DE4315264C2 - Anordnung zum Erfassen von Kanten von sich in einer Hauptarbeitsebene aufhalten könnenden Gegenständen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erkennen von Kanten von sich in einer Hauptarbeitsebene aufhalten könnenden Gegen­ ständen.

Es ist bekannt, daß bei der Lichtstreuung an einer matten Ober­ fläche, beispielsweise an weißem Papier, die Intensität des gestreuten Lichts vom Einfallswinkel des Lichts und von der Beobachtungsrichtung des gestreuten Lichts abhängig ist. Aus dieser Indikatrix kann abgeleitet werden, daß bei weißem Papier mit zwei Detektoren, die Streulicht von einem Lichtfleck auf dem Papier unter verschiedenen Winkeln empfangen, eine klare Entscheidung getroffen werden kann, ob das Papier eben auf der Unterlage liegt oder stark geneigt ist (Reflexionsspektro­ skopie, G. Kortüm 1969, Spring-Verlag, Berlin). Bei geeignet gewählten Winkeln ist dieses Phänomen im Fall einer leicht bis stark glänzenden Oberfläche ähnlich. Die Streulichtinten­ sität in Reflexionsrichtung steigt stark an, während in den übrigen Richtungen die Intensität global abnimmt. Wird die Streulichtintensität in Funktion des Beobachtungswinkels aufge­ zeichnet, ergibt dies annähernd die Form eines Kreises mit einer Keule in Reflexionsrichtung. Dies heißt mit anderen Worten, daß bei schief auf die Oberfläche treffendem Licht die Streu­ lichtintensität in einem Richtungsbereich nahe der Reflexions­ richtung (Vorwärtsstreuung) größer ist als die Streulichtinten­ sität in einem Richtungsbereich nahe der Richtung des einfallen­ den Lichts (Rückwärtsstreuung). Der Unterschied im Verhältnis der Lichtintensitäten der Rückwärts- und der Vorwärtsstreuung verstärkt sich dabei mit abnehmendem Winkel zwischen Oberfläche und einfallendem Licht. Für gewisse Beschaffenheiten der Ober­ fläche wird je nach dem eine Verschlechterung der Detektion im Vergleich zu weißem Papier eintreten, doch ist diese normaler­ weise klein. Nur in seltenen Fällen gibt es Oberflächen, die davon abweichen und zusätzlich zum Vorwärtsglanz in Reflexions­ richtung noch einen Rückwärtsglanz in Richtung Lichtstrahl aufweisen. Bei rohem oder bedrucktem Papier wird ein (störender) Rückwärtsglanz nicht auftreten.

Aus der EP 0 041 489 A1 ist eine Anordnung zum Zählen von bedruck­ tem, geschnittenen Papierbögen, wie z. B. gefalteten Zeitungen bekannt, bei welcher das parallele Bündel eines Laserstrahls unter einem von 90° verschiedenen Winkel auf die Oberfläche der an der Vorrichtung vorbeigeführten Papierbögen fällt. Ein Detektor detektiert in Vorwärtsrichtung, ein Detektor in Rück­ wärtsrichtung reflektiertes Licht von der bestrahlten Oberfläche der Papierbögen. Eine Verringerung des auf den erstgenannten Detektor reflektierten Lichtanteils beim Vorbeiführen einer Papierkante führt zu einer entsprechenden Verringerung des Detektorsignals. Um eine durch eine Papierkante vorgerufene Verringerung des Detektorsignals von einer Verringerung zu unterscheiden, die entsteht, wenn das auf den Papierbogen fallende Licht in unterschiedlichem Maß absorbiert wird, wird das Meß­ signal des ersten Detektors mit demjenigen des zweiten Detektors verglichen. Dies geschieht durch Subtraktion der beiden Signale. Bei dieser Anordnung können Kanten verschiedener Dicken, welche z. B. auf einem Förderband transportiert werden, nicht detek­ tiert werden. Vielmehr muß der Arbeitsabstand für jede Kanten­ dicke neu eingestellt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zum Erkennen von Kanten von sich in einer Hauptarbeitsebene aufhal­ ten könnenden Gegenständen zu schaffen, mit welcher feinste Kanten unmittelbar über der Hauptarbeitsebene erfaßt werden können, die jedoch außerhalb der Hauptarbeitsebene eine geringe Empfindlichkeit und keinen Blindbereich aufweist sowie kompakt ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird die höchste Empfindlich­ keit, wenn also der Quotient der Ausgangssignale der beiden Detektoren in der Nähe des Schwellwerts ist, in der Hauptarbeits­ ebene erreicht. In der Nähe der Hauptarbeitsebene, d. h. leicht höher oder tiefer, ändert sich diese hohe Empfindlichkeit nur wenig; erst ab einem größeren Abstand zur Hauptarbeitsebene wird die Empfindlichkeit reduziert. Der spezielle Verlauf des Quotienten der Ausgangssignale der beiden Detektoren wird dadurch erreicht, daß aufgrund der Abbildungsoptik vor dem ersten Detek­ tor eine optimale Abbildungsebene für den vom Laserstrahl beleuch­ teten Fleck eingestellt wird, die mit der Hauptarbeitsebene zusammenfällt. Dort ist das vom Detektor empfangene Streusignal am größten, während bei geringerem Abstand zwischen bestrahlter Oberfläche und Sensorgehäuse aufgrund der nicht mehr optimalen Abbildung weniger Streulicht auf den ersten Detektor fällt. Ein Blindbereich ist nicht mehr gegeben.

Eine Kante eines dünnen Objekts (beispielsweise eine Papierkante) hat makroskopisch gesehen (im Bereich von 1/100 mm) eine bis zu 90° gegenüber der Hauptarbeitsebene geneigte Oberfläche. Ist der Lichtfleck genügend klein, d. h. vergleichbar mit der Objektdicke, so kann eine solche feine Kante als "geneigte Oberfläche" detektiert werden. Zusätzlich kann bei schief gegen die Hauptarbeitsebene gerichtetem Lichtstrahl ein flaches Objekt diesen Strahl für den einen der Detektoren abschatten, so daß das Intensitätsverhältnis in Vorwärts/Rückwärts-Richtung ernied­ rigt und die Objekterkennung damit erleichtert wird. Kann man den Lichtfleck genügend klein machen, dann lassen sich einzelne Kanten eines Papiers von 0,1 mm Dicke, auch wenn diese dicht auf der Hauptarbeitsebene aufliegen, noch problemlos erkennen.

Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich neben der allgemeinen Erkennung von Kanten an Objekten und der Auswertung von auf solche Kanten bezogenen Signalen auch zur Positionserkennung und zur Zählung von Objekten, die eine Kante besitzen. In der beschriebenen Ausführungsform sind diese Objekte weniger als beispielsweise 80 mm vom Beobachtungsfenster des Sensors ent­ fernt und können mit einer Geschwindigkeit von mehreren m/s vorbeibewegt werden. Die Objekte können relativ zur Hauptar­ beitsebene leicht schiefe Oberflächen (angeschrägte Kanten) haben; handelt es sich um flache Objekte wie Papierblätter, so können Fanten bis 0,1 mm detektiert werden. Die Objekte können ein- oder vielfarbig sein und auch in einem bestimmten Ausmaß Glanz aufweisen. Ferner dürfen sie auch geschuppt über­ einander liegen (Schuppenformation, Schuppenstrom).

Der erfindungsgemäße Sensor funktioniert auf Basis von Licht, in der Regel mit einem Laser, wobei für bestimmte Applikationen auch eine Leuchtdiode oder eine andere Lichtquelle verwendet werden kann. Bei der Ausgestaltung als Schuppenstrom-Detektor sorgt (zusätzlich) eine schaltungstechnische Totzeitfunktion dafür, daß Doppelkanten, wie beispielsweise der Vorfalz bei einem Faltblatt, als nur eine Kante ausgewertet werden.

Physikalische Betrachtungen zeigen, daß eine statische Signal­ auswertung möglich ist, d. h., eine Auswertung, die unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit der Objekte ist. Die Signal­ auswertung kann digital wie auch analog erfolgen. Der Quotient der von den beiden Detektoren gemessenen Intensitäten kann durch Division der beiden Meßwerte direkt erhalten werden. Der Quotient kann auch dadurch gebildet werden, daß die Licht­ leistung der Lichtquelle derart geregelt wird, daß der eine der Detektoren, vorteilhafterweise der die Rückwärtsstreuung detektierende Detektor, eine konstante Intensität mißt. Dadurch liefert der andere Detektor direkt ein Quotientensignal. Da die Regelung der Lichtquelle starke Intensitätsunterschiede unter Umständen nicht schnell genug ausgleichen kann, ist es trotzdem vorteilhaft, auch bei quasi konstantem Signal des einen Detektors die Division der Meßsignale zur Erzeugung des Quotientensignals durchzuführen.

Damit die Auswertung des analogen Signals unabhängig von der Distanz zwischen dem Sensor und den Gegenständen, also unab­ hängig von der Objektdicke wird, ist es nötig, die Optik anzu­ passen. Für ein ebenes Objekt (nicht dessen Kante) in beliebiger Höhe (weniger als beispielsweise 80 mm unter dem Sensorfenster) darf das Intensitätsverhältnis von rückwärts zu vorwärts gestreu­ tem Licht der beiden Detektoren nie größer werden als bei einem ebenen Objekt in der Hauptarbeitsebene (beispielsweise 80 mm unter dem Sensorfenster). Zu diesem Zweck wird einer der Detektor­ köpfe vorzugsweise leicht geneigt und in das Gehäuse zurückverlegt und die vorgeschaltete Optik sowie der andere Detektor entspre­ chend optimiert.

Mit einem geeigneten Hintergrundsobjekt (weißes Papier, Alublech, Reflektorfolie) können weitere Störungen eliminiert werden. Bei Faltblättern, die mit dem Falz oder Rücken vorne dem Laser­ strahl entgegen geführt werden, können die Blattenden aufgerauht oder aufgebogen sein, auch wenn sie nicht von Folgeprodukten abgedeckt sind. Am Anfang und am Ende des Blatts wird dann eine Kante detektiert. Wird nun als Hintergrund eine Reflexions­ folie eingesetzt, werden die Signalpegel so gekehrt, daß der Endpuls unterdrückt wird. Diese Umkehrung geschieht dadurch, daß die Folie viel mehr Licht in Rückwärtsrichtung streut, als normales Papier dies tut. Ein solches Signal würde einer Papierkante entsprechen. Da dieses Signal konstant bleibt bis zur nächsten Papierkante, kann es mit digitaler Signalaufberei­ tung unterdrückt werden.

Eine andere Möglichkeit zur Unterdrückung der unerwünschten Detektion von Endkanten besteht darin, daß im Sensor ein dritter Detektor (hier nicht gezeigt) angeordnet wird, der mit einem in oder unter der Hauptarbeitsebene liegenden leicht geneigten Spiegel koordiniert ist. Liegt ein Produkt auf der Hauptarbeits­ ebene, ist der Spiegel bedeckt und trifft kein oder wenig Licht in den dritten Detektor. Liegt kein Produkt auf der Hauptarbeits­ ebene, reflektiert der Spiegel den ausgesandten Lichtstrahl in den dritten Detektor. Erhält der dritte Detektor, unmittelbar nach dem eine Kante detektiert wurde, Licht, muß es sich um eine Hinterkante gehandelt haben, deren Zählung unterdrückt werden muß. Anstelle des Spiegels kann auch eine unter einer entsprechenden Öffnung in der Hauptarbeitsebene und von dieser beabstandet angeordnete Fläche verwendet werden, auf der der Lichtfleck liegt, wenn kein Gegenstand auf der Hauptarbeitsebene liegt. Der dritte Detektor ist dann derart angeordnet und mit einer abbildenden Optik versehen, daß er den Lichtfleck auf dieser Fläche "sieht".

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Anhand der nachfolgend aufgeführten Figuren wird das oben disku­ tierte Prinzip insbesondere am Beispiel für die Anwendung als Schuppenstromdetektor diskutiert.

Fig. 1 zeigt einen typischen Signalverlauf eines gemäß Erfindung verarbeiteten analogen Signals. Die Höhe "0" entspricht der Höhe des Beobachtungsfensters im Gehäuse des Sensors, die schraffierten Bereiche stellen Zonen dar, in denen kein Mess-Signal liegen sollte,

Fig. 2 zeigt eine erste Anordnung von Lichtquelle und Detektoren über einer Arbeitsebene, bei welcher einer der Detektoren Rückwärtsstreulicht misst, das in einem Winkel rückstrahlt, der kleiner ist als der Winkel des auf die Arbeitsebene gerichteten Lichtstrahls und

Fig. 3 zeigt eine zweite Anordnung, bei der einer der Detektoren zum Licht­ strahl koaxial rückgestrahltes Licht misst,

Fig. 4 zeigt eine beispielsweise Schaltungsanordnung zur Auswertung der Signale aus den beiden Detektoren D1 und D2,

Fig. 5 zeigt eine beispielsweise Schaltung zur Ansteuerung der Lichtquelle, im vorliegenden Beispiel eine Laserdiode,

Fig. 6 zeigt einen Signalverlauf im Zusammenhang mit der Synchrondetektion der gepulsten Eingangsspannung,

Fig. 7 zeigt ein Detail aus der Signalverarbeitung im Zusammenhang mit der Synchrondetektion,

Fig. 8 zeigt eine beispielsweise Schaltung für die Divisionsstufe, wie sie in der Schaltung gemäss Fig. 4 verwendet wird.

Methodisch betrachtet, kann von einer Grundanordnung wie folgt ausgegan­ gen werden:

• A) Ein Lichtstrahl einer Strahlungsquelle wird gut fokussiert auf die Haupt­ arbeitsebene gerichtet und trifft unter einem beliebigen Winkel schräg auf dieser Ebene auf (allenfalls auch senkrecht), einen Lichtfleck oder Licht­ punkt erzeugend. Mindestens zwei Detektoren beobachten den auf der Hauptarbeitsebene oder einem darauf stehenden Objekt erzeugten Licht­ fleck unter verschiedenen Winkeln, wobei folgende Bedingungen vorgege­ ben sind:
  • 1. der eine Detektor D1 ist (optisch) hinter einer Abbildungsoptik O (be­ spielsweise Linse oder Parabolspiegel) angeordnet, die den Lichtfleck auf der Arbeitsebene auf diesen Detektor abbildet. Detektor und Abbildungs­ optik sind relativ zur Lichtquelle derart angeordnet, dass der Winkel zwischen dem von der Lichtquelle auf die Hauptarbeitsebene auftreffen­ den Licht und dem von der Hauptarbeitsebene (Lichtfleck) auf den De­ tektor treffende Licht möglichst klein ist (Fig. 2). Dieser Winkel ver­ schwindet, wenn Strahlungsquelle und Abbildungsoptik (bzw. Detektor) koaxial angeordnet sind und der Strahl durch eine Oeffnung in der Optik, bspw. im Parabolspiegel, geführt wird (Fig. 3).
  • 2. der andere Detektor D2 ist so angeordnet, dass der Zwischenwinkel zwi­ schen dem von der Hauptarbeitsebene (Lichtfleck) auf den Detektor D1 bzw. auf den Detektor D2 treffenden Licht möglichst gross wird.

Bemerkung zu A: Die Lichtquelle kann somit unter einem mehr oder weniger flachen Winkel oder auch senkrecht auf die Hauptarbeitsebene strahlen. Aus­ gewertet wird das Quotientensignal (D2/D1) der beteiligten Detektoren, allenfalls der Kehrwert (D1/D2) davon.

• A) Für die Erkennung feinster Papierkanten werden zur oben dargestellten Grundanordnung die folgenden zusätzlichen Bedingungen erfüllt:
  • 1. Der Lichtfleck, den die Lichtquelle auf der Hauptarbeitsebene erzeugt, soll möglichst klein sein, das heisst, er soll Abmessungen haben, die der Höhe der kleinsten, noch zu detektierenden Kanten in etwa entsprechen. Dazu muss die Fokussierung der von der Lichtquelle ausgesandten Licht­ strahlen optimiert werden.
  • 2. Die Lichtquelle strahlt mit Vorteil unter möglichst flachem Winkel auf die Hauptarbeitsebene (bspw. 40°), damit feine Objektkanten möglichst gut angestrahlt werden und nicht übersehen werden. Bei senkrechtem Lichteinfall und einer schön geschnittenen Papierkante kann dagegen nur die Abschattung des Lichtes ausgenützt werden und nicht auch noch die (variable) Abstrahlcharakteristik des Papiers in Funktion des Beleuch­ tungswinkels.
  • 3. Der zweite Detektor D2 misst das Streulicht vom Lichtpunkt unter mög­ lichst grossem Winkel zum ersten Detektor D1, der nahe an der Licht­ quelle (bzw. nahe am von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahl) an­ geordnet ist. Der zweite Detektor D2 wird in etwa senkrecht über dem Lichtfleck auf der Hauptarbeitsebene plaziert oder noch weiter weg von der Lichtquelle, so dass er den Lichtfleck unter einem Winkel von 90° zur Hauptarbeitsebene beobachtet bzw. unter einem spitzen Winkel entge­ gengesetzt zur Lichtquelle beobachtet.
• B) Für einen grossen Messbereich bei sehr kompakter Bauform des Sensors sind die folgenden zusätzlichen Massnahmen nötig:
  • 1. Erzeugung eines nicht allzu grossen Winkels zwischen dem vom Licht­ fleck auf den ersten Detektor D1 treffenden Licht und dem vom Licht­ fleck auf den zweiten Detektor D2 treffenden Licht, dadurch dass
  • 2. entweder die Lichtquelle nicht allzu flach, unter Umständen in etwa senk­ recht auf die Hauptarbeitsebene strahlt oder, bei ziemlich flachem Licht­ einfall, der zweite Detektor D2 mehr oder weniger direkt über dem Lichtpunkt auf der Hauptarbeitsebene angeordnet ist.

Bemerkung zu C: Unter einem Gerät (Sensor) mit kompakter Bauform wird ein solches verstanden, dessen Gehäusegrösse im Verhältnis zum Messbereich nicht gross ist.

• A) Zur Vermeidung bzw. Reduktion eines Blindbereichs wird folgende Mass­ nahme getroffen:
  • 1. D1. Die Lichtquelle wird zwischen den beiden Detektoren plaziert.

Bemerkung zu D: Der Lichtfleck auf grossen Objekten, die bis knapp unter das Gehäuse des Sensors reichen, wird in dieser Anordnung vom zweiten De­ tektor D2 noch am besten erkannt. Dies ist wichtig, da der Sensor ein Signal abgibt, das einer Kante entsprechen würde, sobald der Detektor D2 nur noch wenig Licht erhält im Vergleich zu Detektor D1.

Fig. 1 zeigt nun einen Signalverlauf S eines analogen Divisionssignals (Signal des Detektors D2 dividiert durch Signal des Detektors D1, kurz D2/D1) für ein Objekt mit einer horizontalen Oberfläche von weissem Papier in Funktion der Höhe (A' in mm) dieser Oberfläche unter dem Sensor, wie er idealer­ weise aussehen sollte. Ausgegangen wird dabei von einem Wert des Signals für eine Objektoberfläche in Hauptarbeitsebene H, deren Höhe unter dem Sensor mit H' angegeben ist und welche in diesem Beispiel 80 mm beträgt. Man erkennt den asymptotischen Verlauf ausserhalb des optimierten Abstandes der Hauptarbeitsebene H oder Arbeitsfläche A. Die schraffierten Flächen stellen Gebiete dar, die das Divisionssignal nicht berühren oder schneiden sollte, wobei auch diese Flächen nur typisch gezeichnet sind, sie sind Grenzge­ biete. Dazwischen ist das Arbeitsgebiet. Bei einem umgekehrten Divisions­ signal (D2/D1)^-1 muss für jeden Signalwert in Fig. 1 dessen Kehrwert 1/x genommen werden.

Die Vorteile eines solchen idealen Signalverlaufes sind folgende:

• 1. Abnahme der Kanten- und damit auch der Störempfindlichkeit gegenüber kleinen Unebenheiten der Objektoberflächen mit zunehmender Höhe über der Arbeitsfläche und
• 2. kein Blindbereich, das heisst, keine vermeintliche Kantenerkennung wenn ein Objekt nahe an den Sensor herankommt. Es könnte zu einer Mehr­ fachzählung des Objektes kommen, falls nach Ablauf der Totzeit das Objekt immer noch sehr nahe unter dem Sensor ist.

Weisses, horizontal angeordnetes Papier als Objektoberfläche gibt für alle Höhen ein typisches Signal. Für andere Oberflächen weicht das Signal nur unwesentlich nach unten ab (dies wäre z. B. eine Signalreduktion in der Grös­ senordnung von 30%). Bei glänzenden, horizontal angeordneten Oberflächen, kann das Signal massiv nach oben abweichen, was jedoch nicht stört. Aus diesen Gründen macht es Sinn, einen standardisierten Signalverlauf für weis­ ses Papier vorzugeben.

Erreicht wird der Signalverlauf in Funktion der Höhe H' oder A' [mm] unter dem Sensor durch die geeignete Wahl der Abbildungs-Optik. Es spielen dabei eine Anzahl interdependenter Faktoren eine Rolle, wie:

• - die Brennweite der Abbildungsoptik vor dem Detektor D1
• - die Distanz des Detektors D1 hinter der Abbildungsoptik
• - die seitliche Positionierung des Detektors D1 hinter der Optik
• - die Grösse und Form des Detektors D1 (das ist die Photodiodengrösse, falls nötig, die Grösse und Form einer vorgeschalteten Maske, die auch vor eine zusätzliche Linse geschaltet werden kann, um das Licht zur Pho­ todiode nochmals zu bündeln)
• - der Winkel zwischen dem vom Detektor D1 detektierten Streulicht und dem von der Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahl
• - die Plazierung des Detektors D2 (Tiefe hinter dem Sensorfenster)
• - seitliche Verwinkelung (Kippen) des Detektors D2 gegenüber der Sensor­ front
• - Beobachtungswinkel der beiden Detektoren in Bezug auf die Hauptar­ beitsebene bzw. die Oberflächen der beobachteten Objekte.

Alle diese Faktoren müssen so aufeinander abgestimmt werden, dass der vor­ gegebene ideale Signalverlauf erreicht wird. Dabei bleibt einiges an konstruk­ tiver Freiheit, wie dies gemacht wird. Dementsprechend wird hier nur ein rezeptartiges beispielsweises Vorgehen angegeben, nach dem eine Vorrichtung gemäss Erfindung berechnet und gebaut werden kann. Um einen optimalen Signalverlauf zu erhalten, müssen die obengenannten Faktoren durch Aus­ probieren aufeinander abgestimmt werden (ausprobieren deswegen, weil beim Verstellen der Grösse eines Parameters sich die Werte der anderen Parame­ ter ebenfalls ändern).

Fig. 2 zeigt eine beispielsweise Detektoranordnung (Sensor) gemäss Erfin­ dung in einem Gehäuse G. Sie zeigt einen Laserkopf L mit Laserdiode und Linsen zur Fokussierung des Strahles. Der Laser strahlt unter einem Winkel (typisch 45°) auf die Hauptarbeitsebene H oder Arbeitsfläche A. Ein minima­ ler Strahldurchmesser wird durch Fokussieren des ausgesendeten Strahles auf die Hauptarbeitsebene H erreicht, die sich beim Abstand H' (bspw. 80 mm) unter dem Sensorfenster im Gehäuse G, das hier mit einem rechteckigen Rahmen angedeutet ist, befindet. Der Detektorkopf 1 ist hinter der Abbil­ dungsoptik O (hier als einfache Linse dargestellt) angeordnet. Strahlungsquel­ le L und Detektor D1 sind sehr nahe beieinander angeordnet und zwar so, dass der Beobachtungswinkel des Detektors D1 relativ zur Hauptarbeitsebene H kleiner ist, als der entsprechende Winkel des ausgesandten Laserstrahls. Die Optik ist in Richtung des Laserstrahles gerichtet, der Detektorkopf D1 liegt ein wenig hinter der Brennebene der Optik. Dieser Detektorkopf D1 besteht bspw. aus einer Maske (horizontaler Schlitz mit seitlicher Begrenzung, das heisst, eine Rechtecköffnung), einer Linse zur Fokussierung des Lichtes, das durch die Maske fällt, und einer Photodiode geeigneter Grösse. Nimmt man Einschränkungen in Kauf, kann er auch nur aus einer Photodiode beste­ hen. Der Detektorkopf D2 besteht aus einer grossflächigen Photodiode oder mehreren kleinen aneinandergereihten Photodioden und ist vom Lot durch den Lichtfleck leicht nach aussen, das heisst von der Lichtquelle weg geneigt. Für ein Objekt in der Hauptarbeitsebene H ist D2 dann ungefähr über dem Lichtpunkt angeordnet (im Moment ca. 10° gegenüber der Vertikalen geneigt und zwar entgegengesetzt zum Laserstrahl) und zwar in einem gewissen Ab­ stand hinter dem Eintrittsfenster des Gehäuses G. Diese Anordnung ist nicht zwingend, gibt aber optimale Resultate bei einer mässigen Sensorgrösse, was sich letztendlich auf den Preis auswirkt.

Fig. 3 zeigt eine andere Anordnung, bei welcher der eine der beiden De­ tektoren D1 das rückgestreute Licht koaxial zum ausgesandten Licht misst. Ein Laserkopf L mit Laserdiode und mit Linsen zur Fokussierung des Strahles (hier nicht abgebildet), strahlt unter einem Winkel von ca 40° Licht auf die Hauptarbeitsebene H oder Arbeitsfläche A. Die Fokussierung ist so einge­ stellt, dass der minimale Strahldurchmesser ungefähr 80 mm unter dem Sen­ sorgehäuse G erreicht wird, wo sich die Hauptarbeitsebene H befindet (siehe auch Fig. 1). Der das koaxiale Streulicht messende Detektorkopf D1 ist hinter einer Abbildungsoptik O, hier ein Off-Axis Parabolspiegel, plaziert, welcher koaxial rings um den ausgesandten Laserstrahl oder allenfalls sehr nahe dabei angeordnet ist. Die Abbildungsoptik "schaut" in Richtung des La­ serstrahles. Die Front des Detektorkopfes D1 liegt vorzugsweise in der Brenn­ ebene der Abbildungsoptik. Der Detektor hat eine Maske vorgeschaltet, die aus einem horizontalen Schlitz mit seitlicher Begrenzung, also eine Rechteck­ öffnung aufweist. Ferner ist noch eine Linse zur Fokussierung des Lichtes, das durch die Maske fällt, nachgeschaltet. Im Detektorkopf D1 ist eine Photodio­ de von einer geeigneten Grösse angeordnet. Der Detektorkopf D2 weist eine einfache Photodiode auf, die mehr oder weniger grossflächig, typischerweise 5 × 5 mm, und, gleich wie in Fig. 2, leicht geneigt ist. Für ein Objekt in der Hauptarbeitsebene H ist sie ungefähr senkrecht über dem Lichtfleck angeord­ net, und zwar in einem bestimmten Abstand hinter dem Eintrittsfenster. Die hier vorgeschlagene Anordnung gibt bei einer mässig grossen Sensorgrösse, was auch hier die Kostenfrage tangiert, optimale Resultate.

Für die hier gezeigten optischen Messanordnungen sind noch weitere optimie­ rende Massnahmen vorteilhaft:

• - Die Lichtquelle, hier eine Laserdiode, wird so geregelt, dass Detektor D1 immer gleich viel Licht erhält.
• - Anstelle der im Blockschaltbild (Fig. 4) verwendeten Divisionsstufe, können logarithmische Verstärker eingesetzt werden, sodass nach einer Subtraktion der beiden Kanäle ein Signal entsteht, das dem Logarithmus des Quotienten entspricht.
• - Für anwenderspezifische Ausführungen kann ein Mikroprozessor einge­ setzt werden zur digitalen Signalauswertung, bspw. Doppelpulsunterdrückung bei Vorfalz, etc., womit das Gerät bei neu auftretenden Problemen flexibler ist und leichter darauf eingestellt werden kann.
• - Beim Einsatz als Schuppenstromdetektor werden Totzeitfunktionen zu­ sätzlich um eine dynamische Totzeit ergänzt. Dabei wird laufend der mittlere zeitliche Kantenabstand ermittelt, zum Beispiel gemittelt über 5 bis 10 Kanten, und ca. 20% davon als Totzeit eingesetzt.

Fig. 4 zeigt nun eine beispielsweise Schaltung zur Auswertung der Signale aus den Detektoren D1 und D2. Die Signale aus den beiden Detektoren wer­ den auf je einen Synchron-Verstärker SV mit Sample & Hold zur Unterdrüc­ kung von Fremdlicht geführt. Die beiden Verstärkerkanäle werden mit Hilfe eines Oszillators OS synchronisiert. Derselbe Oszillator taktet auch die Lei­ stungsstufe LS, durch welche die Laserdiode L, das ist die Lichtquelle, ge­ spiesen wird. Ueber einen Regler RG steuert der Detektor D1, das ist der die Rückwärtsstreuung messende Detektor, die Intensität der Lichtquelle L. Aus­ serdem werden die Signale der beiden Detektorkanäle in einer Divisionsstufe DS zu einem Quotientensignal umgesetzt, welches in einem Schmitt-Trigger ST aufbereitet ein Zählsignal darstellt. Im Falle der Zählung eines am Gerät vorbeilaufenden Schuppenstromes (aber auch anderer geförderter Gegenstän­ de mit Kanten), wird eine Totzeitfunktion TZ eingebaut. Diese funktioniert so, dass während einer einstellbaren Totzeit weitere von ST kommende Pulse, die wegen Doppel- oder Mehrfachkanten an einem Objekt entstehen, unter­ drückt werden. Steht ein Drehgeber am Förderband zur Verfügung, so kann dieses Drehgebersignal TT verwendet werden, um die Totzeit mit der Förder­ geschwindigkeit zu verknüpfen (synchronisieren). In diesem Fall wird an der Stelle einer einstellbaren Totzeit eine einstellbare Anzahl Drehgeberpulse abgezählt, während welcher Zeit weitere Pulse von ST her unterdrückt wer­ den. Diese Funktion kann auch sehr günstig und flexibel mit einem Mikro­ prozessor gelöst werden. Das so konditionierte Signal wird schliesslich in einem weiteren Pulslängenformer PF aufbereitet und einer Ausgangsstufe AS zur weiteren Verwendung zugeführt.

Dieses Blockschaltbild stellt eine mögliche Auswertung des Streulichtes mit Einbezug von Information TT der Zuführung der Messgegenstände und mit einer Lichtsteuerung durch einen der Detektoren dar. Dies ist eine von meh­ reren Möglichkeiten zur Auswertung des V/R-Streulichtes aus der optischen Anordnung gemäss Erfindung. An Stelle der verwendeten Divisionsstufe DS, kann auch, wenn logarithmische Signale vorliegen, eine Subtraktion der bei­ den Kanäle durchgeführt werden.

Die Fig. 5 bis 8 zeigen spezielle Ausführungsformen der Laserdiodenan­ steuerung der Synchrondetektion und der Divisionsstufe, wie sie beispielsweise in der Schaltung gemäss Fig. 4 realisiert sein können. Es wird noch speziell auf die Qutientenbildung durch eine Regelschaltung, wie sie in der Gesamt­ schaltung, enthalten ist, eingegangen.

Fig. 5 zeigt eine von einem Regler C gelieferte Steuerspannung, welche eine erste Konstantstromquelle CS1 für I₁ (über die gesamte Zeit) so einstellt, dass ein zur Spannung U₁ proportionaler Gleichstrom durch den Widerstand R oder über den elektronischen Schalter S fliesst. Ist der elektronische Schalter geschlossen, ist die Spannung über dem Widerstand R gleich Null, ist er geöff­ net, ist die Spannung proportional zum Strom I₁ und somit auch zur Spannung U₁. Die Spannung U₂ wird auf diese Weise zu einer gepulsten Rechteckspan­ nung, deren Amplitude proportional zur Spannung U₁ ist. Die Spannung U₂ ihrerseits steuert eine zweite Konstantstromquelle CS2 für I₂ (während der Pulszeit), welche den für die Laserdiode L benötigten (gepulsten) Gleichstrom I₂ liefert. Der Schalter generiert in diesem Beispiel eine Laserpulsfrequenz von 60 KHz. Unterhalb 1 KHz werden Störungen nicht mehr ausreichend ausgeschlossen; die obere Grenze ist durch den Frequenzgang der Komponenten begrenzt (einige MHz sind heute schon denkbar).

Der Regler benötigt für ein schnelles Verhalten eine Rückführung, eine kon­ tinuierliche Istgrösse, die nicht gepulst ist. Spannung und Strom U₂ bzw. I₂ liegen jedoch gepulst vor und müssten für diesen Zweck zuerst geglättet oder gesampelt werden, was im ersten Fall zu einer Verlangsamung des Systems oder im zweiten Fall zu erhöhtem Aufwand führen würde. Hingegen ist der Strom I₁ ein zum gepulsten Ausgangsstrom proportionaler Gleichstrom, der für die Rückführung, das heisst, als Istwert verwendet werden kann.

Um zu jedem Zeitpunkt eine möglichst genaue Messung der gepulsten Ein­ gangsspannung sicherzustellen, wird mittels einer Sample (S) in einem definierten Zeitfenster Messwerte gespeichert und anschlies­ send verglichen. Um hochfrequente Störungen weitgehend auszuschalten, wird das Sampling über einen Filter geführt. Während der einen Messperiode werden die positiven, während der anderen die negativen Scheitelwerte der Analogspannung gemessen. Anschliessend werde die so gemessenen Werte voneinander subtrahiert. Auf diese Weise spielt die der Analogwechselspan­ nung überlagerten Gleichspannung keine Rolle mehr und eventuell vorhande­ ne niederfrequente Störungen wie 100 Hz Gleichlicht werden wirkungsvoll kompensiert.

Fig. 6 zeigt ein Zeitfenster für die Messung der Analogspannung. Während t_on/A sind der Eingang und Filter A miteinander verbunden. Dieses Filter speichert die positiven (und nur diese) Scheitelwerte. Auf gleiche Weise spei­ chert Filter B, welches während t_on/B mit dem Filter B verbunden ist, die negativen (und nur diese) Scheiteltwerte. Um einen möglichst genauen Schei­ telwert zu sampeln, arbeitet die S nur über den hinteren (following) Teil der Pulse, das heisst, im zeitlich nachfolgenden, eingeschwungenen Teil des Rechtecksignals. So werden die Einschwingvorgänge nicht in die Messung einbezogen; es wird jeweils nur der stabile, eingeschwungene Wert gemessen. Fig. 7 zeigt das in den Kanal 1 der Schaltung mit den Analog­ schaltern und nachfolgenden Filtern eingehende Analogsignal mit überlager­ tem niederfrequenten Störsignal und das durch die Schaltung "gesäuberte" Ausgangssignal. Die Auswertung speichert obere Scheitelwerte und untere Scheitelwerte. Die Differenz A - B (Doppelpfeil) entspricht dem eingehenden Analogsignal und enthält jetzt aber kein niederfrequentes Störsignal mehr. Kanal 2 umfasst eine gleiche Schaltung wie Kanal 1 und bildet die Differenz C - D eines eingehenden Analogsignals.

Fig. 8 zeigt eine beispielsweise Divisionsstufe zur Bildung des Quotientensi­ gnals. Bei dem hier diskutierten System soll das Intensitätsverhältnis und nicht die Intensitätsdifferenz der beiden Kanäle ausgewertet werden. Das heisst, dass in der Schaltung gemäss Fig. 4 eine Divisionsstufe bzw. Divisionsschal­ tung nötig ist. Diese kann bspw. mittels eines Mikroprozessors digital, jedoch ebensogut auf analoge Weise ausgeführt werden. Die in Fig. 8 dargestellte Schaltung basiert auf der mit analogen Schaltmitteln bewirkten Multiplikation mittels Logarithmierung, dann nachfolgender Addition bzw. Subtraktion und dann anschliessender Entlogarithmierung. Die resultierende Ausgangsspan­ nung U_a ist wie folgt:

wobei alle Spannungen auf U_ref bezogen sind.

Die Spannung U_x erzeugt im Transistor T₁ einen Strom I₁, der durch den Widerstand an Eingang des OP's (Operationsverstärker, Op-Amp) bestimmt ist, da die Spannung am Minus-Eingang des OP's im eingeregelten Zustand immer gleich der Referenzspannung U_ref ist. Da die Basis von Transistor T₁ auf U_ref liegt, steht am Emitter von Transistor T₁ immer eine zum Strom I₁ in logarithmischem Verhältnis stehende Spannung zur Verfügung. Dasselbe Prinzip gilt auch für die Spannung U_y. Die Spannung U_y erzeugt im Transistor T₃ einen Strom I₃, die Basis von Transistor T₃ liegt jedoch am Emitterpotenti­ al von Transistor T₁, was dazu führt, dass die Emitterspannung von Transistor T₃ proportional zur Summe der logarithmierten Ströme I₁ und I₃ ist. Dement­ sprechend liegt die logarithmierte Spannung von U_z am Emitter von Transi­ stor T₂ und ist auf die Referenzspannung U_ref bezogen.

Die Entlogarithmierstufe mit Transistor T₄ erhält als Eingangsspannung:

U_i = U_E1 + U_E3 - U_E2

Dies entspricht:

Die Koeffizienten k₁, k₂, k₃ sind abhängig von den Eingangskennlinien der Transistoren und sind bei idealen Transistoren gleich. In der Praxis kann durch Verwendung von gematchten Transistoren, z. B. Transistorarrays oder Doppeltransistoren, eine weitgehende Uebereinstimmung der Koeffizienten erreicht werden. Die Entlogarithmierstufe mit T₄ bildet nun die Spannung U_a aus der Eingangsspannung U_i durch Wandeln der angelegten Basis-Emitter- Spannung in den so entstehenden Emitter- bzw. Kollektorstrom gemäss der Beziehung:

Bei einem solchen, wie hier diskutierten Messprinzip, steuert eine Ausgangs­ grösse (hier die Laserintensität) gemeinsam zwei Eingangsgrössen (hier die Empfangskanäle 1 und 2). Der Quotient U₁/U₂ wird nicht von der Laserinten­ sität beeinflusst. Durch Konstanthalten des Nenners über die Laserintensität ist der Zähler immer proportional zum gesuchten Quotienten:

und damit:

Mit dem oben dargelegten Auswertesystem erhält man eine sehr gute Funk­ tionsfähigkeit des Sensors.

Claims (11)

1. Anordnung vom Erkennen von Kanten von sich in einer Haupt­ arbeitsebene (H) aufhalten könnenden Gegenständen mit einem im Abstand (A') von der Hauptarbeitsebene (H) angeordneten Sensor, der eine Lichtquelle (L) und zwei fotoelektrische Detek­ toren (D1, D2) enthält,
wobei
die Lichtquelle (L) ein Lichtbündel in einer Abstrahlrichtung auf die Hauptarbeitsebene (H) lenkt;
die Detektoren (D1, D2) zum Erfassen von Streulicht, das in zwei unterschiedlichen Beobachtungsrichtungen von den Gegen­ ständen ausgeht, so angeordnet sind, daß der eine Detektor (D1), dem eine Abbildungsoptik (O) vorgeordnet ist, Rückwärts­ streulicht unter einem Winkel gegen die Hauptarbeitsebene (H) erfaßt, der kleiner oder gleich dem Winkel ist, den die Abstrahl­ richtung mit der Hauptarbeitsebene (H) einschließt, und der andere Detektor (D2) zum Empfang von Vorwärtsstreulicht ange­ ordnet ist;
die von den Detektoren (D1, D2) abgegebenen elektrischen Signale einer Schaltung zugeführt sind, deren Ausgangssignal einem aus diesen elektrischen Signalen gebildeten Quotienten (D2/D1; D1/D2) entspricht;
und die Abhängigkeit des Quotienten (D2/D1; D1/D2) von dem Abstand A' durch eine Funktion bestimmt ist, die in der Haupt­ arbeitsebene (A' = H) ein Minimum bzw. ein Maximum bezüglich des Definitionsbereichs 0 ≦ A' ≦ H aufweist und bei kleiner werden­ dem Abstand A' im wesentlichen zu- bzw. abnimmt oder im wesentli­ chen konstant bleibt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (O) ein Off-Axis-Parabolspiegel ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (O) eine Linse ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei schiefem Lichteinfall auf die Hauptarbeitsebene (H) zur Messung des Vorwärtsstreulichts einer der beiden Detek­ toren (D2) nahezu senkrecht über dem durch das ausgesandte Licht auf der Hauptarbeitsebene (H) erzeugten Lichtfleck plaziert ist.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (L) so angeordnet ist, daß sie nahezu senkrecht auf die Gegenstände strahlt, und daß der eine Detektor (D1) auf der einen Seite des von der Licht­ quelle (L) ausgesandten Lichtstrahls, der andere Detektor (D2) auf der anderen Seite angeordnet ist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (Fokussieroptik) aufweist, mit denen das Licht zur Erzeugung von Streulicht zur Erhöhung der Auflösung fokussiert wird, derart, daß Gegenstände mit einem punktähnlichen Lichtfleck beleuchtet werden können.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinheit (OS, LS) vorgesehen ist, welche die Intensität der Lichtquelle (L) mit Signalwerten aus einem der beiden Detektoren (D1, D2) steuert.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine synchronisierende Schaltung, bei­ spielsweise ein Mikroprozessor, vorgesehen ist, mit dessen Hilfe Signale aus den Detektoren (D1, D2) durch Synchronisieren zeit­ lich gekoppelt werden.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung (TZ) vorgesehen ist, welche die Information (TT) über die Bewegung der Gegenstände mit den Signalen der Detektoren (D1, D2) oder deren Quotienten (aus DS) verknüpft.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen dritten Detektor und einen mit diesem kooperierenden Spiegel im Bereich der Hauptarbeits­ ebene aufweist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie einen dritten Detektor und eine mit diesem kooperiende, abbildende Optik aufweist, die eine unter der Hauptarbeitsebene angeordnete Fläche abbildet.