DE10106998C2 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Objekterfassung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Reflexlichterfassung zur Erfassung eines Objektes, wobei gegeneinander versetzte erste und zweite Strahlenbündel zweier Lichtsender, die periodisch wechselweise angesteuert werden, sich mit einem Lichtempfangsbereich eines Reflexlichtempfängers überschneiden und das Empfangssignal jeweils phasenbezogen zu der wechselweisen Lichtsenderansteuerung amplitudenmäßig ausgewertet wird und ein zweiter Reflexlichtempfänger mit einem zweiten Lichtempfangsbereich, der versetzt zu dem anderen Lichtempfangsbereich angeordnet ist, ebenfalls die zueinander versetzten Lichtsenderstrahlenbündel überschneidet und daß das zweite Empfangssignal des zweiten Reflexlichtempfängers jeweils phasenbezogen zu der wechselweisen Lichtsenderansteuerung amplitudenmäßig ausgewertet wird.

Eine derartige Vorrichtung und ein solches Verfahren ist aus der DE 40 04 530 C2 bekannt. Bei dieser Vorrichtung werden zwei Lichtsender mit ihren Lichtbündeln zueinander so orientiert angeordnet, daß sie einen Lichtempfangsbereich eines Reflexlichtempfängers in verschiedenen Überschneidungsbereichen durchdringen. Die beiden Lichtsender sind periodisch mit zeitlich versetzten Phasen einer Senderansteuerung gespeist, und die beiden daraus resultierenden zeitlich versetzten Empfangssignale die die Lichtreflexe eines Objektes in dem jeweiligen Überschneidungsbereich der Strahlengänge verursachen, werden phasengesteuert ausgewertet und anschließend korreliert zueinander ausgewertet, wobei eine Abstandsbestimmung des Objektes unter weitgehender Hintergrundausblendung erfolgt, da die Überschneidungsbereiche im zu beobachtenden Entfernungsbereich zu den Lichtsendern und dem Lichtempfänger liegen. Relativ zur Sendertaktung werden langsam veränderliche Reflexlichtsignale, die durch Umgebungslicht entstehen, durch eine Hochpaßcharakteristik der Empfangssignalschaltung unterdrückt. Die Unterdrückung von störendem Reflexlicht, insbesondere aus den Nachbar- und Hintergrundbereichen, das die Lichtsender hervorrufen, ist jedoch nur beschränkt und genügt häufig bei der Anwesenheit von spiegelnden, z. B. metallischen, Gegenständen, z. B. in Werkhallen, nicht, um eine einwandfreie Objektbeobachtung und -ortung durchzuführen.

Weiterhin ist es aus der EP 0 441 555 A2/A3 bekannt, einen zweiten Reflexlichtempfänger mit einem zweiten Lichtempfangsbereich, der versetzt zu dem anderen Lichtempfangsbereich angeordnet ist und ebenfalls die zueinander versetzten Lichtsenderstrahlenbündel schneidet, zu verwenden. Das zweite Empfangssignal des zweiten Reflexlichtempfängers wird jeweils phasenbezogen zu der wechselweisen Lichtsenderansteuerung ausgewertet, wobei die gewonnenen Auswertesignale jeweils den wechselseitigen optischen Kopplungen von Sende- und Empfangsstrahlen entsprechen und zu einem Ausgangssignal verknüpft werden können.

Weiterhin ist aus der DE 40 40 225 C2 eine optische Ortungsvorrichtung bekannt, die zwei benachbarte Lichtsender und zwei einander benachbarte Lichtempfänger aufweist, deren Strahlenbündel und Lichtempfangsbereiche sich in unterschiedlichen Entfernungen von den Lichtsendern und Lichtempfängern überschneiden. Hierbei werden die beiden Lichtsender parallel getaktet, wodurch Reflexlichtsignale, die die Umgebungsbeleuchtung erzeugen, mittels einer an die Sendefrequenz angepaßte Empfangssignalfilter unterdrückt werden. Die beiden jeweils entstehenden gefilterten Empfangssignale werden mit unterschiedlichen Vorzeichen summiert und das so entstehende Differenzsignal amplitudenmäßig zu einer Lagebestimmung des Reflektors genutzt. Eine scheinbare Veränderung der Orientierung der Lichtbündel wird durch eine Einstellung der Helligkeit der Lichtsender bewirkt. Eine Ausblendung von Reflexlicht von benachbarten Objekten erfolgt nicht.

Es ist Aufgabe der Erfindung die Störlichtempfindlichkeit, insbesondere bezüglich Spiegeleffekten, der eingangs bezeichneten Vorrichtung zu vermindern.

Die Lösung besteht darin, daß jeweils aus den Auswertesignalen, die je von einem der Lichtsender herrühren, jeweils eine Differenzgröße oder eine Quotientengröße gebildet wird und/oder jeweils aus den beiden Auswertesignalen je eines des Lichtempfängers eine ggf. weitere Differenzgröße oder ggf. weitere Quotientengröße gebildet wird und aus den Differenzgrößen und/oder den Quotientengrößen das Ausgangssignal gebildet wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Anwendungsgebiet der Erfindung sind Lichttaster mit Hintergrundausblendung. Solche Geräte werden vor allem bei der Industrieautomation eingesetzt, um die Annäherung von Objekten zu erkennen. Hintergrundausblendung bezeichnet hier eine definierte Grenze zwischen einem Tastbereich und einer jenseits der entsprechenden Tastweite liegenden Ausblendzone, in der keine Objekte erkannt werden sollen.

Die Lichtbündel der beiden Sender und die Empfangsbereiche sind mit ihren Achsen bevorzugt in einer Ebene angeordnet und die vier genannten Strahlengangsbereiche sind zweckmäßig mit ihren Ursprüngen paarweise und zueinander versetzt und geneigt angeordnet, so daß sie sich in vier Überschneidungsbereichen überlagern, die aneinander angrenzen. Aus diesen genannten vier Überschneidungsbereichen entstehen in den beiden Empfängern jeweils durch die phasenversetzte Taktung der beiden Sender je zwei und zwei Reflexlichtempfangssignale, insgesamt also vier. Alle vier Auswertesignale dienen gemeinsam in einer Verknüpfungsschaltung der Erzeugung eines Ausgangssignals. Je nach der Verknüpfung kann eine unterschiedliche Lage des Objektes in einem der Überschneidungsbereiche, insbesondere jedoch auf einer Symmetrieachse nah oder fern, durch das Ausgangssignal angegeben werden. Die weitgehende Ausblendung von Fremdkörperreflexen erfolgt über eine unterschiedliche Gewichtung der Auswertesignale, wobei einzelne Gewichtsfaktoren jeweils negativ vorgegeben werden.

Soweit das Ausgangssignal oder mehrere gemäß verschiedener Bewertungen nicht nur eine qualitative Information zur Anzeige von "nah", "fern", "mittig" oder "abwesend" erbringen soll/en, so werden verschiedene Auswertesignale oder Kombinationen derselben zueinander relativiert, d. h. ein Signal oder eine Signalkombi­ nation, z. B. aus den seitlichen Überschneidungsbereichen oder aus allen Bereichen herrührend, dient der Normierung der anderen Signale oder deren Kombinationen, zum Beispiel indem eine Quotientenbildung vorgenommen wird. Die Normierungsgröße läßt sich durch Beeinflussung der Empfindlichkeit der Lichtempfänger oder der nachfolgenden Signalwege oder eine Regelung der Helligkeit der Lichtquellen quasi konstant halten.

Sollen nur qualitative Ausgangsinformationen erzeugt werden, wird zweckmäßig eine Schwellwertschaltung ausgangsseitig vorgesehen, der als Schwellwert z. B. Null oder konstanter Wert oder eine geeignete Kombination der Auswertesignale zugeführt werden.

Besonders vorteilhaft läßt sich die Signalverarbeitung mittels Transfergattern vornehmen, die mit den Phasen des Sendetaktgebers gesteuert werden und den jeweiligen Empfangssignalen gemäß Kapazitäten auf- bzw. entladen. Die Ladungen bzw. Entladungen erfolgen gemäß der jeweils vorgesehenen Gewichtung über entsprechende Lade- und Entladewiderstände oder geeignet gewählte Phasenzeitlängen oder -pausen. Die Gesamtdimensionierung ist vorteilhaft so, daß im Normalfall alle zu- und abgeführten Ladungen sich kompensieren, Gleichlichtanteile also ausgemittelt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind anhand der Fig. 1-4 beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch die geometrische Anordnung der Lichtquellen und Lichtempfänger;

Fig. 2 zeigt eine Auswerteschaltung mit Multiplexern in einem Transfergatter;

Fig. 3 zeigt eine Schaltung mit einer Lichtempfängerum­ schaltung und einem Transfergatter;

Fig. 4 zeigt eine Auswerteschaltung mit Transfergattern und eine Schwellwertbildung.

Fig. 1 zeigt eine geometrische Anordnung der Vorrichtung, die jedoch nur beispielhaft ist und keine Beschränkung auf die gezeigten Verhältnisse bedeutet.

Es handelt sich um einen Näherungsmelder, bei dem über gekreuzte Stahlengänge der Lichtsender und -empfänger eine Abstandsselektivität erreicht wird. Damit auch glänzende oder spiegelnde Objekte nicht erkannt werden, wenn sie sich jenseits der gewünschten Tastweite befinden, sind sowohl Lichtsender als auch -empfänger gepaart vorhanden. Für die empfangenen Signale erfolgen mindestens zwei unterschiedliche phasenbezogen getaktete Auswertungen. Auch können alle vier zwischen Sendern und Empfängern auftretenden optischen Kopplungsgrade herangezogen werden.

Entlang einer gedachten Sender-Empfängerverbindung VSE oder Basis sind eng benachbart zwei Lichtsender LS1, LS2 und von diesen beabstandet und zueinander zwei Reflexlichtempfänger LE1, LE2 angeordnet, die so orientiert sind, daß deren Achsen im wesentlichen in der gezeigten Ebene liegen und deren benachbarten Strahlenbündel SB1, SB2 und einander benachbarten Lichtempfangsbereiche EB1, EB2 sich in vier jeweils paarweisen Überschneidungsbereichen F11-F22 treffen.

Das erste Strahlenbündel SB1 des innenliegenden Lichtsenders LS1 und der erste Lichtempfangsbereich EB1 des innenliegenden Empfängers LE1 treffen sich gemittelt in einer Nahzone FF11 in einem relativ kürzesten Abstand D1 von der Basis VSE. Weiterhin trifft sich das außenliegende Strahlenbündel SB2 und der außenliegende Empfangsbereich EB2 in einer relativ entferntesten Fernzone FF22, etwa in einer gemittelten Entfernung D3, und die anderen Überschneidungsbereiche FF12, FF21 liegen in einer mittleren Distanz D2 zur Basis VSE jeweils seitlich zwischen den anderen Bereichen.

Die Größe der Überschneidungsbereiche und deren Distanzen D1-D3 wird durch die Aperturen der Bündel SB1, SB2 und Empfangsbereiche EB1, EB2 vorzugsweise mittels der Linsen L1, L2 vor den Sendern LS1, LS2 und den Empfängern LE1, LE2 sowie deren Abstand und Neigung zueinander bestimmt.

Selbstverständlich sind die dargestellten Strahlenbündel und Empfängercharakteristiken i. allg. nicht scharf begrenzt. Sie sind auch im Langzeitbetrieb durch Verschmutzung der Linse, der Reflektoren und Gehäuse einer Degradation ausgesetzt.

Die reale Ausdehnung der Strahlenbündel kann anders als gezeichnet auch unbegrenzt verschmiert sein.

Die Signale sind somit auf die optisch wirksame Zentralachse der Bündel zu beziehen.

Die Signalauswertung vereinfachend können Signale paarweise gemessen werden.

In der einen Messung, nachfolgend Sendepaar-Messung genannt, werden mit Hilfe eines der beiden Empfänger beide Sender-Hälften gemessen, und in Bezug zueinander, z. B. als Differenz, ausgewertet.

In einer zweiten Messung, nachfolgend Empfängerpaar-Messung genannt, werden mit Hilfe einer der Senderstrahlen beide Empfänger verwendet und deren Differenz gemessen.

Bei beiden Paarmessungen dient das einzelne (dem Paar komplementäre) Wandlerelement als ungepaarter Wandler, nachfolgend Einzelwandler genannt. Er kann eine der Hälften sein (die bei der anderen Paarmessung ja als Paar gebraucht werden), oder auch beide gemeinsam, oder auch eine variable Mischung aus beiden.

Beide Paarmessungen werden in Bezug zueinander ausgewertet und können wie folgt eine Hintergrundausbledung ergeben:
Die Hintergrundausblendung soll gewährleisten, daß Spiegelungen außerhalb des Abstandes D2 (oder D3, je nach verwendetem Einzelwandler) nicht erkannt werden. Die Strahlkeulen sind jedoch durch Schmutz, Unschärfe oder optische Streuung verbreitert, so dass eine Reflexion z. B. auch dann gemessen wird, wenn sie von seitlich außerhalb der Strahlkeulen erfolgt. Liegt die reflektrierende Stelle auf der Seite der positiven Sendekeule (in derem Streubereich), so stört sie die Sendepaar-Messung positiv (derart, dass sie fälschlicherweise wie ein Objekt innerhalb des Tastbereiches erkannt wird), nicht jedoch die Empfänger- Paarmessung, denn die beiden Empfänger sind mit ihrer Funktion/Polarität räumlich entgegengesetzt angeordnet wie die Sender. Umgekehrt wird bei einer Spiegelung im Außenbereich zum Empfängerpaar nur die Empfängerpaar-Messung gestört.

Wenn für jedes Messsignal eine eigene Schaltschwelle vorgesehen ist, kann durch eine logische UND-Verknüpfung die Störung eliminiert werden. Nur Objekte, die erkannt werden sollen, werden von beiden Paarmessungen erkannt. Allerdings können Reflexe, die gleichzeitig aus beiden Seiten eintreffen, dennoch eine Störung verursachen.

Um auch dies zu vermeiden, werden in einer bevorzugten Ausführung vor der Bildung einer Schaltschwelle die Signale beider Paarmessungen miteinander gemischt/summiert. Es resultiert eine Auslöschung sämtlicher Störungen:
Jeder Reflex, der die Senderpaar-Messung stört, verursacht ein negatives Signal gleichzeitig in der Empfängerpaar-Messung. Letztere ist stets von höherem Betrag als die Störung, da hierzu ein geringerer Winkel außerhalb der entsprechenden Strahlkeule durch Streuung überbrückt werden muss. Durch Summierung oder Mischung beider Paarmessungen wird daher das Signal überkompensiert.

Umgekehrtes gilt seitengleich für die gegenüberliegende Problemzone.

Die zugrunde liegende Annahme, daß die Streu-Intensität der Strahlkeulen an deren Rand mit zunehmendem Winkelabstand natürlicherweise stetig abnimmt, hat sich im Versuch bestätigt und lässt sich in der Praxis durch seitengleiche/spiegelbildliche Anordnung der Optik erreichen. Demnach kann die Hintergrundausblendung weitgehend gewährleistet werden, sogar dann, wenn mehrere Störfaktoren gleichzeitig zusammentreffen:

• 1. höhere Intensität wegen gerichteter Spiegelung (metallisch glänzendes Objekt),
• 2. Reflexion selektiv aus einem kleinen Ort des Messbereichs,
• 3. durch Schmutz verbreitete Strahlkeulen.

Die beiden Lichtsender LS1, LS2 werden von einer Senderansteuerung SA mit verschiedenen Phasen P1, P2 periodisch bestromt. Die von den Empfängern LE1, LE2 aufgenommenen Empfangssignale E1, E2 werden jeweils in einem Differenzierglied DG1, DG2 oder Hochpaß gefiltert und mittels einer Trennschaltung durch jeweils mit den Phasen P1, P2 getaktete Weichen in vier Auswertesignale A11-A22 überführt, die jeweils den Überschneidungsbereichen F11-F22 zugeordnet sind. Diese werden jeweils mit einem zugeordneten Gewicht G1-G4 versehen und in einem Tiefpaß TP, ggf. in einer Schwellwertschaltung bewertet, zu einem Ausgangssignal A verknüpft, das ein reflektierendes Objekt in einem der Überschneidungsbereiche F11-F22 in einem der Distanzbereiche D1-D3 anzeigt. Auch mehrere verschiedene derartige Auswerteschaltungen mit unterschiedlichen Gewichtungen können vorgesehen sein, so daß mehrere Ausgangssignale mit unterschiedlichem Aussagegehalt verfügbar sind.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer Auswerteschaltung. Die Signale E1, E2 der Empfänger LE1, LE2 werden in den Verstärkern 11, 12 verstärkt je einem Hochpass DG1, DG2 zugeführt. Deren Ausgänge sind jeweils an den Eingang eines Ausgangsmultiplexers M1, M2 angeschlossen, dessen vier Schaltstellungen durch die beiden Phasen P1, P2 binär entschlüsselt gesteuert werden. Zwischen den beiden aktiven Phasen P1, P2 sind jeweils gleich lange Pausen vorgesehen.

Der erste Multiplexer M1 liefert mit der ersten Phase P1, d. h. in der Stellung 1, das erste Auswertesignal A11 und in der Stellung entsprechend der zweiten Phase P2 ein zweites Auswertesignal A12.

Der zweite Multiplexer M2 liefert entsprechend zur ersten Phase P1 das dritte Auswertesignal A21 und zur zweiten Phase P2 das vierte Auswertesignal A22. In den Pausenzeiten sind die Ausgänge O der Multiplexer M1, M2 durchgeschaltet.

Die Ausgänge der Multiplexer sind mit Widerständen R1-R5 beschaltet, die verschiedene Gewichtungen der Auswertesignale A11-A22 darstellen oder der Pegelnormierung des Ausgangs­ signalpegels dienen, der sich an dem Glättungskondensator GC der Verknüpfungsschaltung im Mittel einstellt. Die Vorzeichen der einzelnen zu verknüpfenden Signale ergeben sich jeweils daraus, ob der Widerstand R1 an den Ausgang A angeschlossen ist oder an Erde gelegt ist, wie die Widerstände R2, R4, die den Auswertesignalen A12, A21 zugeordnet sind, die von den mittelentfernten Überschneidungsbereichen herrühren.

Im vorliegenden Beispiel wird durch die Widerstandswerte R1 = 1k, R2 = 2k, R3 = 4k, R4 = 2k und R5 = 2k, NC = offen, das Auswertesignal A11 aus dem Nahbereich voll und positiv bewertet, da es zum Ausgang A durchgeschaltet ist und die Auswertesignale A12, A21, die aus dem mittelentfernten Bereichen herrühren negativ und halb bewertet und das Auswertesignal A22, das vom entferntesten Bereich herrührt, durch das Offenlassen des Kontaktes A22 ungenutzt gelassen. Auf diese Weise ist das Ausgangssignal A am Glättungskondensator GC dann positiv, wenn eine Objektreflexion aus dem Nahbereich die Reflexionen aus dem Nachbarbereich überwiegt. Das Ausgangssignal A ist deshalb über einen Schaltverstärker VS geleitet, an dessen Ausgang ein Nahdetektionssignal AN abgegeben wird, wenn sich ein Objekt, wie beschrieben im Nahbereich befindet.

Werden an den Multiplexern M1, M2 die beiden Phasen P1, P2 und die Eingänge vertauscht beschaltet, so ist der Fernbereich positiv und hoch bewertet und am Schaltverstärkerausgang tritt ein Ferndetektions-Ausgangssignal AF auf, das den Aufenthalt des Reflexionsobjektes in dem entferntliegenden Überschneidungs­ bereich signalisiert. Entsprechend lassen sich andere Widerstandsbeschaltungen und Verknüpfungen zum Glättungskondensator GC bzw. zur Erde einsetzen, wobei u. U. auch der Ausgang des Signales A22 belegt wird, wenn ein Ausgangssignal mit einer anderen Bedeutung gewonnen werden soll.

Fig. 3 zeigt eine weitere Auswertebeschaltung, bei der die beiden Lichtsender LS1, LS2 mit je einer der Phasen P1, P2 bestromt sind. Ein Umschalter US verbindet jeweils den einen oder anderen Lichtempfänger LE1, LE2 während der einen bzw. anderen Phase P1, P2 und jeweils einer gleichlangen Pausenzeit mit einem Verstärkereingang VE eines einzigen Verstärkers, dessen Ausgang über ein Transfergatter TG4 während beider Phasenzeiten P1, P2 phasengesteuert einen Tiefpaß TP zugeführt ist, der mit einem Schaltverstärker VS1 beschaltet ist, der ein Nahdetektions- Ausgangssignal liefert.

Fig. 4 zeigt eine weitere Auswerteschaltung, die mit einem geänderten Taktschema betrieben ist. Das zweite Phasensignal P2 wird nämlich jede zweite Periode auslassen. Die hochpass­ gefilterten und verstärkten Empfangssignale werden in einem Differenzverstärker DV subtrahiert. Auf diese Weise werden die an den beiden Empfängern nacheinander paarweise auftretenden Auswertesignale A11, A21; A12, A22 in eine Folge von Differenzgrößen DS1, DS2 umgesetzt.

Das Empfangssignal aus dem Nahbereich wird über ein erstes Transfergate TG1 und einem Summierverstärker SU einem Tiefpaß TP zugeführt, wobei das Transfergate TG1 mit der ersten Phase P1 durchgeschaltet und der zweiten Phase P2 entladen wird. Auf diese Weise ist ein Meßwertepaar aus den Auswertesignalen A11, A12, die von einem Sender herrühren, gebildet.

Weiterhin wird der Ausgang des Differenzverstärkers DV über ein zweites Transfergate TG2 auf einen zweiten Eingang des Summierverstärkers SU geschaltet, wobei die Durchschaltung mit der ersten Phase P1 und die Entladung jeweils während der Zeit der inaktiven zweiten Phase P2 erfolgt.

Weiterhin wird das erste Empfangssignal E1 einem dritten Transfergate TG3 zugeführt, das jeweils mit der ersten Phase P1 durchgeschaltet und während der inaktiven Phasenzeit entladen wird. Das dritte Transfergate TG3 dient der Erzeugung eines Schwellwertes, das einem Vergleicher VG als Schwellwert zugeführt ist, dessen anderer Eingang am Tiefpaß TP hängt. Abhängigkeiten der Messung von Helligkeit und/oder Farbe des Objektes können so eliminiert werden. Der Vergleicherausgang liefert ein Nahdetektions-Ausgangssignal AN.

Beispiele für verschiedene Bewertungen der Auswertesignale zeigt folgende Tabelle:
(erster Index = Sender; zweiter Index = Empfänger)

Die beschriebenen Verknüpfungen können erfolgen durch paarweise Auswertungen zu Unterkombinationen (Differenz- oder Paar- Messungen) und dann Verknüpfungen derselben, zum Beispiel bei a:

Um Einflüsse durch Fremdlicht zu kompensieren, wird außer der reflektierten Lichtmenge auch getaktet die Lichtmenge bei ausgeschaltetem Sender berücksichtigt und subtrahiert, z. B. über einen Hochpass und/oder durch Referenzmessungen während der Sendepausen. Dementsprechend wird die Tabelle erweitert um Spalten für die Gewichtung während der Sendepausen.
Erster Index = Sender (1 oder 2 oder P für Pause).
Zweiter Index = Empfänger (1 oder 2).

Statt der hier beschriebenen Differenzen können die paarweisen Auswertungen/Unterkombinationen auch als Quotienten erfolgen.

Mit der Quotientenbildung beeinflussen verschiedene Farben oder Reflexionsgrade das Ausgangssignal nicht. Bei einer Differenzbildung kann dieser Einfluß aber auch kompensiert werden, wobei folgende Möglichkeiten zur Verfügung stehen:

• - indem die Schwelle so niedrig liegt, daß in erster Linie der Nulldurchgang gemessen wird. Nulldurchgang der Differenz entspricht dem Wert 1 beim Quotienten, und allgemein einem größer/kleiner-Vergleich, unabhängig vom Absolutwert beider Hälften-Signale;
• - indem die Schwelle proportional zur Signalstärke angehoben wird, erreicht man eine Normierung;
• - indem der Verstärkungsfaktor der Verstärker angepasst wird. Hierfür kann die bei Radioempfängern bekannte Amplitudenregelung verwendet werden und bewirkt auch eine Normierung.

Wenn einfachheitshalber von positivem und negativem Wandler die Rede ist, so kann damit immer sowohl die Zuordnung bei einer Differenzbildung gemeint sein, als auch eine dem Zähler bzw. Nenner entsprechende Zuordnung bei einer Quotientenbildung.

Statt in Zweierstufen können auch beliebige andere Bewertungs­ größen genutzt werden.

Auch komplexere Periodenstrukturen der Senderansteuerung und der Empfängersignalauswertung, z. B. teilweise überlappende Senderansteuerung, können für bestimmte Aufgaben geeignete Lichtabtastungen von Objekten und Ausgangssignale erbringen.

Die mit Schaltkontakten zwecks Funktionsveranschaulichung dargestellten Umschalter und Schalter sind defakto Halbleiterschalter, die die schnellen Schaltungen abnutzungsfrei vornehmen.

Die Taktperioden liegen vorzugsweise bei 3-30 kHz. Taktverhältnis vorzugsweise bei 1/16 je Sender (zur Energie- Einsparung) bis zu 1/4 je Sender (4 gleich lange Vierteltakte).

Mit einem Analog-Ausgang anstelle des Schaltgliedes im Ausgang kann das Verfahren und die Vorrichtung ebensogut auch zum kontinuierlichen Messen z. B. von Abständen verwendet werden.

Eine Absenkung der negativen Wandler muss nicht in der Matrix implementiert sein, da sie auch direkt bei den Wandler-Signalen vorgenommen werden kann. Beim Sendepaar kann das z. B. durch einen Vorwiderstand zur Verringerung des LED-Stromes geschehen. Beim Empfängerpaar z. B. duch Verminderung der entsprechenden Verstärkung oder einen Spannungsteiler vor der Differenzbildung.

Eine Überlagerung der verschiedenen Teilmessungen muß nicht linear als Summe erfolgen, sondern kann ebensogut als eine nichtlineare Überlagerung erfolgen.

Das beschriebene Grundverfahren kann gemäß der beanspruchten Erfindung auch allgemein bei anderen optischen Anordnungen angewendet werden, z. B. ähnlich wie aus der zitierten DE 40 04 530 C2 in der dortigen Fig. 3. Es können z. B. bei der Anordnung der Strahlen deren Orte mit deren Winkeln sinngemäß vertauscht sein und umgekehrt. Statt Ausrichtung in verschiedene Strahlwinkel kann Ausrichtung aus verschiedenen Orten zum Tragen kommen und umgekehrt. Auch damit können ortsselektive Messungen durchgeführt werden.

Das Verfahren kann statt einer Hintergrundausblendung auch andere Funktionen erfüllen, je nach der örtlichen und optischen Anordnung der Wandlerstrahlen. Beispielsweise kann mit vertauschten Polaritäten eine Vordergrundausblendung, mit versetzt angeordneten Strahlen eine seitliche Positions- Selektivität erzeugt werden. Es können statt zwei Wandler auch mehrere verwendet werden. Diese können gemeinsam benutzt oder auch umgeschaltet werden. Mit der Umschaltung können verschiedene Abtastweiten oder -orte bestrahlt/eingestellt oder abgefragt werden.

Statt sichtbarem Licht kann auch Infrarot verwendet werden.

Anstelle der Doppel-Empfänger kann in allen Varianten auch ein PSD verwendet werden. Der Ausdruck "Empfänger" beinhaltet also auch "eine PSD-Hälfte".

Der Begriff Überschneidungsbrüche meint bei realen, d. h. bei absichtlich oder optisch verschmierten Strahlbündeln, auch einen Schwerpunkt der Strahl-Überschneidung.

Als Multiplexer lassen sich z. B. die in Fig. 4 gezeigten Typen CMOS 4016 oder 4053 verwenden.

Als Taktgenerator kann ein gewöhnlicher Rechteckoszillator mit nachgeschaltetem Frequenzteiler verwendet werden. Alternativ kann ein Microcontroller verwendet werden. Zur geschilderten Auswertung kann auch ein bzw. derselbe Microcontroller verwendet werden. Die Schaltung enthält hierzu von den Eingängen des Microcontrollers einen AD-Wandler mit Multiplexer, wobei für jeden Empfänger ein Eingang vorgesehen ist, oder zwei AD-Wandler. Diese Wandler können im Microcontroller integriert sein. Es können hierfür auch RC-Glieder nach einem PWM- oder Rampen- Verfahren verwendet werden. In diesem Falle liegt die Taktfrequenz vorzugsweise niederiger, z. B. bei 1 kHz.

Als Paar-Empfänger kann eine Differenz-Fotodiode oder eine Doppel-Fotodiode verwendet werden, z. B. die Doppel-Fotodiode Typ SPOT-2DMI mit 0,7 mm² aktiver Fläche pro Hälfte und 0,013 mm Spalt, oder auch ein PSD (positions-sensitiver Detektor), z. B. Typ SL3-1 mit 3 mm² Fläche (linear position sensor) von Firma UDT, Inc.

Ein solcher PSD hat im Gegensatz zum normalen Doppelwandler eine "fließende" und lineare Überschneidung beider Orts- Empfindlichkeiten. Man erhält somit einen linearen Übergang beider Paarhälften und demnach einen analogen Ausgang. Weil dessen Signal in erster Linie nicht von der Objektfarbe abhängt, sondern von dessen Abstand, kann das Verfahren, unter Weglassung der Ausgangsschwelle, auch zur Abstandsmessung verwendet werden.

Als Paar-Sender können z. B. zwei nebeneinander gebondete LED-Kristalle verwendet werden, oder ein spezieller LED-Chip, dessen Maske auf zwei getrennte Nachbarflächen aufgeteilt ist.

Auch wenn statt eines PSD eine normale Doppel-Fotodiode verwendet wird, kann ein fließender Übergang erreicht werden, der die im wesentlichen gleichen Eigenschaften aufweist, indem die optische Abbildung dieser zwei Diodenhälften unscharf oder verwischt erfolgt, z. B. mit Defocussierung oder Mattscheibe. Das gleiche gilt für das Sendepaar.

Bezugszeichenliste

LS1, LS2 Lichtsender 1 und 2
LE1, LE2 Reflexlichtempfänger 1 und 2
SB1, SB2 Strahlenbündel 1 und 2
EB1, EB2 Lichtempfangsbereiche 1 und 2
SA Senderansteuerung
A11, A12, A21, A22 Auswertesignale
A Ausgangssignal
VSE Sender-Empfänger-Verbindung, Basis
E1, E2 Empfangssignal von LE1 bzw. LE2
F11-F22 Überschneidungsbereiche SB1-EB1; SB2-EB2
D1-D3 Entfernungen mittl. F11-F22 zu VSE
L1 Sendersammellinse
L2 Empfängersammellinse
DE1 Empfängersignaldifferenz
DS1 Sendersignaldifferenz
SW Schwellwert
VG Vergleicher
G1-G4 Gewichte
DG1, DG2 Hochpässe
AN Nahdetektions-Ausgangssignal
AF Ferndetektions-Ausgangssignal
M1, M2 Ausgangsmultiplexer
P1, P2 Phasen von SA
R1-R5 Bewertungswiderstände
TG1, TG2, TG3, TG4 Transfergatter
GC Glättungskondensator
VS, VS1 Schaltverstärker
VE Verstärkereingang
TP Tiefpaß
US Umschalter
SU Summierverstärker
R1-R5 Bewertungswiderstände

Claims (19)

1. Verfahren zur optischen Reflexlichterfassung zur Erfassung eines Objektes, wobei gegeneinander versetzte erste und zweite Strahlenbündel (SB1, SB2) zweier Lichtsender (LS1, LS2), die periodisch wechselweise angesteuert werden, sich mit einem Lichtempfangsbereich (EB1) eines Reflexlichtempfängers (LE1) überschneiden und das Empfangssignal (E1) jeweils phasenbezogen zu der wechselweisen Lichtsenderansteuerung (SA) amplitudenmäßig ausgewertet wird und ein zweiter Reflexlichtempfänger (LE2) mit einem zweiten Lichtempfangsbereich (EB2), der versetzt zu dem anderen Lichtempfangsbereich (EB1) angeordnet ist, ebenfalls die zueinander versetzten Lichtsenderstrahlenbündel (SB1, SB2) überschneidet und daß das zweite Empfangssignal (E2) des zweiten Reflexlichtempfängers (LE2) jeweils phasenbezogen zu der wechselweisen Lichtsenderansteuerung (SA) amplitudenmäßig ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils aus den Auswertesignalen (A11, A12; A21, A22), die je von einem der Lichtsender (LS1, LS2) herrühren, jeweils eine Differenzgröße (DS1, DS2) oder eine Quotientengröße gebildet wird und/oder jeweils aus den beiden Auswertesignalen (A11, A21; A12, A22) je eines des Lichtempfängers (LE1, LE2) eine ggf. weitere Differenzgröße oder ggf. weitere Quotientengröße gebildet wird und aus den Differenzgrößen und/oder den Quotientengrößen das Ausgangssignal (A) gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Lichtsenderstrahlenbündel (SB1, SB2) und der erste und der zweite Reflex-Lichtempfangsbereich (EB1, EB2) jeweils aneinander grenzend so angeordnet werden, daß dadurch vier einander benachbarte Überschneidungsbereiche (F11, F12; F21, F22) gebildet werden, die von einer gedachten Verbindung (VSE) der beiden eng benachbart zueinander angeordneten Lichtsender (LS1, LS2) zu den davon beabstandeten beiden zueinander eng benachbarten Reflexlichtempfängern (LE1, LE2) eine unterschiedlich weite Entfernung (D1-D3) aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertesignale (A11-A22), die von den verschiedenen Überschneidungsbereichen (F11-F22) herrühren, abhängig von deren Entfernung (D1-D3) gewichtet werden und das zu dem kürzest entfernten Überschneidungsbereich (F11) zugehörige Auswertesignal (A11) mit umgekehrten Vorzeichen wie und höher als die übrigen Auswertesignale (A12-A22) gewertet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lichtsenderstrahlenbündel (SB1, SB2) durch eine gemeinsame Sammellinse (L1) geführt werden und/oder die beiden Lichtempfangsbereiche (EB1, EB2) durch eine ggf. weitere gemeinsame Sammellinse (L2) geführt werden.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtsenderstrahlenbündel (SB1, SB2) zu den Lichtempfangsbereichen (EB1, EB2) spiegelbildlich bezüglich einer Mittelebene angeordnet sind.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (A) durch eine gewichtete Summierung der Differenzgrößen (DS1, DS2) oder der Quotientengrößen erzeugt wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (A) einer Schwellwertbewertung unterzogen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als der Schwellwert (SW) eine der Differenzgrößen oder Quotientengrößen oder eine Summengröße aus mehreren der Auswertesignale (A11, A12) genutzt wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Gewichtungsgrößen (G1-G4) für die Gewichtung der Auswertesignale (A11-A22) durch feste oder einstellbare Schaltelemente (R1-R5) vorgegeben werden.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangssignale der Lichtempfänger (LE1, LE2) jeweils über einen Hochpaß oder ein Differenzierglied (DG1, DG2) zur Auswertung geführt werden, dessen Zeitkonstante der periodischen Ansteuerung so angepaßt ist, daß jeweils im wesentlichen die davon herrührenden Nutzsignalanteile ohne durch langsam veränderliche Fremdlichteinwirkung entstehende Störsignalanteile von den Differenziergliedern (DG1, DG2) durchgelassen werden.

11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Ausgangssignals (AN) für eine Nahobjektdetektion das Auswertesignal (A11) des Überschneidungsbereichs (F11) mit der geringsten Entfernung (D1) mit zwei gewichtet wird, die Auswertesignale (A12, A21) der Überschneidungsbereiche (F12, F21) mit der mittleren Entfernung (D2) mit minus eins gewichtet werden und das vierte Auswertesignal (A22) unberücksichtigt bleibt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Ausgangssignals (AF) für eine Fernobjektdetektion das Auswertesignal (A22) des entferntesten Überschneidungsbereiches (F22) negativ gewichtet wird und die Auswertesignale (A12, A21) der Überschneidungsbereiche (F12, F21) der mittleren Distanz (D2) unberücksichtigt bleiben und das vierte Auswertesignal (A11) positiv gewichtet wird.

13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Phasen (P1, P2) der Senderansteuerung (SA) jeweils kapazitive Transfergatter (TG1-TG3) auf- und entladend angesteuert werden, denen ein Auswertesignal (A11) oder eine der Differenzgrößen (DS1) zugeführt sind und die transferierten Signale summiert werden und/oder als Schwellwert (SW) genutzt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangssignale (E1, E2) je über ein Hochpassglied jeweils einen Ausgangsmultiplexer (M1, M2) beaufschlagen und diese Multiplexer (M1, M2) mit Bewertungswiderständen (R1-R5) beschaltet sind und mit jeweils den Phasen (P1, P2) der Senderansteuerung (SA) adressiert sind und wobei über manche der Bewertungswiderstände (R1, R5) das Ausgangssignal (A) positiv summiert wird, indem die Widerstände an einem Glättungskondensator (GC) zusammengeschaltet und über die anderen Bewertungswiderstände (R2-R4) negativ summiert wird, indem diese an eine Referenz angeschlossen sind.

15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (A) einer Schwellwert­ bewertung oder einem hysteresebehafteten Schaltverstärker (VS) zugeführt ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfänger (LE1, LE2) phasengesteuert wechselweise mit einem Verstärkereingang (VE) verbunden werden, der ausgangsseitig über ein phasengsteuertes Transfergatter (TG4) und einen Tiefpaß (TP) an einen Schaltverstärker (VS1) angeschlossen ist, der das Ausgangssignal (A) liefert.

17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Sendestrahlhälften in Relation zueinander als Differenz bzw. Quotient erfolgt und daß ebenso die Messungen beider Empfänger relativ zueinander und als Differenz bzw. Quotient erfolgt.

18. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des negativ bewerteten Senders durch Herabsetzung des Sendestromes und die Empfindlichkeit des negativ bewerteten Empfängers abgesenkt werden.

19. Vorrichtung zur optischen Reflexlichterfassung mit zwei Lichtsendern (LS1, LS2) und zwei Lichtempfängern (LE1, LE2), deren gegeneinander versetzte Strahlenbündel (SB1, SB2) und gegeneinander versetzte Lichtempfangsbereiche (EB1, EB2) sich jeweils kreuzen und wobei die Lichtsender (LS1, LS2) von einer Lichtsenderansteuerung (SA) abwechselnd mit einem Spannungsimpuls (P1, P2) beaufschlagt sind und die Empfangssignale (E1, E2) der Lichtempfänger (LE1, LE2) jeweils einem Multiplexer (M1, M2) zugeführt sind, der mit den Spannungsimpulsen (P1, P2) stellungsgesteuert ist und aus ganzseitig jeweils mit Bewertungswiderständen (R1-R5) entweder negativ summierend an Erden oder positiv summierend an einen Glättungskondensator (GC) geschaltet ist, an dem ein so gewichtet gemischtes Ausgangssignal (A) ansteht.