so dass aus den linear polarisierten Sendelichtimpulsen der Sender 2, 27 elliptisch polarisiertes Licht erzeugt wird. Die depolarisierende Wirkung der Kunststofffolie 32 ist am größten, wenn ihre Streckrichtung um 45° zu den Polarisationsfiltern 26, 28 gedreht ist.

Die Polarisationsfilter 26, 28 sind um einen Winkel von ca. 45° gegeneinander gedreht, so dass durch die transparente Kunststofffolie 32 unabhängig von ihrer Streckrichtung mindestens die Sendelichtimpulse eines Senders 2, 27 teilweise depolarisiert werden.

Figur 2 zeigt ein Diagramm der Sende- und Empfangssignale bei freier Strecke. Sender 2 und Sender 27 emittieren alternierend Sendelichtimpulse, so dass auch an den Empfängern 10, 11 alternierende Empfangssignale auftreten. Der Betrag des Differenzsignals Ud = | Uio - Un | der Empfangssignale der Empfänger 10 und 11 wird jeweils zum Zeitpunkt t_n+_x mit dem Schwellwert si verglichen. Die Kunststofffolie 32 im Überwachungsbereich wirkt depolarisierend und reduziert damit das Differenzsignal Ud, so dass der Schwellwert si unterschritten wird. Reflektiertes Licht von spiegelnden Objekten könnte dadurch zu Fehlschaltungen führen, dass das Differenzsignal Ud erhöht wird. Um derartige Fehlschaltungen zu vermeiden erfolgt zusätzlich eine Überwachung des Summensignals Us = Uio + Uii durch Vergleich mit einem Schwell wert s2 und einem Schwellwert s3 (s3 < s2). In Abhängigkeit der Lage der des Differenzsig-

nals Ud und des Summensignals Us bezüglich den Schwellwerten si bzw. s2 und s3 wird in der Vorrichtung 1 ein binäres Schaltsignal generiert, welches einen Schaltzustand &ldquor;Objekt vorhanden" und einen Schaltzustand &ldquor;Objekt nicht vorhanden" aufweist. Das Schaltsignal nimmt nur den Schaltzustand &ldquor;Objekt vorhanden" ein, falls das Differenzsignal Ud unterhalb von si oder das Summensignal Us oberhalb von s2 oder unterhalb von s3 liegt.

Die Schwellwerte si, s2 und s3 werden durch Potentiometer oder Tasteneingabe eingestellt, bzw. durch einen Teachvorgang bei freier Strecke aus den Empfangssignalen abgeleitet.

Figur 3 zeigt eine als Reflexionslichtschranke ausgebildete optoelektronische Vorrichtung 1, bei welcher der Sender 2 und die Empfänger 10, 11, auf der gleichen Seite des Überwachungsbereiches angeordnet sind. Auf der gegenüberliegenden Seite des Überwachungsbereichs befindet sich eine Reflektoreinheit 25. Die Reflektoreinheit 25 wird durch einen Reflektor 5 oder eine Reflexfolie 5' mit vorgeordnetem Polarisationsfilter 4 gebildet. Die vom Sender 2 emittierten unpolarisierten Sendelichtstrahlen 3 werden an der Reflektoreinheit 25 reflektiert und als polarisierte Empfangslichtstrahlen 7 zu den Empfangern 10, 11 geführt. Das unpolarisierte Licht des Senders 2 wird durch das Polarisationsfilter 4 polarisiert und erzeugt bei freiem Strahlengang im Empfänger 10 ein Empfangssignal, während das Polarisationsfilter 9, das gegenüber dem Polarisationsfilter 4 um 90° gedreht ist, das Empfangslicht sperrt, so dass die Empfangslichtstrahlen 7 nicht zum Empfanger 11 gelangen. Eine im Überwachungsbereich befindliche Kunststofffolie 32 dämpft das Empfangssignal des Empfängers 10. Durch Depolarisation der Sendelichtstrahlen 3 bei Durchgang durch die Kunststofffolie 32 gelangen Anteile der Empfangslichtstrahlen 7 zum Empfanger 11, wodurch das Differenzsignal Ud verringert und das Summensignal Us verändert wird. Spiegelnde Objekte verringern ebenfalls das Differenzsignal Ud, weil unpolarisierte Anteile des Sendelichtstrahls 3 zu den Empfangern 10, 11 gelangen. Die Auswertung der Summensignale Us und Differenzsignale Ud erfolgt analog zum Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 1.

Figur 4 zeigt eine als Reflexionslichtschrankenanordnung ausgebildete optoelektronische Vorrichtung 1 mit einem Umlenkspiegel 31. Der Strahlengang von Figur 3 wird durch den Umlenkspiegel 31 am Ende des Überwachungsbereichs gefaltet, so dass der Reflektor 5 und das Polarisationsfilter 4 im gemeinsamen Gehäuse mit Sender 2 und den Empfängern 10, 11 integriert werden können. Die zu detektierende Kunststofffolie 32 wird bei dieser Anordnung viermal durchstrahlt. Da die Amplitude der Sendelichtstrahlen 3 bei jedem Durchgang um ca. 10% reduziert wird ergibt sich eine Gesamtreduzierung von ca. 40%, unabhängig von der depolarisierenden Wirkung der Kunststofffolie 32. Damit wird mit dieser Anordnung eine besonders hohe Nachweisempfindlichkeit erzielt.

Figur 5 zeigt eine als Reflexionslichtschrankenanordnung ausgebildete optoelektronische Vorrichtung 1, welche einen im wesentlichen der Ausführungsform gemäß Figur 3 entsprechenden Aufbau aufweist. Die Vorrichtung 1 weist einen Sender 2, ein diesem nachgeordnetes Polarisationsfilter 6 und eine Reflektoreinheit 25 auf, die durch eine Reflexfolie 5' gebildet wird. Die Reflexfolie 5' ist vorzugsweise ohne Tripelstruktur ausgebildet und weist eine Beschichtung mit Glasperlen oder anderen diffus reflektierenden Materialien mit hohem Spiegelanteil auf, wie sie z.B. auch bei einer Dialeinwand zum Einsatz kommen. Bei freiem Strahlengang ergibt sich ein Signalverhältnis, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Empfangssignal des Empfängers 11 deutlich unter dem des Empfängers 10 liegt. Eine Kunststofffolie 32 im Überwachungsraum bewirkt eine Erhöhung des Signalpegels am Empfänger 11 und eine Reduzierung des Signalpegels am Empfänger 10, so dass das Differenzsignal Ud den Schwellwert si unterschreitet.

Figur 6 zeigt eine Optikanordnung für die erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung 1 mit einem Sender 2 und zwei Empfängern 10, 11. Bei dieser Anordnung verlaufen die optischen Achsen vom Sender 2 und Empfangern 10, 11 koaxial im Überwachungsbereich. Der Sender 2 sitzt im Zentrum einer Empfangsoptik 30, über welche die Empfangslichtstrahlen 7 auf die Empfänger

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10, 11 geführt sind. Der Strahlteiler 33 sorgt für eine symmetrische Aufteilung der zum Empfänger 10 geführten Empfangslichtstrahlen 7' und der zum Empfänger 11 geführten Empfangslichtstrahlen 7".

Figur 7 zeigt das Blockschaltbild einer optoelektronischen Vorrichtung 1 mit einem Sender 2, welchem gegebenenfalls ein Polarisationsfilter 6 nachgeordnet ist und den beiden Empfängern 10, 11 mit den vorgeordneten Polarisationsfiltern 8, 9. Die Empfangssignale an den Ausgängen der Empfänger 10, 11 gelangen zu einem Subtrahierer 12 und einem Summierer 13, die das Differenzsignal Ud, bzw. das Summensignal Us bilden. Beide Signale werden über die Verstärker 14, 15, die insbesondere als Sample & Hold - Glieder ausgeführt sein können, zur Auswerteeinheit 18 geführt und durch einen nicht dargestellten Analog-Digital-Wandler eingelesen. Aus dem Vergleich mit den Schwellwerten si, s2 und s3 wird ein Schaltsignal generiert und am Schaltausgang 20 ausgegeben. Über den Parametriereingang 21 können Teachbefehle ausgelöst, bzw. Parameter eingegeben und im Parameterspeicher 19 abgelegt werden. Bei einem Teachvorgang werden aus den gemittelten Werten des Summen- und Differenzsignals Us und Ud die Schwellwerte si, s2 und s3 berechnet und im Parameterspeicher 19 gesichert. Um eine Verschmutzung, bzw. ein Driften der Vorrichtung 1 zu kompensieren, wird von einer übergeordneten Steuerung über den Parametriereingang 21 ein Aktualisierungsbefehl Ua eingelesen, der angibt, dass die Überwachungsstrecke frei ist. Während der Dauer des Aktualisierungsbefehls Ua werden die Summen- und Differenzsignale Us und Ud gemittelt und gespeichert. Diese Werte werden nochmals über einen längeren Zeitraum von z.B. 0,2 bis 1 Stunde gemittelt und bilden dann die Bezugswerte zur Berechnung der aktualisierten Schwellwerte si - s3.

Figur 8 zeigt einen typischen Empfangssignalverlauf des Differenzsignals Ud sowie des Summensignals Us. Zudem ist in Figur 8 das aus Ud und Us abgeleitete binäre Schaltsignal U_20 dargestellt, welches über den Schaltausgang 20 ausgegeben wird. Schließlich ist auch der aus den Empfangssignalverläufen abgeleitete Aktualisierungsbefehl Ua dargestellt. Ist kein Aktualisierungsbefehl

Ua einer übergeordneten Steuerung vorhanden, kann dieser in der Auswerteeinheit 18 der Vorrichtung 1 erzeugt werden. Bei ausreichender Anzahl von Summen- und Differenzsignalen Us und Ud, die einer freien Strecke entsprechen, wird ein interner Aktualisierungsbefehl Ua generiert. Dabei werden beim Schaltzustand &ldquor;kein Objekt vorhanden" die Summensignale Us und die Differenzsignale Ud über eine Mittelungszeit ti gemittelt. Alle Mittelwerte Um_n, die keine vollständige Mittelungszeit ti aufweisen, werden verworfen, so dass, wie im gezeichneten Beispiel nur UmI, Um2 und Um3 für die Berechnung der Schwellwerte si, s2, s3 herangezogen werden. Dadurch wird vermieden, dass Übergangseffekte die Mittelwerte bei freier Strecke verfälschen.

Die Auswerteeinheit 18 steuert auch den Sender 2 und bei einer Anordnung nach Figur 1 auch den zweiten Sender 27.

Leuze electronic GmbH + Co. 73277 Owen/Teck

Bezugszeichenliste:	Optoelektronische Vorrichtung
(1)	Sender
(2)	Sendelichtstrahl
(3)	Polarisationsfilter
(4)	Reflektor
(5)	Reflexfolie
(5')	Polarisationsfilter
(6)	Empfangslichtstrahl
(7)	Empfangslichtstrahl
(7')	Empfangslichtstrahl
(7")	Polarisationsfilter
(8)	Polarisationsfilter
(9)	Empfänger
(10)	Empfänger
(H)	Subtrahierer
(12)	Verstärker
(14)	Verstärker
(15)	Auswerteeinheit
(18)	Parameterspeicher
(19)	Schaltausgang
(20)	Parametriereingang
(21)	Reflektoreinheit
(25)	Polarisationsfilter
(26)	Sender
(27)	Polarisationsfilter
(28)	Strahlteiler
(29)

(30) Empfangsoptik

(31) Umlenkspiegel

(32) Kunststofffolie

(33) Strahlteiler

Claims

1. Optoelektronische Vorrichtung zur Detektion von zumindest teilweise Objekten innerhalb eines Überwachungsbereichs mit mindestens einem Sender, zwei Empfängern, welchen jeweils ein Polarisationsfilter vorgeordnet ist, deren Polarisationsebenen um 45° bis 90° gegeneinander gedreht sind, sowie mit einer Auswerteeinheit, in welcher aus den Empfangssignalen an den Ausgängen der Empfänger ein binäres Schaltsignal abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der Empfangssignale mit einem Schwellwert s1 verglichen wird und zusätzlich die Summe der Empfangssignale mit Schwellwerten s2 und s3 (s3 < s2) verglichen wird, und dass das Schaltsignal nur dann den Schaltzustand "Objekt vorhanden" einnimmt, wenn die Differenz unterhalb von s1 oder die Summe oberhalb von s2 oder unterhalb von s3 liegt.

2. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (2) und die Empfänger (10, 11) auf gegenüberliegenden Seiten des Überwachungsbereiches angeordnet sind.

3. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sender (2) und (27) mit jeweils einem nachgeordneten Polarisationsfilter (26) und (28) vorgesehen sind, dass die Polarisationsrichtungen dieser Polarisationsfilter (26) und (28) um 45° gegeneinander gedreht sind, und dass jeweils ein Sender (2) und (27) und ein Empfänger (10, 11) ein Sender- und Empfängerpaar bilden, deren zugeordnete Polarisationsfilter (26, 9) und (28, 8) jeweils um 90° gegeneinander gedreht sind.

4. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ende des Überwachungsbereichs ein Umlenkspiegel (31) vorgesehen ist und am anderen Ende des Überwachungsbereichs der Sender (2) und die Empfänger (10, 11) in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, wobei die von dem Sender (2) emittierten Sendelichtstrahlen (3) über den Umlenkspiegel (31) zu den Empfängern (10, 11) geführt sind.

5. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (2) und die Empfänger (10, 11) auf der gleichen Seite des Überwachungsbereichs angeordnet sind, wobei einem Empfänger (11) unmittelbar ein Polarisationsfilter (9) vorgeordnet ist, und wobei das dem zweiten Empfänger (10) zugeordnete Polarisationsfilter (4) vor einem Reflektor (5) angeordnet ist, über welchen die vom Sender (2) emittierten Sendelichtstrahlen (3) zu den Empfängern (10, 11) geführt sind.

6. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (5) mit dem ihm vorgeordneten Polarisationsfilter (4) neben dem Sender (2) und den Empfängern (10, 11) auf einer Seite des Überwachungsbereichs angeordnet ist, dass auf der gegenüberliegenden Seite des Überwachungsbereichs ein Umlenkspiegel (31) angeordnet ist, und dass die vom Sender (2) emittierten Sendelichtstrahlen (3) über den Umlenkspiegel (31) und den Reflektor (5) zu den Empfängern (10, 11) geführt sind.

7. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese als Reflexionslichtschranke ausgebildet ist, wobei auf einer Seite des Überwachungsbereichs der Sender (2) mit einem nachgeordneten Polarisationsfilter (6) und die beiden Empfänger (10, 11) mit den vorgeordneten Polarisationsfiltern (8, 9), deren Polarisationsrichtungen um 90° gegeneinander gedreht sind, angeordnet sind, wobei die Polarisationsrichtung des dem Sender (2) zugeordneten Polarisationsfilters (6) mit der Polarisationsrichtung eines den Empfängern (10, 11) zugeordneten Polarisationsfiltern (8) oder (9) übereinstimmt, und wobei auf der gegenüberliegenden Seite des Überwachungsbereichs eine Reflexfolie (5') angeordnet ist, welche die Polarisationsrichtung der auftreffenden Sendelichtstrahlen (3) nicht oder nur geringfügig ändert.

8. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Teachbefehl Referenzwerte für Summen- und Differenzsignale Us und Ud gebildet und in einen an die Auswerteeinheit (18) angeschlossenen Parameterspeicher (19) eingebbar sind, aus welchen die Schwellwerte s1, s2 und s3 abgeleitet werden.

9. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen eines Aktualisierungsbefehls Ua während dessen Dauer Empfangssignale gemittelt und daraus ein Korrekturwert zur Nachführung der Referenzwerte gewonnen wird.

10. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktualisierungsbefehl Ua von einer übergeordneten Steuerung über einen Parametriereingang (21) in die Auswerteeinheit (18) eingebbar ist.

11. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktualisierungsbefehl Ua in der Auswerteeinheit (18) intern generiert wird.

12. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass diese zur Detektion von transparenten Folien oder Klarglasprodukten eingesetzt wird.