DE69324007T2

DE69324007T2 - Opto-elektronischer Entfernungsmesser

Info

Publication number: DE69324007T2
Application number: DE69324007T
Authority: DE
Inventors: Ikuo Fujisawa-Shi Kanagawa 251 Nishimoto
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1993-08-03
Filing date: 1993-12-30
Publication date: 1999-08-12
Anticipated expiration: 2013-12-31
Also published as: EP0637758B1; US5500728A; DE69324007D1; JP3215232B2; EP0637758A1; JPH0749226A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen photoelektrischen Abstandssensor zur Erfassung der Abstände zu Objekten durch Bestrahlung der Objekte mit Licht und Empfangen des von den Objekten reflektierten Lichts.

Stand der Technik

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm mit Einzellinien zur Erläuterung des Funktionsprinzips eines bekannten photoelektrischen Abstandssensors zur Positionserfassung. In Fig. 1 ist mit Bezugszeichen 1 ein photoelektrischer Abstandssensor und mit Bezugszeichen 2 ein hauptsächlich aus Linsen zusammengesetztes optisches System bezeichnet. Bezugszeichen 3 kennzeichnet einen Lichtabstrahlabschnitt, der hauptsächlich aus einer Licht abstrahlenden Vorrichtung, beispielsweise einer Leuchtdiode, besteht. Mit Bezugszeichen 4 ist eine Lichtempfangseinheit bezeichnet, die auf einer Licht empfangenden Oberfläche angeordnet ist und hauptsächlich aus Licht empfangenden Vorrichtungen besteht. Mit Bezugszeichen 5, 6 und 7 sind eine Signalverarbeitungseinheit, ein Erfassungsobjekt bzw. ein Hintergrund kennzeichnet.
Fig. 2 ist ein Längsschnitt einer Licht-Positionserfassungseinrichtung 10, die in einer Richtung angeordnet ist, welche eine Lichtempfangsachse mit einer Lichtabstrahlachse auf der Lichtempfangsoberfläche verbindet. Als Licht-Positionserfassungseinrichtung 10 ist beispielsweise die im Patentveröffentlichungsblatt Nr. 42411 von 1983 offenbarte Einrichtung gewählt. Sie weist die in Fig. 3 gezeigten Merkmale auf.
Im folgenden wird die Arbeitsweise des photoelektrischen Abstandssensors 1 beschrieben. Licht aus dem Lichtabstrahlabschnitt 3 wird über die Lichtabstrahlachse auf das Erfassungsobjekt 6 abgestrahlt und bildet auf dem Erfassungsobjekt 6 einen hellen Punkt. Das vom Erfassungsobjekt 6 reflektierte Licht gelangt über die Lichtempfangsachse in den Lichtempfangsabschnitt 4. Im Lichtempfangsabschnitt 4 werden auf der Lichtempfangsfläche helle Punktbilder an Stellen gebildet, die Abständen zu dem oder den Erfassungsobjekten 6 entsprechen. Wenn Licht zu einer bestimmten Position der Licht-Positionserfassungseinrichtung 10 gelangt, die auf der Lichtempfangsfläche liegt, damit die Positionen der hellen Punkte auf der Lichtempfangsfläche bestimmt werden können mit dem Ziel, die Abstände X zum Erfassungsobjekt 6 zu bestimmen, ergeben sich an der Licht- Positionserfassungseinrichtung 10 zwei Stromausgangssignale Ia und Ib, wie in Fig. 2 gezeigt. Die Lichteinfallspositionen Y relativ zur Licht-Positionserfassungseinrichtung 10 erhält man durch nachstehende Beziehung, in der die effektive Länge der Licht-Positionserfassungseinrichtung 10 mit L bezeichnet ist:
(Ia - Ib)/(Ia + Ib) = 2Y/L (1)
Diese Beziehung ist in Fig. 3 dargestellt.
Die Beziehung z wischen den Abständen X und den Lichteinfallspositionen Y wird mit der nächsten Beziehung ausgedrückt:
XY = L2L3 (2)
In diesem Ausdruck bezeichnet L2 Lichtachsenabstände zwischen einfallendem Licht und empfangenem Licht und L3 Abstände zwischen der Lichtempfangseinrichtung und der Linse. Weil die Licht-Positionserfassungseinrichtung 10 die Lichteinfallspositionen Y wie oben beschrieben elektrisch ermittelt und daraus die Abstände X ableiten kann, wird diese Einrichtung vielfach eingesetzt.
Auf der anderen Seite ist ein Faktor für unterschiedliche Genauigkeiten bei den Abständen durch die unterschiedliche Reflexion von den Objekten gegeben, d. h. es gab das Problem, daß sich für stark reflektierende Objekte wie weiße Objekte und schwach reflektierende Objekte wie schwarze Objekte bei gleichem Objektabstand unterschiedliche Meßwerte ergaben.
Eine Methode zur Lösung dieses Problems besteht darin, die Stärke des abgestrahlten Lichts so zu steuern, daß die Stärke des empfangenen Lichts konstant ist (offenbart beispielsweise in der JP-A-39470/1974 und in der JP-B-42411/1 983). Weil bei dieser Methode die Stärke des abgestrahlten Lichts gesteuert wird, so daß das in den Lichtempfangsabschnitt einfallende Licht stets konstant bleibt, wird das in den Lichtempfangsabschnitt einfallende Licht nicht durch das Reflexionsver mögen der Objekte beeinflußt und bleibt konstant. Dies hat die positive Wirkung, daß Fehler reduziert werden, die durch Reflexionsunterschiede bei gleichem Abstand entstehen.
Die genannte Methode hat zwar die oben angegebene hervorragende Wirkung, ist jedoch mit einem Problem behaftet, das nachfolgend beschrieben wird.
Fig. 5 ist ein Kennliniendiagramm, das Abweichungen bei den empfangenen Lichtmengen zeigt, wenn die abgestrahlten Lichtmengen gleich groß sind. Fig. 6 ist ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen Erfassungsabständen und Zielwerten der empfangenen Lichtmengen zeigt. Fig. 7 ist ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen den Erfassungsabständen und den abgestrahlten Lichtmengen zeigt.
Die Zielwerte der empfangenen Lichtmengen können nicht größer sein als die empfangene Lichtmenge, die von dem Objekt stammt, welches das schlechteste Reflexionsvermögen hat und innerhalb des meßbaren Bereiches den größten Abstand aufweist. Wenn der Zielwert mit TV2 angesetzt würde, dem Wert, der der empfangenen Lichtmenge bei Abstand d2 entspricht, wo die empfangene Lichtmenge in etwa dem Mittelwert aller empfangenen Lichtmengen bei den einzelnen Reflexionen innerhalb des meßbaren Abstandsbereichs entspricht, wäre es, wie in Fig. 6 gezeigt, nicht möglich, Objekte in größerem Abstand als dem Abstand d2 exakt zu messen. Folglich muß der Zielwert unbedingt auf den Wert TV1 gesetzt werden, der der empfangenen Lichtmenge bei Abstand d1 entspricht, also der empfangenen Lichtmenge von dem Objekt mit dem geringsten Reflexionsvermögen, das innerhalb des meßbaren Bereiches den größten Abstand hat. Große Abstandsmeßbereiche machen die Zielwerte der empfangenen Lichtmengen klein.
Die empfangenen Lichtmengen bei gleich großen abgestrahlten Lichtmengen sind sehr unterschiedlich, wie in Fig. 5 gezeigt. In Fig. 5 ist der Bereich A der meßbare Abstandsbereich, der Bereich B der nächstgelegene Bereich und der Bereich C ein nicht meßbarer Abstandsbereich. Es soll beispielsweise angenommen werden, daß die empfangenen Lichtmengen im Bereich A, d. h. dem meßbaren Abstandsbereich, umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands seien. Damit können die Zielwerte der empfangenen Lichtmengen nicht größer sein als die Werte, die von den Objekten mit dem geringsten Reflexionsvermögen stammen, die eine ferne Position haben.
Je größer der meßbare Abstandsbereich wird, desto größer wird das Problem. Wird beispielsweise der Abstand des Erfassungsobjekts um den Faktor 3 größer, betragen die Unterschiede bei den empfangenen Lichtmengen ein Neuntel, wenn die abgestrahlten Lichtmengen konstant sind. Zusätzlich bestehen Unterschiede im Reflexionsvermögen der Oberflächen der Erfassungsobjekte. Beispielsweise ist das Reflexionsvermögen weißer Objekte zehn Mal größer als das Reflexionsvermögen schwarzer Objekte. Dann beträgt die empfangene Lichtmenge, die von einem schwarzen Objekt stammt, das sich an der Stelle des größten Abstands befindet, ein Neunzigstel der Lichtmenge, die von einem weißen Objekt stammt, das sich an der Stelle des kleinsten Abstands befindet. Weil der Zielwert der empfangenen Lichtmenge nicht größer sein kann als dieser Wert, beträgt die abgestrahlte Lichtmenge dann ein Neunzigstel, wenn sich ein weißes Objekt im kleinsten Abstand befindet. Fig. 6 zeigt diese Tatsache.
Das oben erwähnte bekannte Verfahren steuert die Intensität des abgestrahlten Lichts in Abhängigkeit von den Abständen und dem Reflexionvermögen, wie in Fig. 7 durch durchgezogene Linien gezeigt. Das bedeutet, daß die Meßgenauigkeit von photoelektrischen Abstandssensoren mit großem Abstandsmeßbereich schlechter wird als die Meßgenauigkeit von photoelektrischen Abstandssensoren mit kleinem Abstandsmeßbereich, und zwar selbst dann, wenn ein und dasselbe Objekt im gleichen Abstand gemessen wird. Bewegungssensoren, die die Veränderung gegenüber vorgegebenen Abständen anzeigen, weisen ebenfalls genau das oben beschriebene Problem auf.
Die US 4,758,082 offenbart eine ähnliche Vorrichtung, bei der die empfangene Lichtmenge in Abhängigkeit von Abstand und Reflexionsvermögen der Objekte gesteuert werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, die in Anspruch 1 definiert ist, einen photoelektrischen Abstandssensor zur Verfügung zu stellen, der im großen Abstandsmeßbereich die gleiche Meßgenauigkeit erzielt wie im kleinen Abstandsmeßbereich.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist der erfindungsgemäße photoelektrische Abstandssensor einen Berechnungsabschnitt auf, der den Abstand eines Objekts berechnet und ein Abstandssignal ausgibt, wobei er außerdem einen Zielwert für die Menge des empfangenen Lichts an den Lichtabstrahl-Steuerabschnitt ausgibt, wobei der Zielwert einer der Zielwerte ist, der jeweils einem Abstand entspricht und wobei der Lichtabstrahl-Steuerabschnitt die Intensität des vom Lichtabstrahlabschnitt abgestrahlten Lichts so steuert, daß die empfangene Lichtmenge im Lichtempfangsabschnitt dem vom Berechnungsabschnitt ausgegebenen Zielwert entspricht.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm mit Einzellinien zur Erläuterung des Funktionsprinzips eines herkömmlichen photoelektrischen Abstandssensors zur Positionserfassung.
Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch eine bekannte Licht-Positionserfassungseinrichtung.
Fig. 3 ist ein Kennliniendiagramm der Licht-Positionserfassungseinrichtung.
Fig. 4 ist ein Kennliniendiagramm, das Abstände X zu einem Erfassungsobjekt und Positionen Y heller Punkte auf einer Lichtempfangsfläche in einem photoelektrischen Abstandssensor in Beziehung setzt.
Fig. 5 ist ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen Abständen und empfangenen Lichtmengen bei gleich großer abgestrahlter Lichtmenge darstellt.
Fig. 6 ist eine Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen Abstandsbereichen und Zielwerten der empfangenen Lichtmengen bei einem herkömmlichen photoelektrischen Abstandssensor.
Fig. 7 ist eine Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen einem Abstandsbereich und abgestrahlten Lichtmengen bei einem herkömmlichen photoelektrischen Abstandssensor.
Fig. 8 ist ein Blockdiagramm einer photoelektrischen Konversions- bzw. Umwandlungseinrichtung, in der der erfindungsgemäße photoelektrische Abstandssensor Anwendung findet.
Fig. 9 ist ein Schaltplan, in dem die Stromteilereinheit und die Stromteiler- Steuereinheit von Fig. 8 näher dargestellt sind.
Fig. 10 ist eine Draufsicht einer Anordnung von Lichtempfangselementen im Lichtempfangsabschnitt des erfindungsgemäßen photoelektrischen Abstandssensors.
Fig. 11 ist ein Kennliniendiagramm zur Erläuterung der Lichtpositionserfassungsempfindlichkeit des Lichtempfangsabschnitts des erfindungsgemäßen photoelektrischen Abstandssensors.
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm, welches eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen photoelektrischen Abstandssensors zeigt.
Fig. 13 ist ein Blockdiagramm, das den Lichtabstrahl-Steuerabschnitt des photoelektrischen Abstandssensors von Fig. 12 ausführlicher zeigt.
Fig. 14 ist ein Blockdiagramm eines Bewegungssensors, der den erfindungsgemäßen photoelektrischen Abstandssensor beinhaltet.
Fig. 15 ist ein Blockdiagramm, das einen Bewegungssensor mit einem Ausführungsbeispiel der Einstelleinheit des in Fig. 14 gezeigten Bewegungssensors zeigt.
Fig. 16 ist ein Kennliniendiagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen einem Abstandsbereich und Zielwerten der empfangenen Lichtmengen bei dem erfindungsgemäßen photoelektrischen Abstandssensor.
Fig. 17 ist ein Kennliniendiagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen einem Abstandsbereich und abgestrahlten Lichtmengen bei dem erfindungsgemäßen photoelektrischen Abstandssensor.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen Im folgenden werden die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Fig. 8 ist ein Blockdiagramm einer photoelektrischen Konversions- bzw. Umwandlungseinrichtung, in welcher der erfindungsgemäße photoelektrische Abstands sensor Anwendung findet. Fig. 9 ist ein Schaltplan, in dem die Stromteilereinheit und die Stromteiler-Steuereinheit von Fig. 8 näher dargestellt sind. Fig. 10 ist eine Draufsicht einer Anordnung von Lichtempfangselementen im Lichtempfangsabschnitt. Fig. 11 ist ein Kennliniendiagramm zur Erläuterung der Lichtpositionserfassungsempfindlichkeit des Lichtempfangsabschnitts.
In Fig. 8 ist eine Stromteilereinheit 12 mit den Ausgangsklemmen eines Lichtempfangsabschnitts 4 verbunden. Ausgangsklemmen der Stromteilereinheit 12 sind mit einer Differenz-Verstärkereinheit 13 verbunden. Außerdem ist eine Stromteiler-Steuereinheit 14 zum Steuern der Stromteilereinheit 12 mit der Stromteilereinheit 12 verbunden. Ferner ist eine Einstelleinheit 26 mit der Stromteiler-Steuereinheit 14 verbunden. In einem Teil der Einstelleinheit 26 ist ein Beeinflussungsabschnitt 15 vorgesehen. Es versteht sich von selbst, daß die Einstelleinheit 26 zusammen mit der Stromteiler-Steuereinheit 14 in einen Schaltkreis gebracht werden kann. Zum besseren Verständnis ist jedoch die Einstelleinheit 26 getrennt von der Stromteiler-Steuereinheit 14 dargestellt.
Der Lichtempfangsabschnitt 4 wird gebildet, indem viele Lichtempfangselemente 10, d. h. 101, 102, 103... 10n in einer bestimmten Richtung angeordnet werden, wie es beispielsweise in Fig. 10 gezeigt ist. Der von den einzelnen Lichtempfangselementen kommende photoelektrische Strom wird in der Stromteilereinheit 1 2 jeweils in einem vorgegebenen Verhältnis k1(j), k2(j), k3(j) und k4(j) geteilt und zur ersten, zweiten, dritten und vierten Ausgangsklemme für den photoelektrischen Strom geleitet, d. h. der photoelektrische Strom von den vielen Lichtempfangselementen 101, 102, 103... 104 wird in vier photoelektrische Stromsignale It1, It2, It3 und It4 umgewandelt. Unter Verwendung der photoelektrischen Stromsignale It1 und It2 werden Abstände beispielsweise durch folgende Signalverarbeitung ermittelt.
Es ist bekannt, daß eine Spannung α Vt proportional zur Boltzmann-Spannung Vt (= kT/q) im Punkt "a" von Fig. 9 erzeugt wird, wobei α durch das Größenverhältnis der Transistoren Q1 und Q2 bestimmt ist. Damit wird die Spannung im Punkt "b" α Vt, unabhängig vom Widerstandswert des Widerstands Kref. Auch am Punkt "c" wird eine Spannung erzeugt, wobei der Wert der Spannung durch das Verhältnis des Widerstands Kref zum zusammengesetzten Widerstandswert eines Widerstands Rp und eines variablen Widerstands VR1 gegeben ist. Die Spannung im Punkt "c" wird zur Spannung im Punkt "d" durch Verschiebung um einen vorgegebenen Wert. Die Spannung im Punkt "d" wird als Einstellspannung bezeichnet.
Die Einstellspannung ändert sich fortlaufend mit dem Widerstandswert des variablen Widerstands VR1.
Weil der zu dem im Widerstand R1 fließenden Strom proportionale Strom vom Punkt "e" aus fließt, werden die Spannungen im Punkt "f", im Punkt "g" und im Punkt "h" kleiner. Der Unterschied zwischen den Spannungswerten an den einzelnen Punkten wird ein konstanter Wert, der durch das Verhältnis der Widerstände R1 und Rj sowie die Boltzmann-Spannung Vt bestimmt ist. Die Spannung wird als Referenzspannung verwendet. In Fig. 9 sind nur drei Widerstände - ein Widerstand Rj, ein vorderer Widerstand und ein hinterer Widerstand - eingezeichnet, in Wirklichkeit sind jedoch derartige Widerstände, deren Anzahl der Anzahl der Lichtempfangselemente 10 entspricht, in Reihe miteinander verbunden.
Bis auf das Lichtempfangselement j - ein vorderes und ein hinteres - der vielen Lichtempfangselemente 101, 102, 103... 10n sind in Fig. 9 alle Lichtempfangselemente weggelassen worden. Auch in der Stromteilereinheit 12 sind nur drei Stromteiler eingezeichnet - ein Stromteiler 12j und ein vorderer Stromteiler 12(j + 1) sowie ein hinterer Stromteiler 12(j - 1). Jeder Stromteiler hat zwei Transistoren, deren Emitter miteinander verbunden sind. Jedes Lichtempfangselement ist mit den Emittern dieser Transistoren verbunden. Jeweils ein Kollektor der Differenz-Transistoren ist mit der ersten Stromausgangsklemme p verbunden und der andere Kollektor mit der zweiten Stromausgangsklemme q. Dadurch werden n photoelektrische Ströme von n Lichtempfangselementen in zwei Signale an den Klemmen p und q umgewandelt. An eine der Basen der einzelnen Differenz-Transistoren werden die Differenzspannungen angelegt, an die andere Basis die Einstellspannung. Auch wenn die Einstellspannung für alle Stromteiler gleich ist, haben die Referenzspannungen eine vorgegebene Spannungsdifferenz bei jedem Stromteiler; die Differenz ist die Boltzmann-Spannung multipliziert mit einer Konstante.
Nehmen wir den Fall, daß die durch den variablen Widerstand VR 1 vorgegebene Einstellspannung einen ähnlichen Wert habe wie die Referenzspannung Vj bei j. Durch geeignete Wahl der Referenzspannungsdifferenz zwischen benachbarten Stromteilern 12(j + 1) und 12(j - 1) wird es möglich, daß die Referenzspannungen aller Stromteiler vom ersten zum (j - 2)ten gegenüber der Einstellspannung ausreichend klein sind, so daß fast der gesamte photoelektrische Strom der Lichtempfangselemente 10 zur ersten Stromausgangsklemme p fließt, und daß die Referenzspannungen aller Stromteiler vom (j + 2)ten bis zum nten gegenüber der Einstellspannung groß genug sind, so daß fast der gesamte photoelektrische Strom der Lichtempfangselemente 10 zur zweiten Stromausgangsklemme q fließt.
Weil die Referenzspannung Vj-1 des (j - 1)ten Stromteilers 12(j - 1) kleiner ist als die Einstellspannung, fließt ein Großteil des photoelektrischen Stroms der Lichtempfangselemente 10 zur ersten Stromausgangsklemme p. Und weil die Referenzspannung Vj + 1 des (j + 1)ten Stromteilers 12(j + 1) höher ist als die Einstellspannung, fließt ein Großteil des photoelektrischen Stroms der Lichtempfangselemente 10 zur zweiten Stromausgangsklemme q. Der photoelektrische Strom des Lichtempfangselements j fließt zur ersten Stromausgangsklemme p und zur zweiten Stromausgangsklemme q, und das Verhältnis des Stroms, der zu der einen Ausgangsklemme fließt, zu dem Strom, der zu der anderen Ausgangsklemme fließt, kann kontinuierlich durch den Wert des variablen Widerstands VR1 eingestellt werden.
Indem die Ausführungsform in der beschriebenen Weise aufgebaut wird, erhält man ein Ausgangsverhalten, das hochempfindlich auf Änderungen der Positionen des einfallenden Lichts in der Nähe der Position j des einfallenden Lichts reagiert, wie in Fig. 11 gezeigt, wo der Strom von der ersten Stromausgangsklemme p mit 1a bezeichnet ist und der Strom von der zweiten Stromausgangsklemme q mit Ib, d. h. das Verhalten in der Nähe der Position j entspricht dem Verhalten der Licht- Positionserfassungsvorrichtung, deren Lichtempfangsabschnitt die kleine Gesamtlänge Le hat, so daß eine mit L/Le multiplizierte Empfindlichkeit erzielt werden kann.
Wie bereits erwähnt, wird der photoelektrische Strom von n (n > 2) Lichtempfangselementen zwischen der ersten und der zweiten Ausgangsklemme für den photoelektrischen Strom geteilt. Wegen k1 > 0,5 fließt ein Großteil des photoelektrischen Stroms vom ersten Lichtempfangselement zur ersten Ausgangsklemme für den photoelektrischen Strom. Wegen 0,5 > kn fließt ein Großteil des photoelektrischen Stroms vom nten Lichtempfangselement zur zweiten Ausgangsklemme für den photoelektrischen Strom. Wegen km ≤ kp (p = m - 1; m = 2 - n) gibt es eine Position zwischen der ersten und der nten Position, wo der zur zweiten Ausgangsklemme für den photoelektrischen Strom fließende Stromanteil größer wird als der zur ersten Ausgangsklemme für den photoelektrischen Strom fließende Stromanteil. Das Lichtempfangselement ist das, was an der vorgenannten Position des Lichtempfangselements 4 in zwei Teile geteilt wird, von denen der eine Teil photoelektrischen Strom zur ersten Ausgangsklemme für den photoelektrischen Strom und der andere photoelektrischen Strom zur zweiten Ausgangsklemme für den photoelektrischen Strom leitet. Die Position der Teilung in gleiche Teile ist bestimmt durch die Verhältnisse kj (j = 1 - n; 0 ≤ kj ≤ 1), die in der Stromteiler- Steuereinheit 14 bestimmt werden. Dieses geteilte Lichtempfangselement entspricht dem Lichtempfang auf dem ganzen Körper und hat zwei Ausgänge, von denen der eine von der ersten Stromausgangsklemme p kommt und der andere von der zweiten Stromausgangsklemme q. Die Licht-Positionserfassungsempfindlichkeit an einer vorgegebenen Position des geteilten Lichtempfangselements wird zur mit L/Le multiplizierten Empfindlichkeit von Fig. 7 und Fig. 8, und die Positionen, an denen die Empfindlichkeit durch die Multiplikation einen hohen Wert erhält, können mittels einer Einstelleinrichtung nach Wunsch eingestellt werden.
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen photoelektrischen Abstandssensors im Ganzen zeigt. Fig. 13 ist ein Blockdiagramm, das den Lichtabstrahl-Steuerabschnitt des in Fig. 12 gezeigten photoelektrischen Abstandssensors ausführlicher zeigt.
Die Ausführungsform des photoelektrischen Abstandssensors wird anhand des Beispiels von Fig. 12 beschrieben. In Fig. 12 ist mit Bezugszeichen 16 ein Berechnungsabschnitt bezeichnet. Bezugszeichen 17 bezeichnet einen Lichtabstrahl- Steuerabschnitt zum Steuern des Lichtabstrahlabschnitts 3 durch Empfang der Ausgangssignale des Lichtempfangsabschnitts 4. Bezugszeichen 18 bezeichnet einen Abstandsberechnungsabschnitt zur Berechnung der Abstände zum Erfassungsobjekt 6 durch Empfang der Signale des Lichtempfangsabschnitts 4. Bezugszeichen 19 bezeichnet einen Abschnitt zum Berechnen von Zielwerten der empfangenen Lichtmenge zum Steuern des Lichtabstrahl-Steuerabschnitts 17 durch Empfang der Ausgangssignale des Abstandsberechnungabschnitts 18 und Ausgabe von Zielwerten für die empfangenen Lichtmengen entsprechend den empfangenen Ausgangssignalen.
Der Berechnungsabschnitt 16 setzt sich aus dem Abstandsberechnungsabschnitt 18 und dem Abschnitt 19 zum Berechnen von Zielwerten der empfangenen Lichtmenge zusammen. Bezugszeichen 20 schließlich bezeichnet einen Ausgabeabschnitt zur Ausgabe von Ausgangssignalen des Lichtabstrahl-Steuerabschnitts 17 und des Abstandsberechnungsabschnitts 18.
Der Lichtabstrahlabschnitt 3 strahlt Licht auf das Erfassungsobjekt 6 ab und bildet auf ihm einen hellen Punkt. Der Lichtempfangsabschnitt 4 erfaßt das Licht des hellen Punkts auf dem Erfassungsobjekt 6 und gibt Lichtpositionssignale und Signale für die empfangene Lichtmenge aus. Der Abstandsberechnungsabschnitt 18 berechnet die Abstände aus den Lichtpositionssignalen am Lichtempfangsabschnitt 4 und gibt Abstandssignale aus. Daneben gibt der Abschnitt 19 zum Berechnen der Zielwerte der empfangenen Lichtmengen die Zielwerte der empfangenen Lichtmengen auf die Abstandssignale hin aus. Je kürzer die Abstände sind, desto höhere Zielwerte der empfangenen Lichtmengen werden errechnet. Der Lichtabstrahl-Steuerabschnitt 17 vergleicht die empfangenen Lichtsignale vom Lichtempfangsabschnitt 4 und die Zielwerte des empfangenen Lichts vom Abschnitt 19 zum Berechnen der Zielwerte der empfangenen Lichtmengen und gibt auf die Unterschiede aus dem Vergleich Ausgangssteuersignale aus; ferner steuert der Lichtabstrahl-Steuerabschnitt 17 die Lichtabstrahlmengen des Lichtabstrahlabschnitts 3 aufgrund der Unterschiede aus dem Vergleich. Der Ausgabeabschnitt 20 gibt die Abstandssignale des Berechnungsabschnitts 18 auf die Ausgangssteuersignale des Lichtabstrahl-Steuerabschnitts 17 hin aus, wenn die empfangenen Lichtmengen den Zielwerten für das empfangene Licht ausreichend nahekommen.
Fig. 13 ist ein ausführlicheres Beispiel des Lichtsteuerabschnitts 17 für den Fall, daß das vom Lichtabstrahlabschnitt 3 abgestrahlte Licht impulsförmig ist.
In Fig. 13 bezeichnet Bezugszeichen 21 einen Integrator. Bezugszeichen 22 kennzeichnet eine Halteeinrichtung. Bezugszeichen 23 bezeichnet eine Rücksetzeinrichtung, wogegen Bezugszeichen 24 eine Fehlerbestimmungseinrichtung kennzeichnet. Bezugszeichen 25 bezeichnet einen Computer.
Gemäß Fig. 13 werden impulsförmige Signale des empfangenen Lichts im Integrator 21 integriert, und die integrierten Werte werden in der Halteeinrichtung 22 gehalten. Sobald die integrierten Werte in der Halteeinrichtung 22 gehalten werden, setzt die Rücksetzeinrichtung 23 den Integrator 21 zurück, bis der nächste Impuls abgestrahlt wird. Die Abstrahlstärke des nächsten Impulses wird abgeleitet, indem der Computer 25 die Ausgangssignale der Halteeinrichtung 22 und die Zielwerte der empfangenen Lichtmengen vergleicht und berechnet, und die Abstrahlstärke des nächsten Impulses wird an den Lichtabstrahlabschnitt 3 als programmierter Abstrahlwert ausgegeben. Die Fehlerbestimmungseinrichtung 24 empfängt die Ausgangssignale der Halteeinrichtung 22 und die Zielwerte für das empfangene Licht als Eingangssignale, und die Fehlerbestimmungseinrichtung 24 bestimmt die Abweichungen zwischen den empfangenen Lichtmengen und den Zielwerten für das empfangene Licht und gibt Ausgabesteuersignale aus.
Anschließend wird ein erfindungsgemäßer photoelektrischer Abstandssensor beschrieben, der als Bewegungssensor verwendet wird. Fig. 14 ist ein vollständiges Blockdiagramm des Bewegungssensors. Fig. 15 ist ein vollständiges Blockdiagramm des Bewegungssensors einschließlich eines bestimmten Beispiels für den Einstellabschnitt des Bewegungssensors.
In Fig. 14 ist mit Bezugszeichen 16' ein Berechnungsabschnitt bezeichnet, der den Abstand eines Objekts 6 berechnet und ein Abstandssignal sowie einen Zielwert für die empfangene Lichtmenge an den Lichtabstrahl-Steuerabschnitt 17 ausgibt. Bezugszeichen 18' bezeichnet einen Abstandsberechnungsabschnitt, der Koeffizienten vom Einstellabschnitt 26 empfängt, um die Entfernung des Objekts 6 gegenüber Referenzabständen XO zu berechnen. Bezugszeichen 26 bezeichnet einen Einstellabschnitt, der die Koeffizienten und die Zielwerte, die den Referenzabständen XO entsprechen, ausgibt. Der Berechnungsabschnitt 16' ist aus dem Abstandsberechnungsabschnitt 18' und dem Einstellabschnitt 26 zusammengesetzt.
Gemäß Fig. 14 strahlt der Lichtabstrahlabschnitt 3 Licht auf Erfassungsobjekte ab, und das von den Erfassungsobjekten reflektierte Licht wird vom Lichtempfangsabschnitt 4 erfaßt. Der Einstellabschnitt 26 stellt die Referenzabstände XO ein und gibt die Koeffizienten und die Zielwerte für die empfangenen Lichtmengen entsprechend den Referenzabständen X0 aus. Der Abstandsberechnungsabschnitt 18' berechnet die Entfernung des Objekts 6 gegenüber dem Referenzabstand XO auf der Basis der Signale aus dem Lichtempfangsabschnitt 4 und der Koeffizienten aus dem Einstellabschnitt 26. Der Ausgabeabschnitt 20 gibt Entfernungssignale vom Abstandsberechnungsabschnitt 18' aus. Der Lichtabstrahl-Steuerabschntt 17 steuert die vom Lichtabstrahlabschnitt 3 abgestrahlte Lichtmenge entsprechend dem Zielwert aus dem Einstellabschnitt 26 und den Signalen aus dem Lichtempfangsabschnitt 4.
Der vorgenannte Einstellabschnitt 26 von Fig. 14 hat einen Koeffizienteneinstellabschnitt 27 und einen Beeinflussungsabschnitt 15, wie in Fig. 15 gezeigt. Bezugszeichen 28 bezeichnet eine Stromquelle. Außerdem bezeichnen im Beeinflussungsabschnitt 15 das Kürzel "Kref" einen Referenzwiderstand, das Kürzel "Rp" einen Parallelwiderstand, das Kürzel "VR1 " einen variablen Widerstand, das Kürzel "Rtr1 " einen Parallelwiderstand und das Kürzel "Rtr2" einen Reihenwiderstand. Der Koeffizienteneinstellabschnitt 27 bewirkt, daß durch den Punkt "c" der gleiche Strom fließt wie durch den Punkt "b". Dabei wird die Spannung, die dem variablen Widerstand VR1 im Beeinflussungsabschnitt 15 entspricht, im Punkt "c" erzeugt. Der Referenzabstand XO folgt aus Beeinflussungsbeträgen des variablen Widerstands VR1 des Beeinflussungsabschnitts 15. Der Parallelwiderstand Rp ist mit dem variablen Widerstand VR1 verbunden. Weil ein Großteil des Stroms an Punkt "c" in den variablen Widerstand VR1 fließt, während der Wert des variablen Widerstands VR1 zwischen 0 und einem Wert dicht bei Rp liegt, sind die Spannungen im Punkt "c" entsprechend der Änderung des variablen Widerstands VR1 stark unterschiedlich. Weil jedoch ein Großteil des Stroms bei Punkt "c" in den Widerstand Rp fließt, wenn der Wert des variablen Widerstands VR1 größer als Rp wird, werden die Spannungsänderungen im Punkt "c" kleiner, auch wenn sich der variable Widerstand VR1 ändert. Wenn der Wert des variablen Widerstands VR1 klein ist, ist auch der Referenzabstand X0 klein, und wenn der Wert des variablen Widerstands VR2 groß ist, ist auch der Referenzabstand X0 groß. Die Spannung im Punkt "c" bestimmt die Berechnungskoeffizienten, die den Lichtpositionen auf der Lichtempfangsfläche entsprechen, die den Referenzabständen X0 entsprechen. Damit ergibt sich eine nichtlineare Beziehung zwischen errechneten Widerstandswerten und variablen Widerstandspositionen, indem dem variablen Widerstand VR1 der Parallelwiderstand Rp beigeordnet wird, und der Grad der Nichtlinearität kann über die Widerstandswerte des Parallelwiderstands Rp frei eingestellt werden. Außerdem wird die Nichtlinearität der X-Y-Umwandlung durch die obige Nichtlinearität korrigiert.
Die Zielwerte der Lichtabstrahlung werden durch die Spannung im Punkt "s" bestimmt. Wenn der vorgeschriebene Strom von der Stromquelle 28 durch den Punkt "s" fließt, ändert sich die Spannung im Punkt "s" in Abhängigkeit vom Wert des variablen Widerstands VR1. Die Spannung im Punkt "s" ist groß, wenn der Referenzabstand X0 klein ist, d. h. wenn der Wert des variablen Widerstands VR1 klein ist, so daß die Zielwerte des empfangenen Lichts groß werden. Wenn der Referenzabstand X0 groß ist, sind die Zielwerte des empfangenen Lichts ebenfalls groß. Die Nichtlinearität zwischen der Spannung im Punkt "s" und dem Referenzabstand X0, die Mindestspannung und die Maximalspannung können durch entsprechende Wahl der Werte der Parallelwiderstände Rtr1 und Rtr2 frei verändert werden. Selbst wenn die Schaltungen bis auf den Beeinflussungsabschnitt 15 integriert sind, können die Nichtlinearität der X-Y-Umwandlung und die für die Lichtabstrahl-Zielwerte erforderliche Nichtlinearität allein über die externen Teile der integrierten Schaltung frei verändert werden.
Die Beziehung zwischen dem Abstandsbereich des erfindungsgemäßen photoelek trischen Abstandssensors und den Zielwerten des empfangenen Lichts ist in Fig. 16 dargestellt. Aus Fig. 16 ist zu ersehen, daß die Zielwerte des empfangenen Lichts sich mit den Abständen ändern. Daneben ist die Beziehung zwischen dem Abstandsbereich des photoelektrischen Abstandssensors und den abgestrahlten Lichtmengen in Fig. 17 dargestellt. Aus Fig. 17 ist zu ersehen, daß die Beziehung zwischen den abgestrahlten Lichtmengen und den Abständen bei jedem Reflexionsvermögen nahezu konstant ist.
Wie bereits erwähnt, hat der erfindungsgemäße photoelektrische Abstandssensor die Aufgabe, die von einem Lichtabstrahlabschnitt auf ein Erfassungsobjekt abgestrahlten Lichtmengen zu steuern, so daß die empfangenen Lichtmengen mit Zielwerten für die empfangenen Lichtmengen zusammenfallen, die Abständen zum Erfassungsobjekt entsprechen, wodurch Einflüsse, die durch Unterschiede der Oberflächen des Erfassungsobjekts bedingt sind, wegfallen, so daß bei einem großen Abstandsmeßbereich die gleiche Meßgenauigkeit erzielt wird wie bei der Messung von gleich beabstandeten Objekten mit einem photoelektrischen Abstandssensor mit geringer Meßbreite. Auch wenn vorstehende Beschreibung sich auf die in Fig. 9, 10 und 11 gezeigten Vorrichtungen bezieht, können die in Fig. 2 und 3 gezeigten photoelektrischen Abstandssensoren ebenfalls zum Einsatz kommen. Da die Lichtpositionssignale und die Lichtmengensignale auch mit den in Fig. 2 und 3 gezeigten photoelektrischen Sensoren erhalten werden können, können sie die gleiche Funktion erfüllen wie oben beschrieben.
Außerdem hat der erfindungsgemäße photoelektrische Abstandssensor die Aufgabe, die von einem Lichtabstrahlabschnitt auf ein Erfassungsobjekt abzustrahlenden Lichtmengen so zu steuern, daß die empfangenen Lichtmengen mit den Zielwerten für empfangenes Licht entsprechend Referenzabständen zusammenfallen, wodurch Einflüsse, die durch Unterschiede der Oberflächen des Erfassungsobjekts bedingt sind, wegfallen, so daß mit einem erfindungsgemäßen photoelektrischen Sensor mit breitem Einstellbereich für die Referenzabstände X0 die gleiche Meßgenauigkeit erzielt werden kann wie bei der Messung von gleich beabstandeten Objekten mit einem photoelektrischen Abstandssensor mit schmalem Einstellbereich für die Referenzabstände X0. Außerdem wird die Wirkung erzielt, daß der Lichtempfangsabschnitt aus einer beliebigen Art von Lichtempfangselementen zusammengesetzt werden kann.

Claims

1. Photoelektrischer Abstandssensor, enthaltend:

einen Lichtabstrahlabschnitt (3), der Licht auf ein Objekt (6) abstrahlt und

einen leuchtenden Punkt auf dem Objekt (6) bildet,

einen Lichtempfangsabschnitt (4), in dem ein Bild des leuchtenden Punktes auf dem Objekt (6) über ein Linsensystem auf einer Lichtempfangsfläche erzeugt wird und der ein Signal bzgl. der empfangenen Lichtmenge sowie ein Positionssignal entsprechend der Position des leuchtenden Punktes auf der Lichtempfangsfläche ausgibt,

einen Berechnungsabschnitt (16, 16'), der den Abstand des Objektes (6) berechnet und ein Abstandssignal ausgibt, und

einen Lichtabstrahl-Steuerabschnitt (17), der die Intensität des von dem Lichtabstrahlabschnitt (3) abgestrahlten Lichtes steuert,

dadurch gekennzeichnet, daß der Berechnungsabschnitt (16, 16') weiterhin einen Zielwert für die empfangene Lichtmenge an den Lichtabstrahl-Steuerabschnitt (17) ausgibt, wobei der Zielwert einer der Zielwerte ist, die jeweils den Abständen entsprechen, und

daß der Lichtabstrahl-Steuerabschnitt (17) die Intensität des von dem Lichtabstrahlabschnitt (3) abgestrahlten Lichtes so steuert, daß die empfangene Lichtmenge an dem Lichtempfangsabschnitt (4) mit dem Zielwert übereinstimmen kann, der von dem Berechnungsabschnitt (16, 16') ausgegeben wird.

2. Photoelektrischer Abstandssensor nach Anspruch 1, bei dem der Berechnungsabschnitt (16) den Zielwert für die empfangene Lichtmenge entsprechend dem Abstand zu dem Objekt (6) berechnet, um ihn an den Lichtabstrahl-Steuerabschnitt (17) auszugeben.

3. Photoelektrischer Abstandssensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Berechnungsabschnitt (16) enthält:

einen Abstandsberechnungsabschnitt (18), der den Abstand zu dem Objekt (6) aus dem Positionssignal berechnet, das aus dem Lichtempfangsabschnitt (4) ausgegeben wird, und

einen Berechnungsabschnitt (19) für den Zielwert der empfangenen Lichtmenge, der den Zielwert für die empfangene Lichtmenge entsprechend dem Abstand berechnet.

4. Photoelektrischer Abstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Lichtabstrahl-Steuerabschnitt (17) enthält:

einen Integrator (21), der das empfangene Lichtsignal integriert,

eine Halteeinrichtung (22), die ein Ausgangssignal des Integrators (21) hält, eine Rücksetzeinrichtung (23), die den Integrator (21) und die Halteeinrichtung (22) zurücksetzt,

eine Fehlerbestimmungseinrichtung (24), die eine Ausgabe der Halteeinrichtung (22) und den Zielwert für die empfangene Lichtmenge als Eingaben empfängt und die den Fehler zwischen der empfangenen Lichtmenge sowie dem Zielwert bestimmt und ein Ausgabesteuersignal ausgibt, und

einen Computer (25), der die Ausgabe der Halteeinrichtung (22) sowie den Zielwert für die empfangene Lichtmenge empfängt und einen programmierten Lichtabstrahlwert berechnet sowie den Lichtabstrahlwert ausgibt.

5. Photoelektrischer Abstandssensor nach Anspruch 1, bei dem der Berechnungsabschnitt (16') enthält:

einen Abstandsberechnungsabschnitt (18'), der den Abstand zu dem Objekt aus dem Positionssignal berechnet, das von dem Lichtempfangsabschnitt (4) ausgegeben wird, und

einen Einstellabschnitt (26), der einen Zielwert für die empfangene Lichtmenge entsprechend einem Referenzabstand ausgibt.

6. Photoelektrischer Abstandssensor nach Anspruch 5, bei dem der Einstellabschnitt (26) enthält:

einen Beeinflussungsabschnitt (15), der den Referenzabstand einstellt,

einen Koeffizienteneinstellabschnitt (27), der einen Koeffizienten entsprechend dem Referenzabstand ausgibt, und

eine Stromquelle (28).

7. Photoelektrischer Abstandssensor nach Anspruch 6, bei dem der Beeinflussungsabschnitt (15) enthält:

einen Referenzwiderstand (Kref) und einen Parallelwiderstand (Rp), die jeweils mit dem Koeffizienteneinstellabschnitt (27) verbunden sind,

einen Parallelwiderstand (Rtr1), der mit der Stromquelle (28) verbunden ist, und

einen variablen Widerstand (VR1) sowie ein Reihenwiderstand (Rtr2), die in Reihe miteinander zwischen dem Koeffizienteneinstellabschnitt (27) und der Stromquelle (28) geschaltet sind.

8. Photoelektrischer Abstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Lichtempfangsabschnitt (4) aus einer Anordnung von mehreren Lichtempfangselementen in einer bestimmten Richtung auf der Lichtempfangsoberfläche gebildet ist.

9. Photoelektrischer Abstandssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Lichtempfangsabschnitt (4) aus einer Lichtpositions-Erfassungseinrichtung (10) gebildet ist, die zwei Stromausgaben (Ia, Ib) ausgibt, mit denen eine Lichteinfallposition in der Lichtpositions-Erfassungseinrichtung (10) in Übereinstimmung mit einem vorgeschriebenen Relationsausdruck erhalten wird.