DE3536853A1 - Optische fuehlereinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Fühlereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Fühlereinrichtungen weisen eine Vielzahl von linear angeordneten lichtempfindlichen Flächen auf. Um ein gute Auflö­ sung zu erzielen, sind die lichtempfindlichen Flächen oder Sen­ soreinheiten, die üblicherweise als Pixel bezeichnet werden, eng nebeneinander angeordnet. Beispielsweise können 4096 Pixel im Abstand von je 10 µm angeordnet sein. Die mit dieser Anordnung erzielbare Auflösung beträgt ebenfalls 10 µm. Eine derartige Auflösung ist in bestimmten Anwendungsfällen jedoch noch unbe­ friedigend. Zwar kann die Auflösung mit Hilfe eines vorgeschal­ teten optischen Systemes erhöht werden. Dies führt jedoch dazu, daß dann beispielsweise nicht mehr ein Bereich von 4096 × 10 µm, also etwa 4 cm, erfaßt werden kann, sondern ein um den Vergrö­ ßerungsfaktor kleinerer Bereich.

Um ohne aufwendige optische Hilfsmittel eine verbesserte Auflö­ sung zu erreichen, könnten mehrere Fühler parallel zueinander gegeneinander versetzt angeordnet werden. Üblicherweise werden CCD(= Charge Coupled Device)-Sensoren verwendet. Diese Sensoren weisen eine Breite von mindestens mehreren mm auf, sodaß die Ge­ fahr von Parallaxenfehlern besteht, wenn mehrere Fühler neben­ einander angeordnet sind. Zudem würde bei derartigen Sensoren eine nennenswerte Verbesserung der Auflösung jedoch einen unver­ tretbaren Zusatzaufwand bedeuten.

Eine weitere Möglichkeit der Steigerung der Auflösung besteht nun darin, lediglich einen CCD-Zeilensensor zu verwenden und diesen periodisch beispielsweise um 5 µm hin und her zu bewegen, wobei in jeder Endstellung eine Abtastung erfolgt. Hierfür sind jedoch sehr exakte und somit aufwendige mechanische Antriebs­ vorrichtungen erforderlich. Zudem wird durch diese Art der Abtastung die Abtastrate reduziert.

Bei zeitkritischen Applikationen können hierdurch Geschwindig­ keitsprobleme entstehen, denn ein CCD-Fühler liefert in jedem Abtastintervall pro Pixel eine Information.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Fühlereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei welcher die Auflösung erheblich gesteigert werden kann, ohne daß das Zeit­ verhalten verschlechtert würde und ohne daß ein erheblicher Zusatzaufwand erforderlich wäre.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Besonders vorteilhaft ist es, ein Präzisierungsschaltkreis zwi­ schen Abtastschaltkreis und Auswertschaltkreis vorzusehen. Damit wird zunächst erreicht, daß ein in dem Auswertschaltkreis gewon­ nenes, digitales Signal mit diskreten Werten in ein zweites Signal umgewandelt wird, das dem wirklichen Verlauf der Licht­ intensität an dem Fühler besser entspricht. Zugleich wird das zweite Signal bereits bei Zuführung zu dem Auswertschaltkreis für die Erzielung einer höheren Auflösung vorbereitet.

Besonders vorteilhaft ist es, daß durch das Anlegen eines höher­ frequenten Taktsignales an den Auswertschaltkreis eine höhere Auflösung erzielbar ist, ohne daß zusätzliche schaltungs­ technische Maßnahmen größeren Aufwandes erforderlich wären. Zur Erzeugung eines zweiten, höherfrequenten Taktsignales kann die Frequenz eines Oszillators verwendet werden, wobei das Takt­ signal des Abtastschaltkreises durch Frequenzteilung aus dem Taktsignal des Auswertschaltkreises erzeugbar ist.

Hieraus ergibt sich zugleich der besondere Vorteil, daß die Sig­ nale zueinander synchronisiert sind, so daß eine Signalübernahme stets zu definierten Zeitpunkten gewährleistet ist.

Wenn beispielsweise ein scharf gebündelter Lichtbalken auf den Fühler geleitet wird, steht am Ausgang des Abtastschaltkreises ein treppen- oder stufenförmiges Signal an, dessen Grundform der Gauß-Funktion entspricht. Durch die erfindungsgemäße Signal­ umwandlung in dem Präzisierungsschaltkreis, die beispielsweise als Digital/Analog-Wandlung angesehen werden kann oder jeden­ falls eine Filterung darstellt, kann aus diesem treppenförmigen Signal in Form einer Gauß-Funktion ein Signal erzeugt werden, daß dem Auswertschaltkreis zugeleitet wird. Dieses erste Signal ist besonders vorteilhaft ein analoges Signal, daß durch Inte­ gration des Ausgangssignales des Abtastschaltkreises entstanden ist.

In dem Auswertschaltkreis wird dieses erste Signal einem Kom­ parator zugeleitet. Der Komparator vergleicht dieses Signal mit einer konstanten Referenzspannung und erzeugt zu einem definier­ ten Zeitpunkt Pegelübergänge von logisch "0" auf "1" und zurück. In dem Auswertschaltkreis werden diese Pegelübergänge in eine zeitliche Beziehung zu dem eigentlichen Abtastvorgang gesetzt. Beispielsweise kann als Referenz ein für den Abtastschaltkreis vorgesehener Übernahmeimpuls vorgesehen werden.

Mittels des höherfrequenten Taktsignales des Auswertschalt­ kreises wird nun die exakte Zeitperiode zwischen dem Übernahme­ impuls und dem ersten Pegelübergang und/oder dem zweiten Pe­ gelübergang des nunmehr anstehenden Meßsignales ermittelt. Diese Zeitperiode ist der Position des Lichtstrahles proportional. Besonders vorteilhaft ist es, daß sich auf diese Weise die Position des Lichtstrahles exakter erfassen läßt, als dies bis­ lang möglich war, ohne daß besonderer schaltungstechnischer Auf­ wand erforderlich wäre. Es hat sich gezeigt, daß dies erfin­ dungsgemäß dann möglich ist, wenn die Beleuchtung und auch sämt­ liche Betriebsparameter der Auswert- und Abtastschaltkreise konstant gehalten werden.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung erlaubt es, einen Fühler mit einer erheblich größeren Anzahl von lichtempfind­ lichen Flächen als die derzeit nach dem Stand der Technik möglichen 4096 Pixel zu simulieren. Beispielsweise kann die Auflösung um den Faktor 10, also bis unter 1 µm, gesteigert werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Integrierglied mit einer vorgegebenen Zeitkonstante in dem Präzisierungsschaltkreis vor­ gesehen ist. Zwar kann prinzipiell jede mögliche Art der Zwi­ schenwertbildung zwischen den konstanten Werten in benachbarten vorgegebenen Zeitabschnitten verwendet werden. Wenn jedoch ein Integrierglied mit einer vorgegebenen Zeitkonstante verwendet wird, ist es beispielsweise möglich, die durch das Integrier­ glied eingebrachte Zeitverzögerung ausgangsseitig des Auswert­ schaltkreises zu berücksichtigen.

Ferner kann die Zeitkonstante des Integriergliedes auf die Fre­ quenz des Taktsignales des Abtastschaltkreises abgestimmte wer­ den. Dadurch ist es möglich, ein erstes Signal ohne Amplituden­ sprünge in den Auswertschaltkreis einzuleiten, ohne daß bei grö­ ßeren Amplitudenänderungen, welchen scharfen Lichtintensitäts­ sprüngen entsprechen, eine Abnahme der Meßgenauigkeit zu be­ fürchten wäre.

Besonders günstig ist es, wenn das der Position des Lichtstrah­ les proportionale zweite Signal in einem Mikroprozessor erzeugt wird, der die durch das Integrierglied entstehende Zeitverzö­ gerung berücksichtigen kann.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile sind in der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Teils einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen optischen Fühlereinrichtung;

Fig. 2 ein Zeitdiagramm zur Darstellung der zeitlichen Abfolge der Taktsignale, des Meßsignales und des Übernahme­ impulses in der Ausführungsform gemäß Fig. 1;

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Fühlereinrichtung; und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fühlereinrichtung.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Teils einer erfindungsgemäßen Fühlereinrichtung fällt ein Lichtstrahl 10 durch eine Sammellinse 12 auf einen Fühler 14, der in diesem Ausführungsbeispiel als CCD-Zeilensensor ausgebildet ist. Der Fühler 14 weist 4096 Sensoreinheiten auf, die zeilenförmig nebeneinander angeordnet sind. Über einen Abtastschaltkreis 16 erfolgt in an sich bekannter Weise eine Abtastung der 4096 Sen­ soreinheiten.

Hierzu wird ein Übernahmeimpuls über einen Anschluß a an den Abtastschaltkreis 16 angelegt. Der Abtastschaltkreis 16 tastet, getaktet von einem Taktsignal f _p , welches über einen Anschluß b an den Abtastschaltkreis 16 angelegt wird, nacheinander die Sensoreinheiten ab und gibt an seinem Ausgangsanschluß 20 ein erstes Signal mit der Signalform 22 ab. Das erste Signal wird an einen Präzisierungsschaltkreis 24 angelegt, der das erste Signal in die Signalform 26 umwandelt. Das erste Signal wird in der Signalform 26 einem Auswertschaltkreis zugeführt, dessen Teil 28 a in Fig. 1 dargestellt ist. Der Teil 28 a weist einen Kompa­ rator 30 und eine Referenzspannungsquelle 32 auf. Der Komparator 30 weist einen Ausgangsanschluß c auf.

Wenn das in den nichtinvertierenden Eingang des Komparators 30 eingeleitete erste Signal eine höhere Amplitude als die Refe­ renzspannung der Referenzspannungsquelle 32 aufweist, liegt am Ausgang c des Komparators 30 ein Signal mit dem logischen Pegel "1" an; andernfalls ein Signal mit dem logischen Pegel "0". Die Signalform 26 entspricht im wesentlichen einer Gauß-Funktion. Das von dem Komparator 30 abgegebene Signal ist daher ein Recht­ ecksignal, dessen vordere und hintere Flanke zeitlich vom Ver­ hältnis des Amplitudeverlaufes der Gauß-Funktion und der Größe der Referenzspannung abhängen.

In Fig. 2 ist die zeitliche Aufeinanderfolge der erfindungsgemäß vorgesehenen Signale dargestellt. Der bei Anschluß a in den Ab­ tastschaltkreis 16 eingeleitete Übernahmeimpuls weist eine fal­ lende Flanke auf, die das erste Taktsignal f _p , das zweite Takt­ signal f _a und das Meßsignal oder Komparatorsignal am Ausgang c des Komparators miteinander synchronisieren.

Der Übernahmeimpuls weist eine Periode auf, die mindestens ge­ nauso lang ist wie 4096 Perioden des Taktsignales f _p . Dadurch wird erreicht, daß durch das Taktsignal f _p sämtliche 4096 Sen­ soreinheiten abgetastet werden können.

Das Taktsignal f _a weist eine Periode auf, die erheblich kürzer als die Periode des Taktsignales f _p ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis der Frequenzen der Taktsignale eins zu vier. Dieses Verhältnis entscheidet über die erfindungsgemäß bewirkte Erhöhung der Auflösung. Durch den Ver­ gleich des Taktsignales f _p mit dem am Ausgang c des Komparators anliegenden Komparatorsignal kann festgestellt werden, daß die Vorderflanke des dort anstehenden Meßimpulses in den Bereich des (n + 1)-ten Pixels fällt. Übertragen auf den erfaßten Lichtbal­ ken bedeutet dies, daß die Position des Lichtstrahles mit einer Genauigkeit von 10 µm bestimmt werden kann, wenn die zuvor er­ wähnten Dimensionierungen gewählt werden. Eine genauere Bestimmung der Position des Lichtbalkens ist mit dem Taktsignal f _p nicht möglich.

Erst durch einen Vergleich des Meßimpulses am Ausgang c des Komparators 30 mit dem Taktsignal f _a des Auswertschaltkreises kann die Position des Lichtbalkensignales um den Faktor K = f _a /f _p genauer bestimmt werden. Für das vorliegende Zahlen­ beispiel ergibt sich demnach mit K = 4 eine maximale Auflösung von 2,5 µm.

Selbstverständlich kann auch die Rückflanke des Komparator­ signales zu Meßzwecken herangezogen werden.

Der in Fig. 1 dargestellte Teil der Schaltung kann mit verschie­ denen Teilen 28 b des Auswertschaltkreises kombiniert werden. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist es ein im Beispielsfalle als Flip-Flop ausgebildeten Haltekreis 34 vor­ gesehen, der ansprechend auf das Komparatorsignal am Anschluß c gesetzt wird. Der Rücksetzeingang des Haltekreises 34 ist mit dem Eingang a für den Abtastschaltkreis 16 verbunden, an welchem der Übernahmeimpuls anliegt. Dadurch wird der Haltekreis 34 durch den im Komparatorsignal enthaltenen Meßimpuls gesetzt und durch den Übernahmeimpuls zurückgesetzt.

Der Ausgangsanschluß des Haltekreises 34 ist mit einem Mikro­ prozessorbaustein 36 verbunden. Durch den Vergleich des Halte­ kreissignales mit dem Taktsignal f _a , das ebenfalls an den Mikroprozessorbaustein 36 angelegt wird und dessen Flanken in dem Mikroprozessor auf einfache Weise gezählt werden können, kann der Zeitpunkt des Meßimpulses erkannt werden.

Das Taktsignal f _a wird in einem Taktgenerator 38 erzeugt. Da es sich um das höchstfrequente auftretende Signal handelt, ist es günstig, das Taktsignal f _p und den Übernahmeimpuls aus diesem Signal herzuleiten. Hierzu dient ein Frequenzteiler 40, der aus dem Taktsignal f _a in an sich bekannter Weise ein Signal mit einer vierfach längeren Periode erzeugt, das als Taktsignal f _p für den Abtastschaltkreis verwendet wird. Für die Erzeugung des Übernahmeimpulses ist ein Synchronisierungsschaltkreis 42 vor­ gesehen, der aus dem Taktsignal f _a den Übernahmeimpuls erzeugt. Der Synchronisierungsschaltkreis 42 und der Frequenzteiler 40 sind aufeinander so abgestimmt, daß das Verhältnis der Perioden ihrer Ausgangssignale der Anzahl der Sensoreinheiten oder Pixel entspricht.

In dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Frequenzteiler 40 im Gegensatz zu dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Ausgangsanschlüssen auf. Diese Ausgangsanschlüsse geben einen in binärer Form parallel vorliegenden Wert ab. Die an jedem Ausgang anliegenden logischen Pegel ändern sich fortlaufend ansprechend auf den Takt des Takt­ generators 38, so daß ein Zählvorgang stattfindet. Das an dem LSB (=least significant bit) -Anschluß anliegende Signal ent­ spricht in diesem Falle dem Taktsignal f _a , während das Takt­ signal f aus dem Ausgangsanschluß mit der gegenüber dem LSB- Anschluß 8fach längeren Periode hergeleitet wird. Anstelle des Haltekreises 34 ist ein Differenzierglied 44 vorgesehen, das ansprechend auf die Vorderflanke des Komparatorsignales einen Taktimpuls oder Strobe erzeugt. Da beim Auftreten dieses Strobes ein definierter Zählwert am parallelen Ausgang des Frequenz­ teilers 40 anliegt, der der seit dem Auftreten des Übernahme­ impulses verstrichenen Zeitdauer proportional ist, kann auf diese Weise unmittelbar ein der Position des Lichtbalkens entsprechendes Signal gewonnen werden.

Der von dem Synchronisierungsschaltkreis 42 erzeugte Über­ nahmeimpuls wird in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 zusätzlich dazu verwendet, den Zähler in dem Frequenzteiler 40 zurückzusetzen. Ferner dient dieses Signal dazu, einen nicht dargestellten Haltekreis zurückzusetzen, der zur Übernahme des dem Meßimpuls entsprechenden Zählwertes von dem Ausgang des Frequenzteilers 40 dient.

Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle des CCD-Zeilen­ sensors einen anderen, insbesondere einen eine Mehrzahl von Sen­ soreinheiten nebeneinander aufweisenden Sensor einzusetzen.

Claims (9)

1. Optische Fühlereinrichtung mit einem Fühler, insbesondere mit einem CCD-Zeilensensor, der eine Mehrzahl von gleichartigen Sen­ soreinheiten aufweist, die in im wesentlichen gleichem Abstand nebeneinander angeordnet sind, mit einem Abtastschaltkreis, der ansprechend auf ein Taktsignal ein erstes Signal erzeugt, das für vorgegebene Zeitabschnitte konstante Werte aufweist, und mit einem Auswertschaltkreis, der ansprechend auf das erste Signal ein zweites Signal abgibt, das die Erfassung der Position eines Lichtstrahles auf dem Fühler erlaubt, dadurch gekennzeichnet, daß an den Abtastschaltkreis (16) ein Präzisierungsschaltkreis (24) angeschlossen ist, der Zwischenwerte zwischen den konstan­ ten Werten erzeugt und das zweite Signal an den Auswertschalt­ kreis (28 a, 28 b) abgibt, und daß dem Auswertschaltkreis (28 a, 28 b) ein höherfrequentes Taktsignal (f _a ) als dem Abtastschaltkreis (16) zugeführt wird.

2. Fühlereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Auswertschaltkreis (28 a, 28 b) zugeführte Taktsignal (f _a ) mit dem dem Abtastschaltkreis (16) zugeführten Taktsignal (f _p ) synchronisiert ist.

3. Fühlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (14) für eine zeilen­ förmige Abtasung vorgesehen ist und daß der Abtastschaltkreis (16) einen Zwischenspeicher aufweist, der ansprechend auf einen Übernahmeimpuls die von den Sensoreinheiten erzeugten konstanten Werte abspeichert.

4. Fühlereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktsignale (f _p , f _a ) mit dem Übernahmeimpuls synchro­ nisiert sind.

5. Fühlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Präzisierungsschaltkreis (24) ein Integrierglied aufweist.

6. Fühlereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des Integriergliedes im wesentlichen der Taktfrequenz des Abtastschaltkreises (16) entspricht.

7. Fühlereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante des Integriergliedes größer als die Periode des Taktsignales (f _p ) ist.

8. Fühlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Taktsignales (f _a ) des Auswertschaltkreises (28 a, 28 b) etwa das Zehnfache der Frequenz des Taktsignales (f _p ) des Abtastschaltkreises (16) beträgt.

9. Fühlereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Auswertschaltkreis (28 a, 28 b) zugeleitete erste Signal einen zeitkontinuierlichen Amplituden­ verlauf aufweist.