DE3920133A1 - Optical sensor for object position and-or contour - guides object reflected light from source to opto-electronic receiver via optical system - Google Patents
Optical sensor for object position and-or contour - guides object reflected light from source to opto-electronic receiver via optical systemInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur Untersuchung der Lage und/oder der Kontur eines Objekts, der für die Auf gabenbereiche Werkstückhandling, Montage und Schweißnaht erkennung Informationen über das Objekt gibt.The invention relates to an optical sensor for examination the position and / or the contour of an object that is responsible for the on Workpiece handling, assembly and weld seam detection gives information about the object.
Bei bekannten Meßanordnungen, die beispielsweise in einem Auf satz von Feutlinske, K.; Gast, Th.: "Berührungslose optisch elektrische Prüfung von Lagen und Dimensionen. Qualität und Zuverlässigkeit" 30 (1985) 7, Seiten 204 bis 214 beschrieben sind, müssen Meßfehler, die beispielsweise durch Abschattungen an Bohrungen und Kanten bei der Werkstückskontrolle sowie durch unterschiedliches Reflexionsverhalten der Prüfobjekte verur sacht werden, möglichst gering gehalten werden.In known measuring arrangements, for example in an up theorem by Feutlinske, K .; Gast, Th .: "Non-contact optically electrical testing of positions and dimensions. Quality and Reliability "30 (1985) 7, pages 204 to 214 there must be measurement errors caused, for example, by shadowing on bores and edges during workpiece inspection and through different reflection behavior of the test objects be kept as low as possible.
Weiterhin ist bei bekannten Abstandssensoren, deren Funktion auf der sogenannten Triangulation basiert, weder der Refle xionswinkel der empfangenen Lichtstrahlen noch der gesamte empfangene Lichtstrom konstant. Der Lichtstrom ist hier umge kehrt proportional zum Quadrat der Entfernung. Ein solches Triangulationsverfahren ist - für sich gesehen - beispielsweise aus einem Aufsatz von Bickel, G.; Häusler, G.; Maul, M.: "Tri angulation with expanded range of depth", Optical Engineering 24 (1985) 6, Seiten 975 bis 977 bekannt.Furthermore, with known distance sensors, their function based on the so-called triangulation, neither the Refle xionswinkel the received light rays still the whole received luminous flux constant. The luminous flux is reversed here returns proportional to the square of the distance. Such one The triangulation process is - in itself - for example from an article by Bickel, G .; Häusler, G .; Maul, M .: "Tri angulation with expanded range of depth ", optical engineering 24 (1985) 6, pages 975 to 977.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor so auszubilden, daß der im Sensor detektierte Lichtstrom zuverlässig ausgewertet werden kann. The invention has for its object an optical Design the sensor so that the luminous flux detected in the sensor can be reliably evaluated.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist ein optischer Sensor der eingangs genannten Art die Merkmale des Kennzeichens des An spruchs 1 auf.To solve this problem, an optical sensor has the initially mentioned the characteristics of the label of the An say 1.
Mit der vorliegenden Erfindung wird erreicht, daß die Wirkung einer Vielzahl von störenden Einflüssen, beispielsweise bei der Abstandsermittlung eines Objekts, reduziert werden kann, um dadurch die oben genannten Anwendungsfälle optimal zu ge stalten. Das Problem der Abschattungen an Bohrungen und Kanten wird erfindungsgemäß gelöst durch die rotationssymmetrische Aufnehmercharakteristik und die kleinere Basisbreite des hier angewandten sogenannten Triangulationsverfahrens. Außerdem lassen sich die durch unterschiedliche Reflexionseigenschaften des zu untersuchenden Objekts bedingten Meßfehler reduzieren. Ermöglicht wird dies sowohl durch die rotationssymmetrische Aufnehmercharakteristik als auch durch die zumindest reduzierte Entfernungsunabhängigkeit des vom Prüfobjekt reflektierten und vom optischen Aufnehmer des Sensors detektierten Lichtstromes. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Abstandssensors ist, daß in einem definierten Entfernungsbereich Lichtstrahlen er faßt werden, die jeweils unter gleichem entfernungsabhängigen Winkel von der Oberfläche reflektiert worden sind.With the present invention the effect is achieved a variety of disruptive influences, for example the distance determination of an object can be reduced, in order to optimize the above-mentioned applications design. The problem of shadowing on holes and edges is solved according to the invention by the rotationally symmetrical Transducer characteristics and the smaller base width of the here applied so-called triangulation process. Furthermore can be achieved through different reflection properties reduce the measurement error caused by the object to be examined. This is made possible by the rotationally symmetrical Transducer characteristics as well as the at least reduced Distance independence of the reflected and from the test object luminous flux detected by the sensor's optical sensor. Another advantage of the distance sensor according to the invention is that that in a defined range of light rays are summarized, each under the same distance-dependent Angles have been reflected from the surface.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Sensors sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous further developments of the sensor according to the invention are specified in the subclaims.
Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert, wobeiThe invention is explained with reference to the figures, wherein
Fig. 1 eine Prinzipanordnung des optischen Sensors mit dem Verlauf der Lichtstrahlen, Fig. 1 shows a schematic arrangement of the optical sensor with the passage of light beams,
Fig. 2 ein Detailbild eines Ausführungsbeispiels eines opti schen Aufnehmers im Sensor, Fig. 2 is a detail diagram of one embodiment of an optical pickup in the sensor's,
die Fig. 3 bis 5 und 8 weitere Ausführungsbeispiele des op tischen Aufnehmers, FIGS. 3 to 5 and 8, further embodiments of the op tables pickup,
die Fig. 6 und 7 abgewandelte Prinzipanordnungen des opti schen Sensors nach Fig. 1 und the optical sensor of FIG rule Figs. 6 and 7 modified principle arrangements. 1 and
die Fig. 9 bis 11 Ausführungsformen des optischen Sensors für ringförmige und lineare Bildabtastung der Ober fläche des zu untersuchenden Objekts darstellen. FIGS. 9 to 11 embodiments of the optical sensor for annular and linear image scanning of the upper surface of the pose to the object under examination.
Das Prinzip eines Ausführungsbeispiels eines optischen Sensors zur Abstandsbestimmung ist schematisch in der Fig. 1 darge stellt. Hierbei ist eine punktförmige Beleuchtung eines Objek tes OB, hier in den Positionen P1 und P2, mit einer Lichtquelle LQ (z. B. Laser, LED mit Projektionsoptik) oder einer licht zuführenden Glasfaser vorausgesetzt. Zur Ermittlung der Entfer nungsinformation dient ein optisches Linsensystem, bestehend aus einem Axicon AX und einer Linse L, womit kegelförmige Lichtstrahlbündel mit einem gleichen Kegelwinkel Ω auf einen Punkt fokussiert und mit einem richtungsselektiven, opto elektronischen Aufnehmer A detektiert werden.The principle of an embodiment of an optical sensor for determining the distance is shown schematically in FIG. 1. Spot lighting of an object OB, here in positions P 1 and P 2 , with a light source LQ (for example laser, LED with projection optics) or a light-feeding glass fiber is required. An optical lens system, consisting of an Axicon AX and a lens L, is used to determine the distance information, with which conical light beams with the same cone angle Ω are focused on a point and detected with a direction-selective, opto-electronic pickup A.
Bei einer alternativen, hier nicht dargestellten Ausführung als faseroptischer Sensor wird zwischen diesen Komponenten eine Lichtleitfaser geschaltet.In an alternative embodiment, not shown here, as fiber optic sensor becomes one between these components Optical fiber switched.
Das vom Objekt OB reflektierte Licht wird vom optischen System innerhalb von Kreisringzonen erfaßt und zur Aufnahmefläche des optoelektronischen Aufnehmers A gerichtet. Wie in Fig. 1 dar gestellt, können die zugehörigen Lichtstrahlen jeweils entlang einer Kegel-Mantelfläche (mit Kegelwinkel Ω und Öffnungs winkel ΔΩ) verlaufen. Diese Art der Abbildung ist beispiels weise möglich mit dem Axicon AX in Kombination mit der Sammel linse L oder mit einem besonderen Objektiv. Bekannt ist der Einsatz von Axicons (z. B. in Form eines kegelförmigen, licht brechenden Körpers) auch in Lasersystemen, wobei auch hier Punkte in Kreisringzonen abgebildet werden. Die Funktion des Axicons AX kann auch durch andere optische Elemente oder Systeme nachgebildet werden. Beispiele sind eine Linse (bzw. Gradientenindex-Linse) mit entsprechender sphärischer Aberra tion, eine Linse (oder ein Objektiv) in Kombination mit einer planparallelen Glasplatte oder konusförmige Spiegel. The light reflected by the object OB is detected by the optical system within circular ring zones and directed towards the receiving surface of the optoelectronic sensor A. As shown in Fig. 1 represents, the associated light rays can each run along a conical outer surface (with cone angle Ω and opening angle ΔΩ). This type of image is possible, for example, with the Axicon AX in combination with the collective lens L or with a special lens. The use of axicons (e.g. in the form of a cone-shaped, refractive body) is also known in laser systems, with points being depicted in circular ring zones here too. The function of the Axicon AX can also be simulated by other optical elements or systems. Examples are a lens (or gradient index lens) with corresponding spherical aberration, a lens (or a lens) in combination with a plane-parallel glass plate or conical mirror.
Das optische Linsensystem nach Fig. 1 dient zur Umsetzung der Abstandsinformationen in entsprechende Richtungsinforma tionen der auf die Aufnahmefläche des optoelektronischen Auf nehmers A gerichteten Lichtstrahlen. Der richtungsselektive, optoelektronische Aufnehmer A kann hieraus elektrische Signale erzeugen, welche durch die Richtungsinformation verändert sind.The optical lens system according to Fig. 1 is used for converting the distance information in the appropriate direction Informa tion of directed onto the receiving surface of the optoelectronic on taker A light rays. The directionally selective, optoelectronic pickup A can use this to generate electrical signals which are changed by the direction information.
Für die Ausführung des optoelektronischen Aufnehmers A gibt es verschiedene Lösungsvarianten:There are for the design of the optoelectronic transducer A. different solution variants:
Hierbei erfassen gemäß Fig. 2 jeweils ein Fotodetektor F1 und F2 das an einer transparenten Strahlenteilerplatte ST reflek tierte und transmittierte Licht. Das Verhältnis der beiden Lichtströme ist winkelabhängig (Winkel ϕ1 und ϕ2). Anstelle der transparenten Strahlenteilerplatte ST kann auch ein sogenanntes axialsymmetrisches Verlaufsfilter eingesetzt werden. Dieses Verlaufsfilter muß durch ein vom axialen Abstand abhängiges Reflexions-Transmissions-Verhältnis gekennzeichnet sein, was sich z. B. durch entsprechende metallische Bedampfung einer Glasplatte erreichen läßt. Bei beiden Lösungsvarianten kann eine nachgeschaltete Elektronik das Verhältnis der Fotoströme auswerten, so daß in erster Näherung das Meßergebnis unabhängig vom absoluten Lichtstrom und somit auch vom Reflexionsgrad des Objektes OB wird.Here, according to Fig 2 are each a photodetector F 1 and F 2 capture. The guest at a transparent beamsplitter plate ST reflectors and transmitted light. The ratio of the two luminous fluxes is angle-dependent (angles ϕ 1 and ϕ 2 ). Instead of the transparent beam splitter plate ST, a so-called axially symmetrical gradient filter can also be used. This gradient filter must be characterized by a reflection-transmission ratio dependent on the axial distance, which z. B. can be achieved by appropriate metallic vapor deposition of a glass plate. In both solution variants, downstream electronics can evaluate the ratio of the photo currents, so that in a first approximation the measurement result becomes independent of the absolute luminous flux and thus also of the reflectance of the object OB.
Nach dieser Variante gemäß Fig. 3 dient als Aufnahmefläche des optoelektronischen Aufnehmers im Sensor entsprechend Fig. 1 hier die Lichteintrittsfläche einer weiterführenden Stufen indexfaser SF. Ausgewertet werden Laufzeitunterschiede der unter verschiedenen Winkeln ϕ1, ϕ2 einfallenden Lichtstrahlen. Dieses Übertragungsverhalten von Stufenindexfasern ist bekannt als Modendispersion, die beispielsweise bei einem Faserdurch messer von 100 µm einen typischen Wert von etwa 20 ns/km hat. Zur elektronischen Auswertung ist jedoch ein Impuls- oder Wechselstrombetrieb der Lichtquelle LQ erforderlich. Die Ab standsinformation läßt sich dann aus der Signallaufzeit zwi schen Lichtquelle LQ und Aufnehmer A bzw. aus der Phasenver schiebung ermitteln. Vorteilhaft ist hierfür der Einsatz von kostengünstigeren Lichtleitfasern aus Kunststoffen (z. B. Poly meren).According to this variant according to FIG. 3, the light entry surface of a further index fiber SF step serves as the receiving surface of the optoelectronic sensor in the sensor according to FIG. 1. Differences in the transit times of the light rays incident at different angles ϕ 1 , ϕ 2 are evaluated. This transmission behavior of step index fibers is known as mode dispersion, which has a typical value of about 20 ns / km for example with a fiber diameter of 100 µm. However, pulse or AC operation of the light source LQ is required for electronic evaluation. From the position information can then be determined from the signal transit time between the light source LQ and sensor A or from the phase shift. The use of less expensive optical fibers made of plastics (e.g. poly mers) is advantageous for this.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 4 wird davon aus gegangen, daß Oberflächen mit sehr feinen Rauhigkeitsstrukturen eine starke Abhängigkeit der Lichtreflexion vom Einfallswinkel ϕ1, ϕ2 der Lichtstrahlung haben. So kann z. B. bei senkrechtem Lichteinfall eine nahezu diffuse Lichtreflexion (Lambert′scher Strahler) erfolgen, während bei flachem bzw. streifendem Licht einfall eine spiegelnde Reflexion auftritt; eine gemischte Re flexion, bestehend aus Glanzlicht und Streulicht, entsteht dann im Winkelbereich dazwischen.According to the embodiment of FIG. 4, it is assumed that surfaces with very fine roughness structures have a strong dependence of the light reflection on the angle of incidence ϕ 1 ,, 2 of the light radiation. So z. B. with vertical light incidence an almost diffuse light reflection (Lambertian emitter), while with flat or grazing light incidence a specular reflection occurs; A mixed reflection, consisting of specular light and scattered light, then arises in the angular range in between.
Zur Nutzung dieser winkelabhängigen Lichtreflexion wird eine Aufnehmeranordnung entsprechend Fig. 4 vorgeschlagen. Sie besteht aus einem Hohlzylinder HZ mit rauher Innenfläche und wiederum aus zwei Fotodetektoren F1 und F2. Fotodetektor F1 erfaßt hier nur Streulicht, während Fotodetektor F2 sowohl Streulicht als auch Glanzlicht empfängt. Die Entfernungs information ergibt sich aus dem Verhältnis von Glanzlicht zu Streulicht, welches sich aus den Fotoströmen der Fotodetektoren ableiten läßt.To use this angle-dependent light reflection, a sensor arrangement according to FIG. 4 is proposed. It consists of a hollow cylinder HZ with a rough inner surface and in turn two photodetectors F 1 and F 2 . Photodetector F 1 only detects stray light here, while photodetector F 2 receives both stray light and specular light. The distance information results from the ratio of highlight to scattered light, which can be derived from the photo streams of the photo detectors.
Auch eine Lösungsvariante für den optoelektronischen Aufnehmer A als faseroptischer Sensor mit einer Stufenindexfaser SF ist möglich, wenn die Fotodetektoren in Fig. 2 oder 4 beispiels weise durch fluoreszierende Lichtleiterstücke ersetzt und an weiterführende Lichtleitfasern gekoppelt werden.A solution variant for the optoelectronic transducer A as a fiber-optic sensor with a step index fiber SF is also possible if the photodetectors in FIG. 2 or 4 are replaced, for example, by fluorescent light guide pieces and are coupled to further optical fibers.
Der optoelektronische Aufnehmer A nach Fig. 4 ist prinzipiell auch direkt als einfacher Abstandssensor ohne vorgeschaltete Optik einsetzbar. The optoelectronic transducer A according to FIG. 4 can in principle also be used directly as a simple distance sensor without an upstream optics.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 dargestellt. Sogenannte Gradientenindex-Linsen (GRIN-Linsen) als Bestandteil eines optischen Systems sind im Prinzip stabförmige Linsen. Sie haben einen parabolischen Brechzahlverlauf mit abnehmendem Bre chungsindex von der optischen Achse bis zur Mantelfläche. Ein GRIN-Prisma GP als Bestandteil des optischen Systems läßt sich aus einer GRIN-Linse durch Abschneiden eines keilförmigen Stückes erzeugen. Kreisringförmige Lichtstrahlbündel, welche das GRIN-Prisma GP in einem Abstand von der optischen Achse verlassen, werden in einem bestimmten Winkel gebrochen, der vom Brechungsindex des Prismas GP abhängig ist. Weil der Brechungs index mit zunehmendem Abstand abnimmt, werden Lichtstrahlbündel mit größerem Abstand weniger stark abgelenkt. Daher ist es mög lich, gemäß Fig. 5 Kreisringe mit unterschiedlichem Durchmes ser jeweils in verschiedenen, seitlich gegeneinander versetzten Punkten abzubilden. Dort übernimmt das GRIN-Prisma GP zusammen mit weiteren Linsen K als Kollimator und FL als Fokussierungs linse und einem Fotodioden-Array AA die Funktion des richtungs selektiven, optoelektronischen Aufnehmers A für die Optikanord nung, wie sie prinzipiell in Fig. 1 dargestellt ist. Wenn grö ßere Abstände gemessen werden sollen (z. B. im Bereich 1 cm bis 1 m), dann ist eine Linse VL zur Verkleinerung erforderlich, da bekannte GRIN-Linsen nur einen Durchmesser von etwa 2 mm haben.Another embodiment is shown in FIG. 5. So-called gradient index lenses (GRIN lenses) as part of an optical system are in principle rod-shaped lenses. They have a parabolic refractive index curve with a decreasing refractive index from the optical axis to the outer surface. A GRIN prism GP as part of the optical system can be produced from a GRIN lens by cutting off a wedge-shaped piece. Annular light beams, which leave the GRIN prism GP at a distance from the optical axis, are refracted at a certain angle, which depends on the refractive index of the prism GP. Because the refractive index decreases with increasing distance, light beams with a greater distance are deflected less. Therefore, it is possible, according to FIG. 5, to display circular rings with different diameters in different, laterally offset points. There, the GRIN prism GP, together with other lenses K as a collimator and FL as a focusing lens and a photodiode array AA, takes on the function of the directionally selective, optoelectronic transducer A for the optics arrangement, as is shown in principle in FIG. 1. If larger distances are to be measured (e.g. in the range of 1 cm to 1 m), then a lens VL is required for reduction, since known GRIN lenses have a diameter of only about 2 mm.
Ein optoelektronischer Aufnehmer A für kleine Abstände (im Bereich von etwa 1 µm bis einige mm) kann beispielsweise entsprechend Fig. 6 in Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 aufgebaut sein.An optoelectronic pickup A for small distances (in the range from approximately 1 μm to a few mm) can be constructed, for example, in accordance with FIG. 6 in a modification of the exemplary embodiment in accordance with FIG. 5.
Die drei optischen Elemente Axicon AX, GRIN-Prisma GP und Linse FL lassen sich in vorteilhafter Weise auch mit nur einem Bau element realisieren. Hierzu wird ein stabförmiges GRIN-Bauele ment GB an der einen Seite konusförmig oder sphärisch geschlif fen, um die Funktion des Axicons AX nachzubilden, sowie an der anderen Seite abgeschrägt, um das GRIN-Prisma GP zu realisie ren. Diese Lösungsvarianten sind in Fig. 7 dargestellt. The three optical elements Axicon AX, GRIN-Prisma GP and lens FL can be realized in an advantageous manner with only one component. For this purpose, a rod-shaped GRIN component GB is grinded conically or spherically on one side to simulate the function of the Axicon AX, and bevelled on the other side to implement the GRIN prism GP. These solution variants are shown in Fig. 7 shown.
Das GRIN-Bauelement GB kann gleichzeitig dazu verwendet werden, die beleuchtenden Lichtstrahlen (z. B. von einem Halb leiterlaser oder von einer LED) zu kollimieren oder auf die Oberfläche des Objekts OB zu fokussieren, wie es in Fig. 8 detailliert dargestellt ist. Die Möglichkeit der Einkopplung des beleuchtenden Lichtes über die gleiche Optik besteht bei spielsweise auch für die in der Fig. 6 dargestellte Anordnung. Bei Beleuchtung mit einem Laser als Lichtquelle LQ können hier in vorteilhafter Weise die Interferenzeffekte nach Lichtdurch tritt durch das Axicon AX genutzt werden, welche ein dünnes Lichtstrahlbündel über größere Entfernungsbereiche zur Folge haben. Für nicht kohärente Beleuchtung kann der Lichtdurch trittsbereich im zentralen Bereich des Axicons zur besseren Fokussierung auch abgeflacht werden.The GRIN component GB can simultaneously be used to collimate the illuminating light beams (e.g. from a semiconductor laser or from an LED) or to focus on the surface of the object OB, as shown in detail in FIG. 8. The possibility of coupling the illuminating light over the same optics is also for example for the arrangement shown in FIG. 6. When illuminated with a laser as the light source LQ, the interference effects after light passage through the Axicon AX can advantageously be used here, which result in a thin beam of light over larger distance ranges. For non-coherent lighting, the light passage area in the central area of the axicon can also be flattened for better focusing.
Der Abstandssensor nach Fig. 7 kann in vorteilhafter Weise sehr klein und unkompliziert aufgebaut werden. Der Einsatz erscheint sinnvoll bei der berührungslosen Erfassung von Ober flächenprofilen, Welligkeiten, Rauhigkeiten, Schichtdicken sowie von kleinen Abständen. Anstelle eines GRIN-Bauelementes GB kann beispielsweise auch ein Stück aus einer Gradientenfaser mit jeweils einer konusförmigen und abgeschrägten Stirnfläche verwendet werden. Wegen des kleineren Durchmessers ist dieser Aufnehmer für einen entsprechend kleineren Meßbereich bestimmt.The distance sensor according to FIG. 7 can advantageously be made very small and uncomplicated. The use seems sensible for the contactless detection of surface profiles, ripples, roughness, layer thicknesses and small distances. Instead of a GRIN component GB, it is also possible, for example, to use a piece made of a gradient fiber, each with a conical and bevelled end face. Because of the smaller diameter, this sensor is intended for a correspondingly smaller measuring range.
In den Fig. 9 und 10 sind weitere Ausführungsformen des op tischen Sensors dargestellt, bei denen kreisringförmige Orts informationen über Punkte in den Abständen R1 und R2 auf der Oberfläche des zu untersuchenden Objekts OB ausgewertet werden können. Auch hier werden die Lichtstrahlen über das Axicon AX und eine Linse L auf eine Lichtleitfaser SF geführt. Bei der Variante nach der Fig. 9 ergibt sich bei zunehmendem Radius R (R1, R2) ein zunehmender Winkel ϕ (ϕ1, ϕ2) am Eingang der Lichtleitfaser SF; bei der Variante nach der Fig. 10 ergibt sich bei zunehmendem Radius R (R1 = 0, R2) ein abnehmender Winkel ϕ (ϕ2, ϕ1).In FIGS. 9 and 10, further embodiments of the op sensor tables are shown, in which annular location information about points in the distances R 1 and R 2 on the surface of the can be evaluated to be examined object OB. Here, too, the light beams are directed to an optical fiber SF via the Axicon AX and a lens L. In the variant according to FIG. 9, with increasing radius R (R 1 , R 2 ), there is an increasing angle ϕ (ϕ 1 , ϕ 2 ) at the input of the optical fiber SF; in the variant of the Fig. 10 results in an increasing radius R (R 1 = 0, R 2), a decreasing angle φ (φ 2, φ 1).
In der Fig. 11 ist eine Ausführungsform des optischen Sensors zur linearen Bildabtastung gezeigt, bei der im oberen Teil ein GRIN-Prisma mit einer Linse kombiniert ist und im unteren Teil diese beiden Elemente in einem Bauelement GB integriert sind. Die zu untersuchenden Punkte auf dem Objekt OB sind den Koordinaten X1 und X2 zugeordnet. FIG. 11 shows an embodiment of the optical sensor for linear image scanning, in which a GRIN prism is combined with a lens in the upper part and these two elements are integrated in a component GB in the lower part. The points to be examined on the object OB are assigned to the coordinates X 1 and X 2 .
Diesen Ausführungsformen nach den Fig. 9 bis 11 liegt fol gendes Prinzip zugrunde: Mittels der Elemente des optischen Systems (Axicon, Linsen oder GRIN-Prisma) werden die vom Ob jekt OB ausgehenden Lichtstrahlen auf eine oder mehrere weiterführende Lichtleitfasern SF gerichtet. Dabei werden die Ortsinformationen einzelner Punkte oder Linien auf der Ober fläche des Objekts OB umgesetzt in entsprechende Richtungs informationen der auf die Eintrittsfläche der Lichtleitfaser SF treffenden Lichtstrahlen. Diese Lichtstrahlrichtungen ent sprechen unterschiedlichen Moden, die sich in der Lichtleit faser SF mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ausbreiten. Bei Kurzzeitbelichtung der Oberfläche mittels Blitzlampe, Laser oder LED als Lichtquelle LQ erscheinen somit die Bild informationen in serieller Folge am Ende der Lichtleitfaser SF. Zur weiteren Signalaufbereitung ist beispielsweise ein opto elektronischer Aufnehmer mit nachgeschalteter Zeitquantisierung erforderlich. Vorteilhaft ist hier der Einsatz von Stufenindex fasern, weil diese die höchste Modendispersion haben. Um Moden mischung zu vermeiden, dürfen dabei jedoch nur vergleichsweise kurze Fasern mit Längen bis etwa 1 km eingesetzt werden.These embodiments according to FIGS . 9 to 11 are based on the following principle: by means of the elements of the optical system (axicon, lenses or GRIN prism), the light beams emanating from the object OB are directed onto one or more further optical fibers SF. The location information of individual points or lines on the surface of the object OB is converted into corresponding directional information of the light rays striking the entry surface of the optical fiber SF. These light beam directions correspond to different modes that propagate at different speeds in the optical fiber SF. When the surface is briefly exposed using a flash lamp, laser or LED as the light source LQ, the image information appears in serial order at the end of the optical fiber SF. For further signal processing, for example, an opto-electronic transducer with subsequent time quantization is required. The use of step index fibers is advantageous here because they have the highest mode dispersion. To avoid fashions, however, only comparatively short fibers with lengths of up to about 1 km may be used.
Die Erfindung ist im Zusammenhang mit optischen Sensoren in Handhabungsautomaten anwendbar.The invention is related to optical sensors in Handling machines applicable.
Claims (11)
- - die vom Objekt (OB) reflektierten Lichtstrahlen einer Licht
quelle (LQ) über ein optisches System (AX, L; GP; GB) auf
einen optoelektronischen Aufnehmer (A) geführt sind, wobei
- - die Stärke der auftretenden Lichtstrahlen unabhängig von der Lage und der Kontur des Objekts (OB) ist und die In formation über das Objekt (OB) richtungsselektiv aus dem Einfallswinkel der Lichtstrahlen auf den optoelektronischen Aufnehmer (A) gewonnen wird.
- - The reflected from the object (OB) light rays of a light source (LQ) via an optical system (AX, L; GP; GB) on an optoelectronic transducer (A), wherein
- - The strength of the light rays occurring is independent of the position and contour of the object (OB) and the information on the object (OB) is selectively obtained from the angle of incidence of the light beams on the optoelectronic transducer (A).
- - das optische System (AX, L; GP; GB) ein Axicon (AX) in Form eines Kegels, dessen Kegel-Mantelflächen zum untersuchten Objekt (OB) zeigen, enthält.
- - The optical system (AX, L; GP; GB) contains an axicon (AX) in the form of a cone, the conical surfaces of which face the object under investigation (OB).
- - der optoelektronische Aufnehmer (A) aus zwei in der Richtung der Lichtstrahlen hintereinandergeschalteten Fotodetektoren (F1, F2) mit zwischengeschalteter Strahlenteilerplatte (ST) besteht.
- - The optoelectronic transducer (A) consists of two photodetectors (F 1 , F 2 ) connected in series in the direction of the light beams with an interposed beam splitter plate (ST).
- - der optoelektronische Aufnehmer (A) mindestens eine licht leitende Stufenindexfaser (SF) ist, in der sich Laufzeit unterschiede aufgrund des Einfallswinkels der Lichtstrahlen ergeben.
- - The optoelectronic transducer (A) is at least one light-conducting step index fiber (SF), in which there are runtime differences due to the angle of incidence of the light beams.
- - der optoelektronische Aufnehmer (A) eine Fotodiodenzeile bzw.
ein CCD-Zeilensensor ist, dem ein optisches System, bestehend
aus
- - einer Linse (L),
- - einer Verkleinerungslinse (VL),
- - einem Kollimator (K)
- - einem GRIN-Prisma (GP) und
- - einer Fokussierungslinse (FL),
- - The optoelectronic sensor (A) is a photodiode line or a CCD line sensor, which is an optical system consisting of
- - a lens (L),
- - a reduction lens (VL),
- - a collimator (K)
- - a GRIN prism (GP) and
- - a focusing lens (FL),
- - der optoelektronische Aufnehmer (A) eine Fotodiodenzeile bzw.
ein CCD-Zeilensensor ist, dem ein optisches System, bestehend
aus
- - einem Axicon (AX),
- - einem GRIN-Prisma (GP) und
- - einer Fokussierungslinse (FL),
- - The optoelectronic sensor (A) is a photodiode line or a CCD line sensor, which is an optical system consisting of
- - an Axicon (AX),
- - a GRIN prism (GP) and
- - a focusing lens (FL),
- - die Linsen und Prismen des optischen Systems Bestandteil eines einstückigen GRIN-Bauelementes (GB) sind.
- - The lenses and prisms of the optical system are part of a one-piece GRIN component (GB).
- - zur Ermittlung von Ortsinformationen auf der Kontur des zu untersuchenden Objekts (OB) die Lichtquelle (LQ) Licht impulse aussendet und daß
- - dem optoelektronischen Aufnehmer (A) eine Elektronik zur zeitquantisierten Auswertung der empfangenen Lichtströme nachgeschaltet ist.
- - To determine location information on the contour of the object to be examined (OB), the light source (LQ) emits light pulses and that
- - The optoelectronic transducer (A) is followed by electronics for time-quantized evaluation of the received luminous fluxes.
- - die Lichtquelle ein Laser ist.
- - The light source is a laser.
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|---|---|---|---|
| DE19893920133 DE3920133A1 (en) | 1989-06-20 | 1989-06-20 | Optical sensor for object position and-or contour - guides object reflected light from source to opto-electronic receiver via optical system |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE19893920133 DE3920133A1 (en) | 1989-06-20 | 1989-06-20 | Optical sensor for object position and-or contour - guides object reflected light from source to opto-electronic receiver via optical system |
Publications (1)
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| DE3920133A1 true DE3920133A1 (en) | 1991-01-03 |
Family
ID=6383134
Family Applications (1)
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| DE19893920133 Withdrawn DE3920133A1 (en) | 1989-06-20 | 1989-06-20 | Optical sensor for object position and-or contour - guides object reflected light from source to opto-electronic receiver via optical system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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