DE102006057878C5

DE102006057878C5 - Verfahren zur Erfassung von Objekten mittels einer optoelektronischen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102006057878C5
Application number: DE102006057878.3A
Authority: DE
Inventors: Martin Argast
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 2005-12-24
Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2026-12-09
Also published as: DE102006057878A1; DE102006057878B4

Abstract

Verfahren zur Erfassung von Objekten mittels einer optoelektronischen Vorrichtung, welche nur einen ein Sendelichtstrahlbündel emittierenden Sender, einen eine Linearanordnung von Empfangselementen aufweisenden Empfänger, eine dem Empfänger vorgeordnete Empfangsoptik, und eine Auswerteeinheit zur Auswertung der Empfangssignale des Empfängers aufweist, wobei zwei Empfangslichtflecke auf dem Empfänger (5) dadurch generiert werden, dass die Empfangsoptik (7, 8) durch eine Abdeckung (7a) in zwei getrennte Bereiche unterteilt ist, und wobei durch eine Amplitudenbewertung der Empfangssignale gerichtet reflektierende Objekte (6, 6') von diffus reflektierenden Objekten selektiv unterschieden werden und aus dem Abstand der Empfangslichtflecke auf dem Empfänger (5) die Objektdistanz bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Objekten mittels einer optoelektronischen Vorrichtung.
Optoelektronische Vorrichtungen der in Rede stehenden Art bilden typischerweise Lichttaster, mittels derer diffus reflektierende Objekte sicher erfassbar sind. Problematisch bei derartigen Lichttastern ist jedoch die Detektion von glänzenden, das Licht zumindest teilweise gerichtet reflektierenden Objekten. Der gerichtet reflektierende Anteil des Lichts gelangt nur bei einer bestimmten Objektneigung zurück zum Lichttaster. Daher wird üblicherweise bei der Detektion derartiger glänzender Objekte nur der diffus reflektierte Anteil des Sendelichts ausgewertet, was die Detektionssicherheit derartiger Objekte erheblich reduziert.
Aus der DE 199 33 439 C2 ist eine optoelektronische Vorrichtung zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich mit einem Sendelichtstrahlbündel emittierenden Sender und einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger bekannt. Die Sendelichtstrahlbündel und die Empfangslichtstrahlen durchlaufen innerhalb des Überwachungsbereichs einen gemeinsamen Pfad. Die Sendelichtstrahlbündel, die innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs auf die zumindest teilweise spiegelnde Oberfläche eines Objekts im Überwachungsbereich auftreffen, werden vom Objekt zu einem retroreflektierenden Reflektor reflektiert und als Empfangslichtstrahlen über das Objekt entlang des Pfades zum Empfänger zurückreflektiert während bei freiem Strahlengang die Sendelichtstrahlbündel am Reflektor vorbeigeführt sind.
Mit dieser optoelektronischen Vorrichtung können spiegelnde Objekte auch dann erfasst werden, wenn deren Oberflächen relativ zur Strahlachse des Sendelichtstrahlbündels um einen gewissen Winkel verkippt sind.
Die DE 102 29 408 B4 betrifft einen optischen Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Detektionsbereich mit wenigstens zwei durch ein Trennelement optisch getrennten Empfängern, welche jeweils von einer zeilenförmigen Anordnung von Empfangselementen gebildet sind, und welchen eine Empfangsoptik zur Fokussierung von Umgebungslicht aus dem Detektionsbereich auf die Empfangselemente vorgeordnet ist, und mit einer Auswerteeinheit, in welcher aus den Empfangssignalen an den Ausgängen der Empfänger ein Objektfeststellungssignal generiert wird, welches über einen Sensorausgang ausgebbar ist. Mittels eines Korrelationsverfahrens wird durch Bilden der Kreuzkorrelationsfunktion der Empfangssignalverläufe der Empfänger die Distanz eines Objektes zum optischen Sensor bestimmt.
Die einen nachveröffentlichten Stand der Technik bildende DE 10 2005 019 909 A1 betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Optosensors mit mindestens einem Sender und einem Empfänger. Die Empfangssignale des Empfängers stellen wenigstens einen Auswerteparameter bereit, wobei mit Hilfe von gespeicherten Häufigkeitsverteilungen für die Auswerteparameter die Wahrscheinlichkeit für den Gerätestatus ermittelt und/oder ein binäres Schaltsignal abgeleitet wird.
Die einen nachveröffentlichten Stand der Technik bildende DE 10 2004 038 940 A1 betrifft einen optischen Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich, mit wenigstens einem Sendelicht emittierenden Sender, wenigstens zwei Empfangslicht empfangenden Empfängern, einem Reflektor, auf welchen das Sendelicht bei freiem Strahlengang geführt ist, und einer Auswerteeinheit, in welcher aus den Empfangssignalen an den Ausgängen der Empfänger ein binäres Schaltsignal generiert wird. Ein erster Empfänger empfängt vorwiegend Empfangslicht aus einem ersten Empfangskanal aus einer sendernahen Zone, der zweite Empfänger empfangt Empfangslicht aus einem zweiten Empfangskanal aus einer senderfernen Zone. Bei freiem Strahlengang gelangt das vom Reflektor zurück reflektierte Empfangslicht vorwiegend zum ersten Empfänger. Bei einem Objekteingriff im Überwachungsbereich gelangt das von diesem zurückreflektierte Empfangslicht vorwiegend auf den zweiten Empfänger. Zur Generierung des Schaltsignals wird in der Auswerteeinheit das Verhältnis der Empfangssignale der Empfänger bewertet.
Die DE 102 38 075 A1 betrifft einen optischen Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich mit zwei in Abstand angeordneten Sendelichtstrahlen emittierenden Sendern und zwei Empfängerzeilen. Jeweils eine Empfängerzeile ist einem der Sender zur Durchführung einer Distanzmessung zugeordnet. In einer Auswerteeinheit wird aus den Ausgangssignalen der Empfängerzeilen ein Objektfeststellungssignal generiert.
Die DE 101 26 086 A1 betrifft einen optoelektronischen Sensor mit einer Sendeeinrichtung zum Aussenden einer Linienbeleuchtung in Richtung eines Objektbereichs, einer Empfangseinrichtung zum Empfang von aus dem Objektbereich reflektiertem oder remittiertem Licht und zur Abgabe wenigstens eines entsprechenden Empfangssignals, und einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung des wenigstens einen Empfangssignals. Eine Unterteilung des linienbeleuchteten Objektbereichs in mehrere Überwachungssegmente ist vorgesehen. Ferner ist eine Abstandsmesseinrichtung vorgesehen, durch die für wenigstens ein Überwachungssegment der Abstand zu einem darin befindlichen Objekt bestimmbar ist.
Die DE 100 18 982 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Transmissions- und Reflexionseigenschaften von Gegenständen und Oberflächen und ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung. Die Vorrichtung ist ausgestattet mit einer Gehäuseeinrichtung, einer optischen Messbasiseinrichtung und vorzugsweise einer Strahlungsquelle zum Aussenden von Strahlung unter einem vorbestimmten Winkel auf eine Messoberfläche, sowie einer Detektoreinrichtung zum Erfassen der von der Messoberfläche reflektierten Strahlung. Eine elastische Halteeinrichtung dient zum elastischen Halten der optischen Messbasiseinrichtung in der Gehäuseeinrichtung, so dass eine Aufsetzfläche zum Aufsetzen der optischen Messbasiseinrichtung auf die Messoberfläche außerhalb der Gehäuseeinrichtung liegt und im unaufgesetzten Zustand eine vorbestimmte, unter Druck gesetzte Lage zur Gehäuseeinrichtung einnimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mittels dessen glänzende Objekte sicher erfassbar sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Erfassung von Objekten mittels einer optoelektronischen Vorrichtung. Die optoelektronische Vorrichtung weist mindestens einen ein Sendelichtstrahlbündel emittierenden Sender, einen eine Linearanordnung von Empfangselementen aufweisenden Empfänger, eine dem Empfänger vorgeordnete Empfangsoptik und eine Auswerteeinheit zur Auswertung der Empfangssignale des Empfängers auf. Bei einer nur einen Sender aufweisenden optoelektronischen Vorrichtung werden zwei Empfangslichtflecke auf dem Empfänger dadurch generiert, dass die Empfangsoptik zwei getrennte Bereiche aufweist, indem der mittlere Bereich der Empfangsoptik abgedeckt ist. Durch eine Amplitudenbewertung der Empfangssignale werden gerichtet reflektierende Objekte von diffus reflektierenden Objekten selektiv unterschieden und aus dem Abstand der Empfangslichtflecke wird auf dem Empfänger die Objektdistanz bestimmt.
Durch die kombinierte Auswertung der Amplituden der Empfangssignale und der Lagen der Empfangslichtflecke auf dem Empfänger können nicht nur glänzende Objekte selektiv erfasst, das heißt von diffus reflektierenden Objekten unterschieden werden. Vielmehr kann auch die Distanz von glänzenden Objekten zur optoelektronischen Vorrichtung bestimmt werden.
Somit wird mit der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung eine genaue und zuverlässige Detektion von glänzenden Objekten möglich.
Insbesondere durch die Emission von stark divergenten Strahlbündeln von Sendelichtstrahlbündeln des Senders können glänzende Objekte auch innerhalb eines großen Neigungswinkelbereichs derer Oberflächen zur Strahlachse der Sendelichtstrahlbündel erkannt werden. Da hierbei innerhalb dieses Neigungswinkelbereichs die vom Objekt gerichtet reflektierten Sendelichtstrahlbündel auf den Empfänger geführt werden und somit nicht der diffus reflektierte Anteil der Sendelichtstrahlbündel zur Objektdetektion verwendet wird, wird eine hohe Nachweissicherheit der optoelektronischen Vorrichtung erhalten. Dabei ist insbesondere vorteilhaft, dass der Neigungswinkelbereich, innerhalb deren die glänzenden Objekte erfassbar sind, im Wesentlichen allein vom Raumwinkel, innerhalb dessen die Sendelichtstrahlbündel abgestrahlt werden, abhängt und nicht von der Objektdistanz.
Um die beiden Empfangslichtflecke auf dem Empfänger zu generieren, umfasst die optoelektronische Vorrichtung gemäß der Erfindung nur einen Sender. Die Empfangsoptik weist Elemente auf, mittels derer bei der Detektion eines glänzenden Objekts die beiden Empfangslichtflecke auf dem Empfänger generiert werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit der optoelektronischen Vorrichtung spezifische Objekteigenschaften wie der Glanzgrad von Objektoberflächen erfasst werden können.
Weiter ist vorteilhaft, dass mit der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung unterschiedliche Objekte und Objektanordnungen sicher erfasst werden können, wie zum Beispiel Objekte mit kleinen Abmessungen, oder auch transparente Objekte, wie Folien, Glas oder Flüssigkeiten, insbesondere vor einem diffus reflektierenden oder glänzenden Hintergrund.
Die Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Die 3–5 sowie 8–18 zeigen Ausführungsformen nach dem Stand der Technik und gehören nicht zur Erfindung. Es zeigen:
1: Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer optoelektronischen Vorrichtung.
2: Skizze zur Beschreibung der Definition des Begriffes Glanz.
3: Optische Komponenten einer Variante der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 1.
4a: Diagramm der Empfangssignalverläufe der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 3 bei einem fernen Objekt.
4b: Diagramm der Empfangssignalverläufe der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 3 bei einem nahen Objekt.
5a–c: Mögliche Anordnungen des Senders für die optoelektronische Vorrichtung gemäß 3.
6: Skizze zur Beschreibung des zulässigen Objektneigungswinkels für die optoelektronische Vorrichtung gemäß 1.
7a: Sendestrahlaufweitung mit Fokuspunkt im Nahbereich für eine optoelektronische Vorrichtung gemäß 1.
7b: Strahlführung des Sendelichtstrahlbündels zur Detektion von kleinen Objekten für eine optoelektronische Vorrichtung gemäß 1.
8: Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der optoelektronischen Vorrichtung.
9: Beispiel eines Optikaufbaus für die optoelektronische Vorrichtung gemäß 8.
10: Strahlverlauf der Empfangslichtstrahlen bei der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 8.
11: Diagramm der Empfangssignalverläufe für die Anordnung gemäß 10.
12: Anordnung eines glänzenden, geneigten Objektes vor einer optoelektronischen Vorrichtung.
13: Diagramm der Empfangssignalverläufe für die Anordnung gemäß 12.
14: Diagramm der Empfangssignalverläufe für die Anordnung gemäß 12 zur Bestimmung des Glanzgrades von Objekten.
15: Optoelektronische Vorrichtung zur Detektion einer transparenten Schicht vor einem Objekt.
16: Diagramm der Empfangssignalverläufe für die Anordnung gemäß 15.
17: Diagramm der Empfangssignalverläufe bei der Detektion einer transparenten Schicht vor einer glänzenden Referenzfläche mittels einer optoelektronischen Vorrichtung.
18: Kombination eines Triangulationstasters mit der Vorrichtung nach 3.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels einer optoelektronischen Vorrichtung 1. Die optoelektronische Vorrichtung 1 weist einen Sender 2 auf, der ein Sendelichtstrahlbündel 3 in Form eines divergenten Strahlbündels in einen Raumbereich innerhalb eines Erfassungsbereichs abstrahlt. Der Sender 2 ist insbesondere von einer Leuchtdiode gebildet. Die optoelektronische Vorrichtung 1 weist weiterhin einen Empfangslichtstrahlen 4 empfangenden Empfänger 5 auf, der eine lineare, zeilenförmige Anordnung von Empfangselementen aufweist. Der Empfänger 5 besteht beispielsweise aus einer CCD-Zeile oder einer CMOS-Zeile.
Bei der Detektion eines Objekts 6 wird das Sendelichtstrahlbündel 3 an diesem reflektiert und über eine Empfangsoptik 7 zum Empfänger 5 geführt. Die Empfangsoptik 7 ist durch eine Abdeckung 7a in zwei getrennte Bereiche unterteilt, wodurch die Empfangslichtstrahlen 4a, 4b entstehen.
Die optoelektronische Vorrichtung 1 weist weiterhin einen Schaltausgang 9 und eine Datenschnittstelle 10 auf, die an eine Auswerteeinheit 11 angeschlossen sind. In der Auswerteeinheit 11 erfolgt eine Auswertung der Empfangssignale des Empfängers 5 zur Generierung eines Objektfeststellungssignals, welches über den Schaltausgang 9 und/oder die Datenschnittstelle 10 ausgebbar ist. Weiterhin dient die Auswerteeinheit 11 zur Ansteuerung des Senders 2. Diese elektronischen Komponenten der optoelektronischen Vorrichtung 1 sind auch bei sämtlichen weiteren Ausführungsbeispielen vorgesehen.
Die optoelektronische Vorrichtung 1 dient zur selektiven Erfassung von glänzenden Objekten 6. Zur Unterscheidung der glänzenden Objekte von diffus reflektierenden Objekten 6 erfolgt in der Auswerteeinheit 11 eine Amplitudenbewertung der Empfangssignale. Weiterhin wird bei der Detektion eines glänzenden Objektes 6 durch die zweigeteilte Empfangsoptik 7 eine Aufteilung der gerichtet vom Objekt 6 reflektierenden Empfangslichtstrahlen 4 in zwei getrennte Teilstrahlen von Empfangslichtstrahlen 4a, 4b erhalten, die auf dem Empfänger 5 getrennte Empfangslichtflecke erzeugen. Der Abstand dieser Empfangslichtflecke wird in der Auswerteeinheit 11 als Maß für die Objektdistanz ausgewertet.
Der Begriff „Glanz” wird im Folgenden an Hand von 2 beschrieben werden.
Glanz ist die Eigenschaft einer Oberfläche, einfallende Lichtstrahlen mehr oder minder gerichtet zu reflektieren. Je mehr Lichtstrahlen von einer Oberfläche gerichtet reflektiert werden, desto glatter und glänzender ist diese.
Der Glanzgrad einer Oberfläche ist definiert als der Quotient aus dem gerichtet und dem diffus reflektierten Anteil des auffallenden Lichts. Die praktische Bestimmung des Glanzgrades erfolgt nach DIN 537781 in den sechs Glanzgraden: hochglänzend, glänzend, seidenglänzend, seidenmatt, matt, und stumpfmatt.
Wie aus 2 ersichtlich, bildet das einfallende Sendelichtstrahlbündel 3 zur Flächennormalen des Objektes 6 den Einfallswinkel 12. Der Ausfallwinkel ist mit 13 bezeichnet.

a) Ist das Objekt transparent, wird das Sendelichtstrahlbündel 3 gebrochen und mit ca. 95% der Intensität als gebrochener Strahl 15 weitergeleitet. Ein Anteil mit ca. 4% wird mit dem Ausfallwinkel 13 vom Objekt 6 reflektiert.
b) Ist das Objekt nichttransparent und hochglänzend, wird das gesamte Sendelicht mit dem Ausfallwinkel 13 vom Objekt 6 reflektiert.
c) Ist das Objekt nichttransparent und seidenmatt bis glänzend, bildet sich um den reflektierten Empfangslichtstrahl 4 Streustrahlung 14. Ein Anteil des Sendelichtes 3 wird je nach Glanzgrad durch das Objekt 6 absorbiert.
d) Ist das Objekt nichttransparent und stumpfmatt bis matt, wird der überwiegende Teil des Sendelichtes 3 absorbiert und ein geringer Anteil diffus in den Halbraum reflektiert.

3 zeigt eine Variante des Aufbaus der optischen Komponenten der optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß 1. Die Empfangsoptik 7 besteht aus zwei Hälften einer Zylinderlinse. Die Längsachsen der Hälften der Zylinderlinsen verlaufen parallel in Abstand zueinander, und zwar senkrecht zur Längsachse des Empfängers 5. Durch diese gekreuzte Anordnung der Empfangsoptik 7 und des Empfängers 5 ist gewährleistet, dass die Empfangslichtstrahlen 4a, 4b auch bei Verkippungen der Oberfläche des zu detektierenden glänzenden Objekts 6, 6' in unterschiedlichen Raumrichtungen relativ zur Strahlachse des Sendelichtstrahlbündels 3 auf den Empfänger 5 abgebildet werden. Schließlich sorgt die stark divergende Abstrahlung des Sendelichtstrahlbündels 3 durch den Sender 2, der im vorliegenden Fall zwischen den Hälften der Zylinderlinsen angeordnet ist, dafür, dass das Objekt 6, 6' innerhalb eines großen Neigungswinkelbereichs der Objektoberfläche detektierbar ist.
3 zeigt den Strahlverlauf der Empfangslichtstrahlen 4a, 4b beziehungsweise 4a', 4b' bei Reflexion an einem Objekt 6 in größerem Abstand und (in gestrichelter Darstellung) bei Reflexion an demselben Objekt 6 in geringerem Abstand.
Die 4a, 4b zeigen die Verläufe der Empfangssignale U der einzelnen Empfangselemente n des Empfängers 5 bei der in 5 dargestellten Detektion des Objekts 6 in größerem Abstand (a) und der Detektion des Objekts 6' in kleinerem Abstand (b) zur optoelektronischen Vorrichtung 1.
Wie in 4a gezeigt, entsteht auf den Empfangselementen des Empfängers 5 ein Empfangssignalverlauf mit den zwei Intensitätsmaxima u4a und u4b im Abstand n1. In einem kürzeren Abstand des Objektes 6' ändert sich der Winkel der einfallenden Teilstrahlen 4a', 4b' und damit, wie in 4b gezeigt, der Abstand n1' der Intensitätsmaxima u4a und u4b. Durch die Änderung der Neigung des Objektes 6 wird lediglich die Lage der beiden Intensitätsmaxima u4a und u4b verschoben, wobei der Abstand n1 erhalten bleibt.
Die 5a, bis 5c zeigen verschiedene Anordnungen des Senders 2 für die Ausführungen der optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß 3. Vorzugsweise ist der Sender 2, wie in 5a gezeigt, zwischen den beiden Randbereichen der Empfangsoptik 7 angeordnet. 5b und 5c zeigen, dass der Sender 2 auch neben oder über der Empfangsoptik 7 angeordnet werden kann, wobei lediglich die Ausrichtung des Sendelichtstrahlbündels 3 des Senders 2 angepasst werden muss.
6 zeigt den zulässigen Neigungswinkel w2 des Objektes 6, das heißt den Grenzwinkel, innerhalb dessen das Objekt 6 noch mit der optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß 1 erfassbar ist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der durch das Objekt 6 zur optoelektronischen Vorrichtung 1 zurück gespiegelte Sendelichtfleck gerade noch die Empfangsoptik 7 treffen muss. Da dieser Sendelichtfleck mit dem Objektabstand wächst ist der zulässige Neigungswinkel w2 des Objektes 6 etwa so groß wie der Raumwinkel w3 des Sendelichtstrahlbündels 3. Es gilt die Beziehung: w2 = 0,5·arctan(2·tan(w3)) ≈ w3.
Die 7a, 7b zeigen spezifische Strahlführungen des Sendelichtstrahlbündels 3 für die optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß 1.
In 7a und 7b bezeichnet d1 den Objektabstand, d2 die Größe des Sendelichtflecks auf dem Objekt 6, d3 den Durchmesser der Empfangslichtstrahlen 4a, 4b und w1 den Öffnungswinkel des Sendelichtstrahlbündels 3 beziehungsweise Empfangslichtstrahlen 4a, 4b.
7a zeigt die Möglichkeit der Vergrößerung des Raumwinkels des Sendelichtstrahlbündels 3. Durch Fokussierung des Sendelichtstrahlbündels 3 im Punkt P1, der im Nahbereich der optoelektronischen Vorrichtung 1 in einem Bereich liegt, in dem kein Objekt 6, 6' detektiert werden muss, wird der wirksame Raumwinkel des Sendelichtstrahlbündels 3 und damit der zulässige Neigungswinkelbereich, innerhalb dessen glänzende Objekte 6, 6' detektierbar sind, vergrößert.
7b zeigt eine Strahlführung des Sendelichtstrahlbündels 3 für Anwendungen, bei denen eine sehr kleine Fläche von Objekten 6 mit kleinen Abmessungen detektiert und bezüglich ihres Abstandes beurteilt werden sollen. Der Fokuspunkt P1 des Sendelichtstrahlbündels 3 liegt unmittelbar vor dem zu detektierenden Objekt 6, so dass das Sendelichtstrahlbündel 3 vollständig auf das Objekt 6 trifft. Die Einschränkung dabei ist, dass der Neigungswinkel des Objektes 6 so ist, dass die Empfangsoptik 7 noch getroffen wird, das heißt das Objekt 6 ist hier nur in einem kleinen Neigungswinkel der Objektoberfläche detektierbar.
8 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der optoelektronischen Vorrichtung 1. Die optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß 8 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 dadurch, dass zur Generierung zweier getrennter Empfangslichtflecke auf dem Empfänger 5 bei der Detektion eines glänzenden Objekts 6 zwei Sender 2a, 2b vorgesehen sind.
Die Sender 2a, 2b werden von der Auswerteeinheit 11 vorzugsweise alternierend aktiviert. Die Sender 2a, 2b sind nebeneinanderliegend in Abstand zum Empfänger 5 angeordnet, so dass die von den Sendern 2a, 2b emittierten Sendelichtstrahlbündel 3a, 3b, die an einem glänzenden Objekt 6 als getrennte Empfangslichtstrahlen 4a, 4b reflektiert werden, getrennte Empfangslichtflecke auf dem Empfänger 5 generieren, deren Abstand wieder ein Maß für den Objektabstand bildet. Dem Empfänger 5 ist im vorliegenden Fall eine einteilige Empfangsoptik 8 vorgeordnet. Ansonsten entspricht die optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß 8 der optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß 1.
9 zeigt ein Beispiel des Aufbaus der optischen Komponenten der optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß 8. Die Sender 2a, 2b liegen in der Längsachse des Empfängers 5 beidseits zu diesem. Den Sendern 2a, 2b ist jeweils eine Sendeoptik 16 zugeordnet. Zwischen diesen liegt die Empfangsoptik 8 zwischen den Sendeoptiken 16. Die Empfangsoptik 8 ist als Zylinderlinse ausgebildet, deren Längsachse um 90° geneigt zur Längsachse des Empfängers 5 verläuft. Wie aus 9 ersichtlich, emittieren die Sender 2a, 2b Sendelichtstrahlbündel 3a, 3b in Form stark divergenter Strahlenbündel.
10 zeigt analog zu 3 den Strahlverlauf der von in unterschiedlichen Objektdistanzen angeordneten Objekten 6, 6' als Empfangslichtstrahlen 4a, 4b zurückreflektierten Sendelichtstrahlbündel 3a, 3b für die optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß 9.
11 zeigt das zugehörige Diagramm der Verläufe der Empfangssignale U der einzelnen Empfangselemente n des Empfängers 5 bei der Detektion des Objekts 6. Entsprechend der Distanz des Objekts 6 ergibt sich der Abstand n1 der durch die Empfangslichtstrahlen 4a, 4b generierten Empfangslichtflecke u4a, u4b auf dem Empfänger 5. Ist das Objekt 6' in einer geringeren Distanz zur optoelektronischen Vorrichtung 1 angeordnet, so werden durch die Empfangslichtstrahlen 4a', 4b' Empfangslichtflecke auf dem Empfänger 5 generiert, deren Abstand größer als der Abstand n1 ist.
12 zeigt die optoelektronische Vorrichtung 1 nach 10, die auf ein glänzendes Objekt 6 gerichtet ist. Die Oberfläche des Objekts 6 kann nicht geneigt (durchgezogene Linien) oder um einen Winkel w1 zur Strahlrichtung der Sendelichtstrahlbündel 3a, 3b geneigt sein. Die Diagramme der für die beiden Fälle erhaltenen Signalverläufe u4a und u4b sind in 13a dargestellt. Das um den Winkel w1 geneigte Objekt 6' liefert, wie in 13a dargestellt, die zwei Empfangssignalverläufe u4a, u4b, die gegenüber 13a um den Wert dn versetzt sind. Aus dem Versatz dn kann die Neigung des Objektes 6' ermittelt werden.
Die 14a–c zeigen die Lichtintensitäten auf den Empfangselementen des Empfängers 5 der optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß 10 bei der Detektion von Objekten 6, 6' mit seidenmatten (14c) bis glänzenden Oberflächen (14a). Zur Selektion von glänzenden und nicht glänzenden Objekten 6, 6' werden jeweils die Maxima der Empfangslichtflecke (U_max) bestimmt, um daraus dann die Halbwertbreiten d3, das heißt die Breiten der Empfangslichtflecke bei 0,5 U_max zu bestimmen. Diese liefern ein Maß für den Glanzgrad der Objektoberfläche, wie aus dem Vergleich der 14a–c ersichtlich. Damit kann evtl. auch die Bedruckung einer matten Oberfläche mit glänzendem Aufdruck, bzw. die Bedruckung eines glänzenden Trägers mit matter Bedruckung analysiert werden. Ebenso kann die partielle Strukturierung eines glänzenden, ebenen Trägers beurteilt werden. Bei einer Flüssigkeitsschicht ist die Breite d3 ein Maß für die Welligkeit der Flüssigkeitsoberfläche, die durch Vibrationen oder andere Bewegungen entstehen kann.
Bei gegebenem Objektabstand kann auch, wie in 14b dargestellt, die Überlappung ausgedrückt durch das Verhältnis der Spannung am Überlappungspunkt U2 zur Maximalspannung U_max als Maß für den Glanzgrad, z. B. für seidenmatte Oberflächen, verwendet werden.
Bei matten Oberflächen ist der Signalverlauf, wie in 14c gezeigt, so flach, dass nur die Intensität U3 als Anhaltspunkt für die Objektdistanz dient, wobei der Reflexionsgrad näherungsweise bekannt und konstant sein sollte. Ansonsten kann auf das Vorhandensein eines Objektes 6, 6' geschlossen werden, wenn U3 einen Intensitätsschwellwert übersteigt. Bei glänzenden Oberflächen (14a) sind dagegen die Breiten d3 der Empfangslichtflecke klein und deren Abstände groß.
15 zeigt eine optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß 10, die auf das diffus reflektierende Objekt 6 gerichtet ist, dem ein transparentes Objekt 6' vorgelagert ist, das durch eine Kunststofffolie, eine Glasplatte oder eine Flüssigkeitsschicht gebildet sein kann. Die Sendelichtstrahlbündel 3a, 3b durchdringen das transparente Objekt 6' und generieren diffus reflektierte Empfangslichtstrahlen 4a, 4b, die über den Empfangselementen des Empfängers 5, wie im Diagramm der 16 dargestellt, den Grundpegel U3 generieren. Von der Oberfläche des transparenten Objektes 6' werden durch die Direktreflexe die beiden Intensitätsmaxima u4a und u4b generiert, die das Vorhandensein des vorgelagerten transparenten Objektes 6' zeigen, wobei der Abstand n1 der Maxima ein Maß für den Objektabstand darstellt. Diese Auswertung ermöglicht vorzugsweise die Kontrolle von Folienverpackungen bezüglich fehlerhafter oder fehlender Folien.
17a zeigt das Diagramm der beiden Intensitätsmaxima, für den Fall, dass die optoelektronische Vorrichtung 1 auf eine glänzende Referenzfläche gerichtet wird. Um transparente Objekte vor dieser Referenzfläche erkennen zu können, werden die beiden Signalverläufe als Referenzsignalverläufe u4a_ref, 4b_ref gespeichert.
Wird dieser glänzenden Referenzfläche eine transparente Schicht, die durch eine Kunststofffolie, eine Glasplatte oder eine dünne Flüssigkeitsschicht gebildet sein kann, vorgelagert, ergibt sich, wie in 17b gezeigt, der Signalverlauf u4a, u4b, der eine Mischung aus dem Empfangslicht, welches von der Referenzfläche und der vorgelagerten transparenten Schicht stammt, darstellt.
In 17c sind die beiden Signalverläufe u4a_obj, u4b_obj gezeigt, die dadurch ermittelt werden, dass von den Signalverläufen in 17b, die Referenzsignalverläufe u4a_ref, 4b_ref von 17a subtrahiert werden. Der Abstand n2 ist dann ein Maß für den Abstand der transparenten Schicht zur Vorrichtung 1. Damit können Kunststofffolien vor einer glänzenden Metalloberfläche detektiert werden.
18 zeigt die Kombination der optoelektronischen Vorrichtung 1 nach 3 mit einem Triangulationstaster. Zur Detektion von glänzenden Objekten 6, 6' dienen die der optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß 3 entsprechenden Komponenten, nämlich der Sender 2a, 2b sowie der Empfänger 5, bestehend aus einer Linearanordnung von Empfangselementen mit der vorgeordneten zweiteiligen Empfangsoptik 7, wobei mit dieser wiederum bei der Detektion von glänzenden Objekten 6 getrennte Empfangslichtstrahlen 4a, 4b generiert werden. Zur Ausbildung des Triangulationstasters wird der ein Sendelichtstrahlbündel 3' emittierende Sender 2' sowie der Empfänger 5 genutzt. Dabei werden die von diffus reflektierenden Objekten 6' rückreflektierten Empfangslichtstrahlen 4' über eine asphärische Empfangsoptik 17 auf den Empfänger 5 geführt. Die Lage des durch die Empfangslichtstrahlen 4' generierten Empfangslichtflecke auf dem Empfänger 5 liefert ein Maß für die Objektdistanz. Zur Gewährleistung einer zeitlich getrennten Auswertung werden die Sender 2, 2' alternierend aktiviert.
Zur Distanzmessung auf ein diffus reflektierendes Objekt 6' wird der Sender 2' aktiviert, der das Sendelichtstrahlbündel 3' zum Objekt 6' emittiert, von wo der Empfangslichtstrahl 4' über die Empfangsoptik 17, die vorzugsweise durch eine Asphäre gebildet wird, auf das Mehrfachempfangselement 5 fokussiert wird. Aus der Empfangslichtposition wird der Abstand des Objektes 6' ermittelt.
Zur Abstandsermittlung des glänzenden Objektes 6 wird der Sender 2 aktiviert. Die vom glänzenden Objekt 6 gerichtet reflektierenden Empfangslichtstrahlen 4a, 4b erzeugen über die zweiteilige Empfangsoptik 7, getrennte Empfangslichtflecke auf dem Empfänger 5, deren Abstand als Maß für die Objektdistanz ausgewertet wird.
Bezugszeichenliste

1: Optoelektronische Vorrichtung
2a: Sender
2b: Sender
3': Sendelichtstrahlbündel
3a: Sendelichtstrahlbündel
3b: Sendelichtstrahlbündel
4a: Empfangslichtstrahlen
4b: Empfangslichtstrahlen
5: Empfänger
6: Objekt
6': Objekt
7: Empfangsoptik
7a: Abdeckung
8: Empfangsoptik
9: Schaltausgang
10: Datenschnittstelle
11: Einfallswinkel
12: Einfallswinkel
13: Ausfallswinkel
14: Streustrahlung
15: gebrochener Strahl
16: Sendeoptik
17: Empfangsoptik

Claims

Verfahren zur Erfassung von Objekten mittels einer optoelektronischen Vorrichtung, welche nur einen ein Sendelichtstrahlbündel emittierenden Sender, einen eine Linearanordnung von Empfangselementen aufweisenden Empfänger, eine dem Empfänger vorgeordnete Empfangsoptik, und eine Auswerteeinheit zur Auswertung der Empfangssignale des Empfängers aufweist, wobei zwei Empfangslichtflecke auf dem Empfänger (5) dadurch generiert werden, dass die Empfangsoptik (7, 8) durch eine Abdeckung (7a) in zwei getrennte Bereiche unterteilt ist, und wobei durch eine Amplitudenbewertung der Empfangssignale gerichtet reflektierende Objekte (6, 6') von diffus reflektierenden Objekten selektiv unterschieden werden und aus dem Abstand der Empfangslichtflecke auf dem Empfänger (5) die Objektdistanz bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Empfänger (5) eine Zylinderlinse als Empfangsoptik (7, 8) vorgeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse der Zylinderlinse senkrecht zur Längsachse des Empfängers (5) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (5) von einer CCD-Zeile oder einer CMOS-Zeile gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (2) im abgedeckten Bereich der Empfangsoptik (7, 8) oder neben dieser angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (2) Sendelichtstrahlbündel (3) in Form von Strahlbündeln mit hoher Strahldivergenz abstrahlt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von Strahlbündeln hoher Strahldivergenz das von dem Sender (2) emittierte Sendelichtstrahlbündel (3) auf einem dicht vor der optoelektronischen Vorrichtung (1) liegenden Punkt fokussiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Objektdetektion die am Empfänger (5) registrierten Empfangssignale mit Referenzempfangssignalen verglichen werden, welche in einem Einlernvorgang durch Detektion eines Referenzobjekts bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Vergleich von Empfangssignalen mit Referenzempfangssignalen ein glänzendes Objekt (6, 6') vor einer Referenzfläche oder die Neigung der Oberfläche eines glänzenden Objekts (6, 6') detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Vergleich von Empfangssignalen mit Referenzempfangssignalen ein zumindestens teilweise transparentes Objekt (6, 6') vor einer glänzenden Referenzfläche detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswertung des Verlaufs der Empfangssignale Informationen über die Oberflächenbeschaffenheiten von Objekten (6, 6') erhalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese mit einem Triangulationstaster zur Detektion diffus reflektierender Objekte (6, 6') kombiniert wird.