DE2845850A1

DE2845850A1 - Opto-elektronischer abstandstaster

Info

Publication number: DE2845850A1
Application number: DE19782845850
Authority: DE
Inventors: Juergen Erdmann; Guenter Fetzger
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1978-10-20
Filing date: 1978-10-20
Publication date: 1980-04-24
Also published as: EP0010241A3; EP0010241A2; JPS5559304A

Description

Die Erfindung betrifft einen opto-elektronischen Abstandstaster zur Peststellung der vorhandenen AbstandsbeZiehung zu einer beleuchteten Fläche mit einem Objektiv und wenigstens einem photoelektronischen Wandler.

Derartige Abstandstaster werden z.B. in automatischen Überwachungs-, Steuer- oder Regelungsanlagen benötigt. Mögliche Anwendungsfälle sind die Überwachung von Stapelhöhen und Füllhöhen, die Überwachung der Anwesenheit oder Mchtanwesenheit eines Gegenstandes, die Regelung des Durchhanges eines Bandes oder dgl. oder die Erfassung der Dicke eines Materials.

Viele dieser Aufgaben werden mit mechanischen Abstandstastern oder Grenzmeldern gelöst. Der dabei erforderliche mechanische Kontakt, der mit dem im Abstand zu bestimmenden Material in tastende Berührung gelangt, sowie die begrenzte Geschwindigkeit dieser mechanischen Taster sind dabei oft sehr hinderlich und verbieten in vielen Fällen den Einsatz. Es sind auch schon induktiv oder kapazitiv arbeitende Abstandstaster bekannt, welche jedoch von der Beschaffenheit des Materials abhängig sind und daher bei vielen Aufgabenstellungen ausscheiden.

Es sind auch schon opto-elektronische Abstandstaster bekannt, die in einem mehr oder weniger großen Abstandsbereich die Anwesenheit von Gegenständen erkennen können. Taster dieser Art haben jedoch den Nachteil, daß sie entweder stark von der Oberfläche des Tastmaterials und insbesondere von deren Reflexionsvermögen abhängig sind. Ein gut reflektierender Gegenstand wird z.B. schon in einem größeren Abstand erkannt als ein solcher mit geringerem Reflexionsgrad. Schlecht reflektierende Gegenstände werden im Vergleich zu gut oder besser reflektierenden Hindernissen u.U. gar nicht erkannt. Der zu überwachende Abstandsbereich ist zudem relativ klein. Dies gilt auch für die sog. V-Lichtschranken, bei denen sich Sende- und Empfangsachse unter einem bestimmten Winkel schneiden. Diese Lichtschranken haben zwar einen definierten Erkennungsbereich, dessen Größe

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von dem Winkel der beiden optischen Achsen zueinander und deren Querschnitt rechtwinklig zur optischen Achse abhängt. Es besteht jedoch ein direkter Zusammenhang zwischen der Größe des Erkennungsbereiches und der vom Reflexionsgrad des Gegenstandes abhängigen Abstandstoleranz bzw. Ungenauigkeit.

Demgegenüber will die Erfindung einen opto-elektronischen Abstandstaster der eingangs genannten Gattung schaffen, welcher weitgehend unabhängig von der Beschaffenheit der abzutastenden bzw. in ihrem Abstand festzustellenden Oberfläche eine Aussage über deren Lage innerhalb eines bestimmten Abstandsbereiches vom.opto-elektronischen Abstandstaster liefert. Trotz guter Leistungsfähigkeit soll das Gerät einfach und preisgünstig aufgebaut sein sowie sehr betriebssicher arbeiten.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß in zwei Bildebenen, in denen im minimal bzw. maximal zu bestimmenden Abstand liegende Objektebenen abgebildet werden, vorzugsweise auf der optischen Achse jeweils ein Wandler angeordnet ist und daß die elektrischen Ausgangssignale der beiden Wandler an eine elektronische Auswerteschaltung angelegt sind, in der die Ausgangssignale zur Bildung einer Abstandsanzeige verknüpft werden. Erfindungsgemäß gelangt also das von der vorzugsweise internen Lichtquelle des Abstandstasters ausgesandte Licht nach der Reflexion an der Oberfläche eines im vorbestimmten Abstandsbereich befindlichen Gegenstandes auf zwei photoelektrische Wandler. Dabei ist entscheidend, daß die beiden Wandler über die entsprechende Abbildungsoptik verschiedenen Tastabständen zugeordnet sind. Dadurch wird erreicht, daß unabhängig von der Reflexionseigenschaft der zu tastenden Oberfläche eines Gegenstandes der reflektierte Lichtstrom auf die beiden Wandler entsprechend dem Ort, wo die Lichtreflexion erfolgt ist, verteilt wird. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß, wenn sich ein Gegenstand an dem Ort im Objektraum befindet, der dem ersten photoelektrischen Wandler über die Abbildungsoptik zugeordnet ist, dieser Wandler einen höheren Lichtstrom erhält als der

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andere Wandler, welcher einem anderen Ort innerhalb des Abtastbereiches zugeordnet ist und umgekehrt. Durch eine geeignete Verknüpfung der elektrischen Signale der beiden Wandler kann somit auf sehr einfache und vom Material weitgehend unabhängige Weise eine Aussage über die Abstandsbeziehung der Oberfläche vom Abstandstaster getroffen werden.

Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform enthält die Auswerteelektronik eine Differenzbildungsstufe, an die eine die Differenz darstellende Anzeigevorrichtung angeschlossen ist. Diese Ausführungsform eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen es darauf ankommt, daß ein bestimmter SoIl-Abstand vom Abstandstaster eingehalten wird. Dieser SoIl-Abstand entspricht vorzugsweise der Differenz Null. In derartigen Fällen reicht es also aus, wenn die Anzeigevorrichtung lediglich anzeigt, ob die Differenz Null, kleiner oder größer als Null ist. Dies gestattet eine besonders einfach aufgebaute elektronische Schaltung.

Nach einer weiteren Ausführungsform enthält die Auswerteschaltung eine Quotientenbildungsstufe, an die eine den Quotienten darstellende Anzeigevorrichtung angeschlossen ist. Die Quotienten-Anzeigevorrichtung eignet sich besonders dazu, daß sie direkt in Abständen beispielsweise Zentimetern von einer Bezugsebene geeicht wird. Der Abstand hängt zwar nicht unbedingt linear mit dem Quotientensignal zusammen, es besteht jedoch eine eindeutige und reproduzierbare Beziehung.

Um bei Tastung des geringsten Abstandes eine möglichst gute Trennung der auf den weiter entfernt von dem Objektiv angeordneten Wandler fallenden Strahlung von dem anderen Wandler zu erzielen, sind nach einer bevorzugten Ausführungsform durch eine zentrale Blende nur die Randbereiche des Objektivs für die Abbildung ausgenutzt. Die Blende befindet sich vorzugsweise auf der Bildseite des Objektivs. Insbesondere soll die Blende einen solchen Abstand von dem Objektiv haben, daß die beiden Wandler von ihren zugeordneten

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Objektebenen, wenn dort der gleichbeleuchtete, gleiche Gegenstand angeordnet ist, im wesentlichen gleiche Lichtmengen erhalten.

Insbesondere in diesem Fall kann die näher am Objektiv liegende Bildebene durch einen die Lichtstrahlen zur anderen Bildebene im wesentlichen nicht behindernden Planspiegel zum Objektiv hin geklappt sein. Dies gestattet einen besonders platzsparenden und kompakten Aufbau.

Der durch die zentrale Blende abgedeckte Mittelbereich des Objektivs kann dadurch noch sinnvoll genutzt werden, daß in der zentralen Blende eine Mittelöffnung vorgesehen ist, hinter der eine Lichtquelle angeordnet ist, die über das Objektiv den Beleuchtungsstrahlengang erzeugt. Insbesondere kann in der Mittelöffnung oder auch davor oder dahinter eine weitere Linse befestigt sein, welche zusammen mit dem Objektiv aus dem von der Lichtquelle ausgehenden Licht ein zentrales paralleles Lichtbündel zur Beleuchtung der im Abstand zu bestimmenden Oberfläche bildet.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Pig. 1 eine schematische, teilweise geschnittene Seitenansicht eines opto-elektronischen Abstandstasters gemäß der Erfindung mit einer am einen Ende des erfaßten Abstandsbereiches angeordneten Gegenstandsoberfläche,

Fig. 2 eine Ansicht entsprechend Fig. 1, bei der jedoch die im Abstand zu bestimmende Gegenstands-Oberfläche sich am anderen Ende des zu erfassenden Abstandsbereiches befindet, Pig. 3 eine erste vorteilhafte Ausführungsform der elektronischen Auswerteschaltung des Abstandstasters nach den Pig. I und 2, Pig. 4- eine zweite vorteilhafte Ausführungsform der elektronischen Auswerteschaltung des Abstandstasters nach den Pig. I und 2 und
Pig. 5 ein Diagramm des zu den beiden Wandlern des Abstands-

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tasters nach den Fig. 1 und 2 gelangenden Lichtstromes in Abhängigkeit vom Tastabstand.

Nach Fig. 1 und 2 ist in der einen Wand eines Gehäuses 28 ein Objektiv 20 mit Hauptebenen H, H¹ angeordnet. Im Abstand a zum Inneren des Gehäuses 28 hin ist auf der optischen Achse 13 des Objektivs 20 eine zentrale Blende 22 vorgesehen, in der sich eine Mittelöffnung 23 befindet, die eine Linse 24 enthält. Hinter der Linse 24 ist im Gehäuse auf der optischen Achse 13 eine Lichtquelle 25 vorgesehen, deren Licht durch die Linse 24 und den zentralen Bereich des Objektivs 20 zu einem parallelen ÜSendelichtbündel 26 geformt wird.

Der opto-elektronische Abstandstaster nach den Fig. 1 und 2 ist dazu bestimmt und geeignet, Abstände innerhalb eines Abstandsbereiches 29 zumindest qualitativ zu erfassen. An den beiden Enden des Abstandsbereiches 29 befinden sich Objektebenen 11, 1 In Fig. 1 ist in der Objektebene 11 die Oberfläche 27 eines Gegenstandes 30 wiedergegeben. Die Oberfläche 27 des Gegenstandes 30 befindet sich bei der Darstellung der Fig. 2 am anderen Ende des Abstandsbereiches 29, d.h. in der Objektebene 12.

Fig. 1 zeigt außerdem Beleuchtungsstrahlengang 26 die die Oberfläche 27 auf einem photoelektrischen Wandler 14 abbildenden Strahlen. Der Wandler 14 ist in der Bildebene 11' der Objektebene 11 auf der optischen Achse 13 angeordnet. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, werden für diese Abbildung nur die Randbereiche des Objektivs 20 ausgenutzt, und zwar das äußere Drittel des Linsenradius.

Nach Fig. 2 wird die am anderen Ende des Abstandsbereichs 29 angeordnete Oberfläche 27 in die der Objektebene 12 zugeordnete Bildebene (12') abgebildet. Diese Abbildung ist in Fig. 2 in gestrichelten Linien angedeutet. Aus baulichen Gründen ist jedoch in einem Abstand b vor der Bildebene (12¹) ein Planspiegel 21 auf der optischen Achse 13 senkrecht zu dieser

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angeordnet. Hierdurch wird die Bildebene an die in Pig. I und gestrichelt dargestellte Bildebene 12' geklappt. In dieser Bildebene 12' befindet sich auf der optischen Achse 13 ein weiterer photoelektrischer Wandler 15.

Die radiale Ausdehnung des kreisrunden Planspiegels 21 ist gemäß I¹Ig. 1 derart begrenzt, daß die zum Wandler 14 verlaufenden Lichtstrahlen praktisch nicht durch den Spiegel unterbrochen werden.

Fach den Fig. 1 und 2 sind die Ausgänge der Wandler 14, 15 an eine elektronische Auswerteschaltung 16 angelegt, welche eine Abstandsanzeigevorrichtung 17 speist.

Fig. 5 zeigt zwei die Ausgangssignale der Wandler 14, 15 wiedergebende Kurven 14_, bzw. 3J5. Die Kurven geben die Abhängigkeit der relativen Lichtströme <pvon dem Tastabstand A wieder.

Auf der Abszisse ist der Ort der Objektebenen 11, 12 durch die entsprechenden Bezugszahlen angedeutet. Auch ist der Abstand der Mitte des Abstandsbereiches 29 vom Abstandstaster schematisch dargestellt.

Wie aus Fig. 5 zu erkennen ist, erhält der Wandler 14 den größten Lichtstrom, wenn sich die Oberfläche 27 des Gegenstandes in der Objektebene 11 befindet. Rückt man die Oberfläche 27 nun stetig in Richtung der Objektebene 12 weiter, so ergibt sich der aus Fig. 5 ersichtliche strichpunktierte abfallende Verlauf 14, des auf den Wandler 14 fallenden Lichtstromes.

Umgekehrt erhält der Wandler 15 dann den maximalen Lichtstrom, wenn die Oberfläche 27 nach Fig. 2 in der Objektebene 12 angeordnet ist. Verschiebt man jetzt die Oberfläche 27 in Richtung auf die Objektebene 11, so ergibt sich der aus Fig. 5 ersichtliche nach links abfallende, gestrichelt dargestellte Verlauf 15_ für den Lichtstrom, der auf den Wandler 15 fällt. Im wesentlichen in der Mitte zwischen den Objektebenen 11, 12, also im Ab-

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stand 31 sind die auf die Wandler 14» 15 fallenden Lichtströme gleich.

Diese Gleichheit der Lichtströme kann besonders einfach mit einer Auswerteschaltung 16 nach Fig. 3 festgestellt werden. Danach sind die beiden photoelektrischen Wandler 14, 15 an eine Differenzbildungsstufe 18 angeschlossen, welche ein Anzeigeinstrument 17 speist. Zeigt dieses den Wert Null an, so sind die beiden Lichtströme an den Wandlern 14, 15 gleich und die Oberfläche 27 befindet sich im Abstand 31 vom Abstandstaster. Durch Ausschlag des Instrumentes 17 nach rechts oder links kann außerdem auf einfache Weise zur Anzeige gebracht werden, ob sich die Oberfläche 27 zu weit oder zu wenig weit von dem Soll-Abstand 31 befindet.

Eine beispielsweise in Zentimetern geeichte Abstandsanzeige kann durch die weitere Schaltung nach Fig. 4 verwirklicht werden. Hier enthält die Auswerteschaltung 16 eine Quotientenbildungsstufe 19» deren beiden Eingängen die Ausgangssignale der Wandler 14, 15 zugeführt sind. Das Ausgangssignal der Quotientenbildungsstufe 19 ist an eine Anzeigevorrichtung 17 angeschlossen, welche unmittelbar in Abständen innerhalb des Abstandsbereiches 29 geeicht sein kann. Bei 1 befindet sich die Oberfläche 27 im Abstand 31 vom opto-elektronischen Abstandstaster nach den I¹Ig. 1 und 2.

Es ist also wesentlich für die Erfindung, daß die beiden photoelektrischen Wandler über dasselbe Objektiv 20 und damit über denselben Objektivdurchmesser zwei verschiedenen Tastabständen zugeordnet sind. Dadurch haben die beiden photoelektrischen Wandler zwei verschiedene Empfangsaperturen. Dies gilt sowohl vor als auch nach dem Objektiv. Es ist auch wesentlich, daß dafür gesorgt wird, daß alles vom Objektiv 20 empfangene, von der Oberfläche 27 reflektierte Licht auf Grund geeigneter Ausnutzung nur der Randbereiche des Objektivs vom Reflexionsort zum zugeordneten Wandler gelangt.

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Die Erfindung schafft also eine von der Apertur der Empfangsstrahlung abhängige Lichtteilung zu den beiden photoelektrischen Wandlern. Durch Wechselobjektive ist es möglich, den mittleren Tastabstand 31 und den zu erfassenden Abstandsbereich 29 zu modifizieren.

Ebenso wie der Planspiegel 21 ist auch die zentrale Blende 22 an ihrem äußeren Umfang kreisrund ausgebildet. Die kreisförmigen Berandungen des Spiegels 21 und der Blende 22 erstrecken sich konzentrisch zur optischen Achse 13.

Bevorzugt ist es, wenn nur ein schmaler Bereich der Oberfläche 27 um die optische Achse 13 herum beleuchtet ist, dessen Ausdehnung nicht über die abbildenden Randbereiche des Objektivs 20 hinausgeht und vorzugsweise deutlich innerhalb dieser Randbereiche liegt (Fig. 1, 2).

Weiter ist es wichtig, daß der Beleuchtungslichtfleck auf der Oberfläche 27 des Gegenstandes 30 in jeder Position innerhalb des Abstandsbereiches die gleiche Größe und Form hat. Bevorzugt ist der Fleck kreisförmig und konzentrisch zur optischen Achse 13. Die Erzeugung durch ein zur optischen Achse 13 konzentrisches, paralleles Lichtbündel ist besonders vorteilhaft.

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Claims

Patentansprüche :

l.J Opto-elektronischer Abstandstaster zur Feststellung der vorhandenen Abstandsbeziehung zu einer beleuchteten Fläche mit einem Objektiv und wenigstens einem photoelektronischen Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß in zwei Bildebenen (H¹, 12'), in denen im minimal bzw. maximal zu bestimmenden Abstand liegende Objektebenen (11, 12) abgebildet werden, vorzugsweise auf der optischen Achse (13) jeweils ein Wandler (14, 15) angeordnet ist und daß die elektrischen Ausgangssignale der beiden Wandler (14, 15) an eine elektronische Auswerteschaltung (16) angelegt sind, in der die Ausgangssignale zur Bildung einer Abstandsanzeige (17) verknüpft werden.
2. Abstandstaster nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet

daß die Auswerteschaltung (16)

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Differenzbildungsstufe (18) enthält, an die eine die Differenz darstellende Anzeigevorrichtung (17) angeschlossen ist.
3. Abstandstaster nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Anzeigevorrichtung (17) lediglich anzeigt, ob die Differenz Null, kleiner oder größer als Null ist.
4- Abstandstaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Auswerteschaltung (16) eine Quotientenbildungsstufe (19) enthält, an die eine den Quotienten darstellende Anzeigevorrichtung (17) angeschlossen ist.
5· Abstandstaster nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Quotienten-Anzeigevorrichtung (17) in Abständen von einer Bezugsebene geeicht ist.
6. Abstandstaster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine zentrale Blende (22) nur die Randbereiche des Objektivs (20) für die Abbildung ausgenutzt sind.
7. Abstandstaster nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Blende (22) auf der Bildseite des Objektivs (20) angeordnet ist.
8. Abstandstaster nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (22) einen solchen Abstand (a) von dem Objektiv (20) hat, daß 'die beiden Wandler (14, 15) von ihren zugeordneten Objektebenen (11, 12), wenn dort der gleichbeleuchtete, gleiche Gegenstand angeordnet ist, im wesentlichen gleiche Lichtmengen erhalten.
9. Abstandstaster nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß die näher am Objektiv (20) liegende Bildebene (12*) durch einen die Licht-

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strahlen zur anderen Bildebene (11^f) im wesentlichen nicht behindernden Planspiegel (21) zum Objektiv (20) hin geklappt ist.
10. Abstandstaster nach einem der Ansprüche 6-9, dadurch gekennzeichnet, daß in der zentralen Blende (22) eine Mittelöffnung (23) vorgesehen ist, hinter der eine Lichtquelle (25) angeordnet ist.
11. Abstandstaster nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß in der Mittelöffnung (23) eine Linse (24·) befestigt ist, welche zusammen mit dem Objektiv (20) aus dem von der Lichtquelle (25) ausgehenden Licht ein zentrales paralleles Lichtbündel (26) zur Beleuchtung der im Abstand zu bestimmenden Oberfläche (27) bildet.

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