DE3844606C2 - Optischer Sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor mit einer Pro­ jektionseinrichtung, die Licht auf ein Objekt projiziert, das sich in einer Erfassungszone befinden kann, mit einer Lichtaufnahmeeinrichtung, auf die das vom Objekt als Licht­ fleck aus der Erfassungszone zurückgeworfene Licht fällt, wobei die Projektionseinrichtung, das Objektiv und die bei der Projektionseinrichtung angeordnete Lichtaufnahmeeinrich­ tung ein Dreieck bilden und die Lichtaufnahmeeinrichtung mehrere dreieckförmige, lichtempfindliche Detektorelemente aufweist, die jeweils ein elektrisches Signal abgeben und von denen jeweils zwei aneinandergrenzende Detektorelemente entlang einer Linie aneinandergefügt sind, die bei sich ändernder Entfernung des Objekts von der Lichtaufnahmeein­ richtung schräg zu der Bewegungsrichtung des Lichtflecks verläuft, wobei der Lichtaufnahmeeinrichtung eine Linse optisch vorgeordnet ist, die das vom Objekt zurückgeworfene Licht in einem senkrecht zu dieser Bewegungsrichtung gedehn­ ten Lichtfleck konzentriert, und mit einer Signalverarbei­ tungseinrichtung, die aus dem Verhältnis der an sie angeleg­ ten Signale von den Detektorelementen die Entfernung des Objekts bestimmt.

Derartige Sensoren eignen sich insbesondere zur Erfassung eines innerhalb eines bestimmten Bereichs vorhandenen Objekts.

Bei einem aus der US 4 477 168 bekannten optischen Sensor der eingangs genannten Art ist die der Lichtaufnahmeeinrich­ tung vorgeordnete Linse eine herkömmliche Zylinderlinse. Die zugeordnete Lichtaufnahmeeinrichtung ist mit zwei Detektor­ elementen versehen. Bei diesem Sensor ist die Objekterfas­ sung zumindest dann erschwert, wenn sich das jeweilige Objekt am Rande der Erfassungszone befindet und sich bei­ spielsweise in einer Richtung bewegt, die senkrecht zur die Projektionseinrichtung, das Objekt und die Lichtaufnahme­ einrichtung enthaltenden Ebene verläuft.

In dem DE-GM 18 58 440 ist eine Abtastvorrichtung beschrie­ ben, bei der ein auf einem Schirm einer oszillographischen Röhre erzeugter Lichtstrahl durch zwei Photozellen hinsicht­ lich seiner Lage quer zur Licht/-Längsrichtung abgetastet wird, wobei die Photozellen durch nebeneinanderliegende Dreiecksblenden abgedeckt sind. Die Dreiecksblenden sind derart vor dem zu messenden Lichtstrich angeordnet, daß in einer Sollage die Photozellen durch zwei gleich große Teil­ strichlängen beaufschlagt werden und bei einer Verlagerung des Lichtstriches in Querrichtung der eine Teilstrich größer und der andere Teilstrich entsprechend kleiner wird, so daß über das Verhältnis der beiden Photozellen-Signale die je­ weilige Abweichung festgestellt werden kann.

Bei dieser Abtastvorrichtung ist die Länge des Lichtstriches aufgrund dessen Erzeugung auf einem Oszillographenschirm von vornherein festgelegt. Darüber hinaus ist auch die in Strich-Längsrichtung betrachtete Lage des Lichtstriches relativ zu der Abtastrichtung in jedem Fall festgelegt.

In dem von J. A. Neff verfaßten Artikel "Optical Inter­ connections Between Integrated Circuit Chips" in "Hybrid Circuits" Nr. 10 vom Mai 1986, S. 68-71, ist eine optische Verknüpfung zwischen einander entsprechenden Teilen eines Sensorschaltkreises beschrieben, bei der ein optisches Lei­ tersystem verwendet wird. Hierbei sind Schaltkreischips mittels Lichtleitfasern miteinander verknüpft, die an die Stelle der üblichen, durch leitende Folien oder dergleichen gebildete Leiterverbindungen treten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst zuverlässige Objekterfassung und Bestimmung der Objektent­ fernung insbesondere auch dann zu gewährleisten, wenn sich dieses Objekt am Rande der Erfassungszone befindet.

Diese Aufgabe wird durch einen optischen Sensor mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Eine vorteilhafte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen optischen Sensors ergibt sich aus dem Anspruch 2.

Die Projektionseinrichtung, die Lichtaufnahmeeinrichtung und die Signalverarbeitungseinrichtung können mittels einer op­ tischen Leiterplatte miteinander verknüpft sein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrie­ ben; in dieser zeigen:

Fig. 1 ein erläuterndes Diagramm eines optischen Sensors unter Verwendung einer Ana­ morphotlinse;

Fig. 2 bis 4 erläuternde Ansichten der Wirkungsweise des optischen Sensors von Fig. 1;

Fig. 5 bis 7 erläuternde Ansichten von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen, wenigstens drei Fotodioden aufweisenden optischen Sensors unter Verwendung der Anamorphotlinsen; und

Fig. 8 bis 10 erläuternde Ansichten über die Wirkungsweise des optischen Sensors von Fig. 5.

Ein den in der Zeichnung beschriebenen Sensorvarianten gemeinsames Merkmal besteht darin, daß in der Lichtaufnahmeeinrichtung eine Lichtauf­ nahmelinse verwendet wird, die eine Anamorphotlinse enthält. Durch diese Anamorphotlinse wird ein gebündelter Lichtstrahl gedehnt, der auf eine Positionsabtasteinrichtung trifft, um die Position eines Objekts in einer Erfassungszone in Abhängigkeit von dem Licht zu erfassen, das von diesem Objekt reflektiert wurde. Hierbei wird der gebündelte Lichtstrahl in einer Richtung gedehnt, die zu seiner Bewegungsrichtung senkrecht ist. Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, ist eine Lichtaufnahmeeinrichtung 702 vorgesehen, die zweckmäßigerweise von einer Lichtprojektionseinrichtung 700 beabstandet ist und eine lichtaufnehmende Anamorphotlinse 742 enthält. Eine Positionsabtasteinrichtung 721 ist hinter der Anamorphotlinse 742 angeordnet ist. Die Positionsabtast­ einrichtung 721 enthält zwei Fotodioden 721a und 721b, de­ ren Berührungslinie derart angeordnet ist, daß sie bezüglich einer Geraden diagonal verläuft, die sich in Bewegungsrichtung (durch den Pfeil M dargestellt) des gebündelten Lichtpunkts bzw. Lichtflecks S, der die lichtaufnehmende Anamorphotlinse 742 durchdrungen hat, erstreckt.

In dieser Anordnung wird das Licht von der Projektionseinrichtung 700 projiziert. Von den Objekten OJ1, OJ2 oder OJ3, die sich in der Erfassungszone in einer Entfernung R₁, R₂ oder R₃ von der Projektionseinrichtung 700 befinden, reflektiertes Licht wird, sobald es die licht­ aufnehmende Anamorphotlinse 742 durchdringt, gebündelt, und es bildet auf der Positionsabtasteinrichtung 721 einen gebün­ delten Lichtpunkt S1, S2 oder S3. Auf dieser Positions­ abtasteinrichtung 721 nimmt jeder gebündelte Lichtpunkt eine Position entsprechend der Entfernung des Objektes an, wie in Fig. 1 zu sehen ist. Die Positionsabtastein­ richtung 721 liefert einen Ausgangsstrom, in dem das Ver­ hältnis I_A/I_B der Ausgänge beider Fotodioden 721a und 721b in Abhängigkeit von der Lage des gebündelten Lichtpunk­ tes variiert. Daher kann die Entfernung eines Objektes auf der Grundlage des Verhältnisses I_A/I_B des Ausgangsstroms erhalten werden. Im vorliegenden Fall sind die auf die Ent­ fernung zu dem Objekt ansprechenden gebündelten Lichtpunkte S1 bis S3 jeweils in einer Richtung, die senkrecht zur Bewegungsrichtung M des Lichtpunktes ist, derart gedehnt, daß sie geradlinig sind, wie in Fig. 2 zu sehen ist. Dadurch wird die Verteilung der Beleuchtungsstärke der geradlinig verlaufenden gebündelten Lichtpunkte auf der Projektionsabtasteinrichtung 721 immer im wesentlichen konstant gehalten, selbst dann, wenn sich das Objekt OJ quer zum Erfassungsbereich in einer Richtung bewegt, die senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 verläuft, oder insbesondere dann, wenn das Objekt sich in einer Position befindet, die senkrecht in bezug auf die Zeichenebene von der optischen Achse des Lichts der Lichtprojektionseinrichtung 700 abweicht, was sowohl in den Fig. 3(a) bis 3(c) als auch in den Fig. 4(a) bis 4(c) zu sehen ist. Mit anderen Worten, das Abtasten eines Objekts, das die optische Achse in senkrechter Richtung in bezug auf die Zeichenebene durchquert, führt zu einer solchen Änderung der Beleuchtungsstärke LU, wie in den Kurven der Fig. 4 gezeigt, aber zu einer solch konstanten Beleuchtungsvertei­ lung, daß das Verhältnis I_A/I_B der Positionsabtast-Signale I_A und I_B, die von den Fotodioden 721a und 721b erzeugt werden, sich nicht ändern wird und stets genaue Positions- und Entfernungs-Signale erhalten werden können.

Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen optischen Sensors ergeben sich aus den Fig. 5 bis 10. Hierbei umfassen die Lichtaufnahmeeinrichtungen Positionsabtastein­ richtungen 821, 821a bzw. 821b, die jeweils drei oder mehr zusammengefügte Fotodioden enthal­ ten. Wenn z. B. die Positionsabtasteinrichtung 821 drei Foto­ dioden (s. Fig. 5) enthält und der gebündelte Lichtpunkt S näher an einer Schmalseite der Positionsabtasteinrichtung 821 angelegt wird (s. Fig. 8), wird die Beleuchtungsver­ teilung LU der geradlinig verlaufenden gebündelten Licht­ punkte durch die Anamorphotlinse 742 über die gesamte Positions­ abtasteinrichtung 821 im wesentlichen konstant gehalten, kann aber nicht vollständig konstant gehalten werden. Durchquert das Objekt OJ in der Erfassungszone die optische Achse in bezug auf die Zeichnungsebene in senkrechter Richtung, so verläuft die Beleuchtungsstärke LU wie in den Fig. 9(a) bis 9(c) dargestellt. Besonders der in Fig. 9(a) dargestellte Zustand zeigt, daß das Ausgangssignal der links außen befindlichen Fotodiode derart ansteigt, daß es so hoch ist, daß es nicht mehr möglich ist, eine genaue I_A/I_B-Information zu erhalten. In diesem Fall, wie in den Fig. 5 bis 7 gezeigt, in denen spitzwinklige, dreieck­ förmige Fotodioden in Längsrichtung der Positionsabtastein­ richtungen 821, 821a und 821b ineinandergeschachtelt sind, d. h. in Bewegungsrichtung M des gebündelten Lichtpunktes, sind die Fotodioden in jeder Einrichtung derart angeordnet, daß ein Ausgangssignal I_A von einer Gruppe von Fotodioden er­ halten wird, einschließlich von denjenigen, die an beiden Breitseiten angeordnet sind, während das andere Ausgangs­ signal I_B von einer anderen Fotodiode oder einer Gruppe von Fotodioden, die nur innen angeordnet sind, erhalten wird. Es ist möglich, daß das Entfernungs-Signal I_A/I_B einer eines Objektes, das sich innerhalb der Erfassungszone in einer Richtung quer zur optischen Achse bewegt, größer wird als der genaue Wert der tatsächlichen Entfernung R, d. h. das durch die Positionsabtasteinrichtung 821 ausgegebene Signal wird von einer Signalverarbeitungseinrichtung dahingehend erkannt, daß es einer größeren Entfernung als der tatsächlichen Ent­ fernung entspricht. Weiterhin ist es ermöglicht, ein Auf­ treten irgendeiner fehlerhaften Funktion zuverlässig zu verhindern, die aufgrund einer ungleichen Signalerzeugung (s. Fig. 9(a)) auftreten kann, und zwar in bezug auf ein Objekt, das nun beginnt, sich quer zur Erfassungszone zu bewe­ gen, aber nicht in Richtung hin zur Lichtaufnahmeeinrich­ tung. Weiterhin ist es möglich, zur Positionsermittlung eine Einrichtung zu verwenden, die in der US-PS 4 633 077 (oder der DE-PS 34 07 210) offenbart worden ist.

In Fig. 10 ist ein weiterer optischer Sensor dargestellt, in welchem eine wiederum eine Positionsabtasteinrichtung 921 umfassende Lichtaufnahmeeinrichtung 902 vorgesehen ist, die eine lichtaufnehmende Anamorphotlinse 942 und ein Prisma 960 aufweist, das zwischen der Anamorphotlinse 942 und der Positionsabtasteinrichtung 921 angeordnet ist und entlang der Positionsabtasteinrichtung 921 zur Einstellung der festgesetzten Erfassungszonenstrecke verschiebbar ist. Durch diese Anordnung kann die Position des gebündelten Lichtpunktes auf der Positions­ abtasteinrichtung 921 variiert werden und es kann, in Kom­ bination mit einer Positionsabtasteinrichtung der oben be­ schriebenen Art, eine ähnliche fehlerhafte Funktionsweise wirkungsvoll verhindert werden. Weiterhin ist es mit dieser Anordnung möglich, die benötigte Einrichtung zur Einstel­ lung der Erfassungszone erheblich zu vereinfachen, Verbesse­ rungen bezüglich der Einfachheit des Zusammenbauens und in der Massenproduktion zu erzielen und die Zuverlässigkeit durch Verringerung der Möglichkeit fehlerhafter Funktions­ weisen zu erhöhen.

Im übrigen kann der optische Sensor insbesondere so aufgebaut sein, wie dies in der DE-OS 38 03 529 (Stammanmeldung) beschrieben ist.

Claims (2)

1. Optischer Sensor mit einer Projektionseinrichtung, die Licht auf ein Objekt projiziert, das sich in einer Erfas­ sungszone befinden kann, mit einer Lichtaufnahmeeinrichtung, auf die das vom Objekt als Lichtfleck aus der Erfassungszone zurückgeworfene Licht fällt, wobei die Projektionseinrich­ tung, das Objekt und die bei der Projektionseinrichtung angeordnete Lichtaufnahmeeinrichtung ein Dreieck bilden und die Lichtaufnahmeeinrichtung mehrere dreieckförmige, licht­ empfindliche Detektorelemente aufweist, die jeweils ein elektrisches Signal abgeben und von denen jeweils zwei aneinandergrenzende Detektorelemente entlang einer Linie aneinandergefügt sind, die bei sich ändernder Entfernung des Objekts von der Lichtaufnahmeeinrichtung schräg zu der Be­ wegungsrichtung des Lichtflecks verläuft, wobei der Licht­ aufnahmeeinrichtung eine Anamorphotlinse optisch vorgeordnet ist, die das vom Objekt zurückgeworfene Licht in einem senk­ recht zu dieser Bewegungsrichtung gedehnten Lichtfleck konzentriert, und mit einer Signalverarbeitungseinrichtung, die aus dem Verhältnis der an sie angelegten Signale von den Detektorelementen die Entfernung des Objekts bestimmt, wobei die Lichtaufnahmeeinrichtung (821; 821a; 821b; 921) minde­ stens drei ineinandergeschachtelte dreieckförmige Fotodioden aufweist, von denen mindestens zwei an den beiden Außensei­ ten der anderen, innenseitig liegenden angeordnet sind, und wobei das eine Signal (I_A) von den beiden außen angeordneten Fotodioden sowie das andere Signal (I_B) von der innen ange­ ordneten Fotodiode geliefert wird.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtaufnahmeeinrichtung (921) und der Anamorphotlinse ein Prisma (960) verschiebbar angeordnet ist.