DE2906609A1

DE2906609A1 - Photodetektorsystem

Info

Publication number: DE2906609A1
Application number: DE19792906609
Authority: DE
Inventors: Alan R Kittredge; Peter R Szasz
Original assignee: Kasper Instruments Inc
Current assignee: Kasper Instruments Inc
Priority date: 1978-03-08
Filing date: 1979-02-21
Publication date: 1979-09-27
Also published as: JPS54125052A; GB2016141A

Description

PATENTANWALT D-7261 Gechingen/Bergwaid

Lindenstr. 16

DIPL-ING. KNUD SCHULTE ^ ^ _{Te|efon: (07056)1367}

Zh.Februar 1979

Patentanwalt K. Schulte, Lindenstr. 16, D-7261 Gechingen

Int.Az.: 152/79
US Ref.: 86G

IvASPER INSTRUMENTS , INC. 7^9 North. Mary Avenue

Sunnyvale,Kalifornien 9^086 U.S.A.

Pliotodeketorsystem

Die Erfindung betrifft ein Photodetektorsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Photodetektorsysteme werden allgemein benutzt, um das Vorhandensein oder Fehlen von nahen Gegenständen zu bestimmen, das heißt von Gegenständen, die sich nahe bei einem Photodetektor des Systemes befinden, oder die nahe bei dem Photodetektor vorbeigelangen.

Im allgemeinen liegen in einem solchen System eine Lichtquelle und ein Photodetektor einander in einem ausgewählten Abstand gegenüber, um die Gegenstände festzustellen, die zwischen ihnen hindurchgelangen und welche das von der Lichtquelle stammende Licht sperren und dadurch verhindern, daß das Licht den Detektor erreicht. (Vergl. den Artikel "Focus on Photodetektors", "Electronic Design,Nr.6, 15.März 1976, Seite 64."

Bei solchen Systemen, bei denen sich die Lichtquelle und der Detektor einander gegenüber liegen, besteht ein

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wesentliches Problem in der Interferenz bzw. Störung beim Durchgang der Gegenstände, die der Detektor häufig verursacht, wenn diese vertikal übereinander, gegenüber der Lichtquelle und auf der gleichen Seite wie der Detektor angeordnet sind. Um dieses Problem zu lösen, wird bei vielen Systemen die Reflektionscharakteristik des Gegenstandes ausgenutzt, und die Lichtquelle und der Detektor werden auf der gleichen Seite des abgetasteten Gegenstandes angeordnet, um den Detektor in den Stand zu versetzen, von dem Gegenstand reflektiertes Licht abzufühlen, ohne daß es zu Störungen beim Durchgang des Objektes hinter der Lichtquelle und den Detektoren kommt.

Leider besteht ein allgemeines Problem bei solchen Reflexionsdetektorsysteme darin, daß diese nicht im Stande sind, nur Gegenstände innerhalb eines vorgeschriebenen Bereiches (vom Detektor aus) abzutasten, und nicht Gegenstände außerhalb dieses Bereiches abzutasten, unabhängig von deren Reflexionsvermögen. Beispielsweise treten bei solchen bekannten Reflexionsdetektorsystemen häufig Abtastfehler auf, wenn ein gerade außerhalb des vorgeschriebenen Bereichs angeordneter Gegenstand eine abtastbare Lichtmenge reflektiert und dann lokalisiert wird, da er eine stärker reflektierende Oberfläche als ein anderer Gegenstand hat, der sich innnerhalb des Detektions— bereiches befindet.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Detektorsystem gemäß dem Oberbegriff derart zu verbessern, daß innerhalb eines ausgewählten Bereichs unabhängig vom Reflexionsvermögen oder dem Oberflächenzustand der Gegenstände und auch unabhängig von der Intensität des Umgebungslichtes das Auftreten von Gegenständen festzustellen gestattet.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichen von Anspruch 1.

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Entsprechend der bevorzugten, in der Zeichnung dargestellten Ausführungsfοrm wird ein Photodetektorsystem vorgesehen mit einer Leuchtdiode, einer Verstärkerschaltung zur Abgabe eines (pulsierenden) Treibersignales an die Leuchtdiode,einer Schaltung zur Verstärkung des Treibersignales, wodurch die Emission des Lichtes von der Leuchtdiode bei einem gewünschten Wert sichergestellt wird, und einem Paar in einem ausgewählten Abstand voneinander angeordneten und miteinander zur Aufnahme des von einem Gegenstand reflektierten Lichtes verbundenen Meßfühlern, wodurch ein Detektionsbereich definiert (ausgewählt) wird und ein zusammengesetztes Signal erzeugt wird, welches die Gegenwart eines Gegenstandes innerhalb dieses Bereiches anzeigt. Das System enthält vorzugsweise auch einen rückgekoppelten Verstärker, durch den in dem zusammengesetzten Signal die Wirkungen des von den Meßfühlern abgetasteten Umgebungslichtes eliminiert werden, so wie Verstärkerschaltungen zum Erzeugen eines Ausgangs— signales nach Maßgabe des zusammengesetzten Signales, wenn ein Gegenstand abgetastet wird, bzw. zur Unterbindung eines Signales, wenn kein Gegenstand abgetastet wird.

Dieses Photodetektorsystem tastet Gegenstände innerhalb des Bereichs im wesentlichen unabhängig von dem Reflexionsvermögen oder Oberflächenzustand der Gegenstände und unabhängig von der Intensität des Umgebungslichtes ab.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert:

Fig„1A ist eine Querschnittsansicht des Photodetektorsysteme s nach der Erfindung,

Fig„1B ist eine Ausicht auf das Photodetektorsystem gemäß Fig.iA,

Fig„2A stellt den Verlauf der Lichtintensität als Funktion des Abstandes eines Gegenstandes von dem System in Fig. 1A dar, wobei das Licht von dem Gegenstand auf paarweise angeordnete,in dem

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Photodetektorsystem befindliche Meßfühler· reflektiert wird,

Fig.2B stellt die Intensität des von Gegenständen mit unterschiedlichem Reflexionsvermögen reflektierten Lichtes dar,

Fig.3 ist ein schematisch.es Schaltbild des Photodetektorsysteme s gemäß Fig.1A,

Fig.h stellt einen Kurvenverlauf dar, der sich aus der Zusammenstellung der Kurven in Fig.2A ergibt und einen ausgewählten Detektionsbereich sowie das Abtasten und Nichtabtasten von Gegenständen innerh alb dieses Bereichs erläutert.

Gemäß Fig.1A und 1B enthält ein Photodetektorsystem 11 einen !füllkörper 13 mit Öffnungen 15>16,17> eine aus einer Leuchtdiode bestehende Lichtquelle 19 und ein Paar Phototransistormeßfühler 21,23 aus Silitium vom NPN-Typ. Die Leuchtdiode 19 und die Meßfühler 21,23 sind in ausgewählten Winkeln innerhalb des Hüllkörpers 13 angeordnet. Wie beispielsweise aus Fig.1A hervorgeht, ist die Leuchtdiode so angeordnet, daß deren emittiertes Licht von dem Hüll— körper 13 über die Öffnung 15 ausgestrahlt wird und auf einen nahen Gegenstand 20 oder 22 in einem Einfallwinkel von ungefähr 45 auftrifft, wobei die Lichi; reflektierende Oberfläche des Gegenstandes parallel zur Oberseite 2k des Hohlkörpers 13 ausgerichtet ist. Die Meßfühler 21 und sind parallel zueinander und in einem ausgewählten Abstand d_ voneinander angeordnet und nehmen über Öffnungen 16 und 17 das in einem ausgewählten Winkel von dem Gegenstand reflektierte Licht auf. Vorzugsweise handelt es sich um einen Reflexionswinkel von 45 nach Snell.

Gemäß Fig.1A tastet der Detektor 11 das Auftreten von Gegenständen innerhalb des Bereichs R ab, nicht jedoch das

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Auftreten von Gegenständen außerhalb dieses Bereichs. Daher würde ein im Abstand d₁ von der Oberfläche 2h des Detektors 11 angeordnetorGegenstand abgetastet durch Meßfühler 21, 23, wogegen ein im Abstand d„ von der Oberfläche 2k des Detektors entfernter Gegenstand nicht abgetastet bzw. lokalisiert würde. Der Detektor 11 stellt daher nur solche Gegenstände fest, die sich innerhalb der oberen und unteren Grenzen des Bereichs R befinden oder durch diesen Eereich hindurch gelangen.

Fig.2A zeigt das Verhältnis zwischen der Intensität des reflektierten und von jedem der beiden Meßfühler 21,23 empfangenen bzw. abgetasteten Lichtes und den Abstand d.j oder d„ des von den Meßfühlern reflektierten Gegenstandes» Die Meßfühler 21 und 23 befinden sich in einem vorbestimmten Abstand voneinander in dem Hohlkörper 13? beispielsweise im Abstand von d_ = ^_?2 mm. Wenn dieser Abstand derart ausgewählt wird, daß die Kurven 2h,26 sich in dem gewünschten Ausmaß überlappen bzw. kreuzen, so wird der Bereich R gemäß Fig.2A wählbar. Fig.2B zeigt das Verhältnis z\-,rischen der Intensität des reflektierten Lichtes und dem Abstand der Gegenstände von den Meßfühlern für verschiedene Reflexionsgrade der Oberflächen der Gegenstände.

Die Obergrenze des Bereichs R wird gemäß Fig»2A als derjenige Abstand d ausgewählt, bei welchem die beiden

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Intensitätskurven sich schneiden. Dabei entsprechen die beiden Kurven dem von einem Gegenstand mit einer in bestimmter Weise reflektierenden Oberfläche reflektierten, von den beiden Meßfühlern aufgenommenen Licht, wobei sich diese Oberfläche in einem ausgewählten Abstand von der Oberfläche 2h befindet. Die Obergrenze bleibt fest (konstant) wie aus Fig„2B hervorgeht, und die Gegenstände im Bereich R werden abgetastet, im wesentlichen unabhängig von den Unterschieden bezüglich des Reflexionsvermögens der Ober—

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flächen dieser Gegenstände, d.h. unabhängig von Unterschieden bezüglich des Reflexionsvermögens, vorausgesetzt, daß die Gegenstände wenigstens etwa 5°/o des Lichtes von der Leuchtdiode reflektieren.

Gemäß Fig.3 erzeugt ein Operationsverstärker 25 eines Treiberschaltkreises ein Rechteckwellensignal und führt dieses über eine Verstärkerschaltung 29 als pulsförmiges Treibersignal einer Leuchtdiode 19 mit einer ausgewählten Frequenz von beispielsweise 1 kHz zu. Die Verstärkerschaltung 29 verstärkt das Rechteckwellensignal, so daß der Strompegel zum Aussenden der gewünschten Lichtmenge durch die Leuchtdiode ausreicht. Das von der Leuchtdiode 19 entsprechend dem verstärkten Rechteckwellensignal ausgesendete Licht wird von einem Gegenstand auf Phototransistoren 21 und 23 reflektiert, wenn sich der Gegenstand nahe bei der Leuchtdiode und den Phototransistoren befindet. Entsprechend dem reflektierten Licht erzeugt der Phototransistor 21 an seinem Emitteranschluß ein Ausgangssignal gemäß der Kurve 2k (Fig.2A),und der Phototransistor 23 erzeugt an seinem Kollektoranschluß ein Ausgangssignal entsprechend der Kurve 26. Die beiden Ausgangs signale werden darin am Knotenpunkt 3I kombiniert zu dem zusammengesetzten Signal gemäß Fig.k. Der positive Abschnitt des zusammengesetzten Signales gemäß Fig.K bedeutet, daß ein Gegenstand sich innerhalb des Bereiches R befindet, während der negative Abschnitt der Kurve anzeigt, daß sich innerhalb des Bereichs R kein Gegenstand befindet. Somit ergibt sich aus Fig.3 und k, daß Meßfühler (Phototransistoren) 21 und 23 verbunden sind und ein Signal ( mit einem Schnittpunkt bei Null oder an der Dasisllnic in Fig.^l ) erzeugen, welches der Obergrenze des Bereiches R entspricht. Venn dieses positiv ist, wird das Auftreten eines Gegenstandes angezeigt, und wenn dieses negativ ist, wird das Fehlen eines Gegenstandes angezeigt.

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Dieses zusammengesetzte Signal wird dann dem Verstärker 33 des Schaltkreises 35 in Fig.3 zugeführt, der das Signal verstärkt, dieses von einem Stromsignal in ein Spannungssignal umformt, und das Sparinungssignal über einen Widerstand R6 dem Verstärker 25 des Schaltkreises 27 und dem Verstärker 37 des Schaltkreises 39 zuführt. Der Verstärker 35 filtert außerdem mittels eines Widerstandes R5 und eines Kondensators C3 das Spannungssignal und führt das gefilterte Signal dem Rückkopplungsverstärker 41 der Schaltung 43 zu. Entsprechend dem gefilterten Signal erzeugt der Rückkopplungsverstärker ein Rückkopplungssignal j, welches ein aus dem gefilterten Signal abgeleitetes Gleichspannungssignal ist, und führt dieses dem Verstärker 33 zu« Das Rückkopplungssignal wird als Referenzsignal für den Verstärker 33 verwendet und eliminiert die Wirkungen der Schwankungen des Umgebungslichtes (dargestellt durch das Gleichspannungssignal ) auf die Meßfühler 21 und 23.

Falls das durch die Schaltung 35 am Knotenpunkt 45 erzeugte Signal im wesentlichen einem Signal vom Keßfühler 23 entspricht, d.h. einem negativen zusammengesetzten Signal am Knotenpunkt 31> dann befindet sich dieses abgeleitete Signal in Phase mit dem Rechteckwellensignal vom Operationsverstärker 25» und der Invertierte Eingang des Verstärkers 37 wird positiver, so daß der Verstärker 37 kein Ausgangssignal erzeugt. Dieser Zustand ohne Ausgangssignal entspricht einem negativen zusammengesetzten Signal am Knotenpunkt 31 entsprechend dem negativen Abschnitt der Kurve in Fig.4, wodurch angezeigt wird, daß im Bereich R kein Gegenstand abgetastet wurde.

Falls andererseits das Signal am Knotenpunkt 45 einem Signal entspricht, daß im wesentlichen vom Meßfühler stammt und damit einem positiven zusammengesetzten Signal

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am Knotenpunkt 3I entspricht, dann befindet sich dieses Signal am Knotenpunkt 45 ( um 180 ) außer Phase bezüglich des durch den Operationsverstärker 25 erzeugten Rechteckwellensignales. In diesem Fall zieht eine Diode CR4 das Signal am Knotenpunkt 45 auf einen negativen Wert und bewirkt, daß die Spannung am invertierten Eingang des Verstärkers 37 kleiner als diejenige am positiven Eingang des Verstärkers wird, so daß der Verstärker ein Ausgangssignal erzeugt. Dieser Zustand , bei dem ein Ausgangssignal ausgegeben wird, entspricht einem positiven zusammengesetzten Signal entsprechend dem positiven Abschnitt der Kurve in Fig.4 und zeigt an, daß im Bereich R ein Gegenstand abgetastet wurde. Der Widerstand R11 und der Kondensator C5 der Schaltung 39 dienen dazu, die Rechteckwellenfrequenzsignale aus dem dem Knotenpunkt 45 zugeführten Signal zu filtern und dem Verstärker 37 nur den Gleichspannungswert dieser Signale zuzuführen. Eine Germaniumdiode CR5 dient zusammen mit einer Diode CR3 dazu, den Verstärker 37 zu stabilisieren und ein Ausgangssignal bei starkem Umgebungslicht zu vermeiden, wenn sich kein Gegenstand im Bereich R befindet.

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Leerseite

Claims

PATENTANWALT D-7261 Gedungen/Bergwaid

Lindenstr. 16

DIPL-ING. KNUD SCHULTE _{Α (07056) 1367}

Patentanwalt K. Schulte. Lindenstr. 16, D-7261 Gechingen 2M-. Februar 1979

Int.Az.: 152/79
US Ref.: 86G

Patentansprüche

. Photodetektorsystem, durcli welches die Gegenwart eines nahen Gegenstandes feststellbar ist, mit einer Lichtquelle, einer mit der Lichtquelle verbundenen Treiberschaltung, welche diese zur Abgabe von Licht veranlaßt, und einer Meßfühlereinrichtung zur Aufnahme des von der Lichtquelle abgegebenen Lichtes, dadurch gekenn ζ e i chnet, daß die Meßfühlereinrichtung (21,23) angeordnet ist zur Aufnahme des von der Lichtquell" (19) ausgesendeten und von dem nahen Gegenstand (20,22) reflektierten Lichtes zur Erzeugung eines Ausgangssignales, welches die Gegenwart des nahen Gegenstandes im wesentlichen unabhängig von dem Reflexionsvermögen dieses Gegenstandes anzeigt.
2. Photodetektorsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeich ne t, daß die Meßfühlereinrichtung (21,23) ein Ausgangssignal erzeugt, welches das Auftreten des nahen Gegenstandes (20,22) innerhalb eines ausgewählten Bereiches dm wesentlichen unabhängig von dem Reflexionsvermögens des Gegenstandes anzeigt.
3. Photodetektorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßfühlereinrichtung (21,23) ein Paar Photomeßfühler (21,23) enthält, die in einem ausgewählten Abstand voneinander angeordnet und miteinander verbunden sind zur Aufnahme des von dem nahen Gegenstand (20,22) reflektierten Lichtes zur Erzeugung

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eines Signales, welches den ausgewählten Bereich definiert und die Gegenwart eines Objektes (20,22) innerhalb des ausgewählten Bereichs im wesentlichen unabhängig von dem Reflexionsvermögen des Objektes anzeigt.

Photodetektorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennz e i chne t, daß eine Rückkopplungseinrichtung (R5,C3,4i) vorgesehen ist, welche ein Rückkopplungssignal entsprechend dem Ausgangssignal von der Meßfühlereinrichtung (21,23) erzeugt, und eine Regelungseinrichtung (33) das Rückkopplungssignal von der Rückkopplungseinrichtung sowie das Ausgangssignal von dem Meßfühler empfängt und ein Ausgangssignal erzeugt, bei welchem die Wirkung des von dem nahen Gegenstand (20,22) reflektierten und von der Meßfühlereinrichtung (21,23) aufgenommenen Umgebungslichtes nicht vorhanden ist.

Photodetektorsystem nach Anspruch h, dadurch gekennz ei chne t, daß eine Regelungseinrichtung (37) vorhanden ist, welche das letztgenannte AusgaiigST signal empfängt und ein Ausgangssignal entsprechend dem Signal von der Meßfühlereinrichtung (21,23) erzeugt, wenn der nahe Gegenstand (20,22) abgetastet ist, und kein Ausgangssignal erzeugt, wenn kein Gegenstand abgetastet ist.

Photodetektorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichne t, daß eine mit der Lichtquelle (19) verbundene Einrichtung (29) vorgesehen ist, welche auf die Treibereinrichtung (25,29) anspricht und einen Pegel des von der Lichtquelle auszusendenden Lichtes festsetzt.

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