CH621001A5

CH621001A5 -

Info

Publication number: CH621001A5
Application number: CH1488277A
Authority: CH
Inventors: Philippe Roussel
Original assignee: Lasag Sa
Priority date: 1977-12-06
Filing date: 1977-12-06
Publication date: 1980-12-31
Also published as: DE2852153A1; GB2013330A; FR2411421A1; GB2013330B

Description

La présente invention concerne un détecteur de présence optique à réflexion directe.

Les détecteurs de présence connus, appelés aussi détecteurs de proximité, travaillent soit en transmission ou en réflexion, soit sont appelés à travailler indifféremment dans l'un ou l'autre mode.

Les détecteurs de présence à transmission perçoivent l'interruption d'un faisceau lumineux par l'objet à détecter. Ils comprennent obligatoirement une unité pour l'émission d'un faisceau de rayons lumineux et une unité pour la détection du faisceau lumineux. Ces appareils voient leur application limitée, s'il n'est pas possible de disposer les deux unités selon une droite que seul l'objet à détecter viendrait couper.

Les détecteurs de présence optiques à réflexion connus sont de deux types. Dans les deux cas, l'émission du faisceau de rayons lumineux et la détection du même faisceau réfléchi ou diffusé se font par des organes dans la même unité. Selon le premier type, les détecteurs de présence à réflexion peuvent détecter la lumière réfléchie par l'objet même à détecter et, selon le deuxième type, ils sont sensibles à l'interruption du faisceau réfléchi par un réflecteur spécialement prévu. Les détecteurs de ce deuxième type à réflexion indirecte présentent les mêmes inconvénients que ceux à transmission en ce qui concerne l'interruption du faisceau par un objet quelconque.

Les détecteurs de présence optiques à réflexion sensibles aux rayons lumineux réfléchis directement par l'objet à détecter sont réalisés selon plusieurs variantes. Le faisceau émis est soit divergent, soit parallèle ou convergent. Les rayons réfléchis sont recueillis par un deuxième système optique, ou par le même système optique que les rayons émis, auquel cas ils sont ensuite séparés par un miroir semi-transparent ou un miroir troué, afin de les diriger sur un photodétecteur.

Tous ces détecteurs présentent des limites très sévères dans leurs performances pour la détection de petits objets à grande distance. Les têtes de détecteurs doivent être approchées à quelques millimètres de l'objet à détecter, ce qui est souvent impossible pour des raisons d'encombrement. Une solution déjà proposée pour surmonter cette difficulté est de faire appel à des fibres optiques pour amener et recueillir les rayons lumineux à proximité de l'objet. Cette solution présente également ses limites. Parmi les réalisations les plus performantes connues, il y a celles qui font appel à l'émission d'un faisceau convergent et à la réception des rayons réfléchis selon un chemin optique distinct. Les directions d'illumination et d'observation font un certain angle. Cependant, plus la plage de détection est éloignée du détecteur, plus le détecteur devient grand.

Le but de la présente invention est un détecteur de présence optique à réflexion directe, capable de déceler la présence ou l'absence d'objets (ou de trous) dans un volume extrêmement réduit de l'espace, volume situé à grande distance (distance frontale) du dispositif. Pour ce faire, le détecteur de présence optique

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à réflexion directe en accord avec l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble optique pour l'émission de rayons lumineux sur un objet, un ensemble optique pour la réception des rayons lumineux diffusés et réfléchis par l'objet et une électronique de commande de l'émission lumineuse et de détection des rayons diffusés et réfléchis; en ce que les chemins optiques des deux ensembles optiques sont parallèles à et symétriques par rapport à l'axe d'une lentille de convergence commune aux deux chemins optiques.

Les avantages du détecteur en accord avec l'invention seront explicités au cours de la description qui suit. La description fait appel aux figures en annexe illustrant schématiquement une réalisation possible du détecteur de présence et de son circuit électronique selon l'invention, invention qui ne se limite pas exclusivement à la réalisation présentée.

La fig. 1 est une coupe longitudinale du détecteur de présence selon l'invention.

La fig. 2 est une coupe longitudinale, selon un plan perpendiculaire au plan de la fig. 1.

La fig. 3 est une coupe transversale selon le plan A-A du détecteur selon l'invention.

La fig. 4 est le schéma de principe du circuit de commande et de détection du détecteur selon l'invention.

La fig. 5 expose plus en détail le circuit électronique de la fig. 4.

L'ensemble optique pour l'émission des rayons lumineux comprend, dans le cas illustré à la fig. 1, une diode émettrice (1), un condensateur (2), un diaphragme (3) et une lentille (4) dont le foyer est sur le trou (3') du diaphragme (3).

L'ensemble optique pour la réception de rayons lumineux comprend, dans le cas illustré, une lentille (5) dont le foyer est sur le trou (6') d'un diaphragme (6) derrière lequel se trouve un détecteur de rayons lumineux, tel un phototransistor (7), une photorésistance ou un thermo-élément.

La lentille (8) est commune aux deux ensembles optiques qui sont parallèles entre eux et disposés symétriquement par rapport à l'axe optique de la lentille (8) et du même côté de la lentille (8).

Le principe de fonctionnement est donc le suivant: les rayons émis par la diode émettrice (1) sont recueillis par le condensateur (2) et focalisés sur le trou (3') du diaphragme (3). Le faisceau lumineux d'illumination (9) est transformé en un faisceau parallèle au moyen de la lentille convergente (4), suite de quoi il est focalisé au foyer (8') de la lentille commune (8). Lorsqu'une surface plane perpendiculaire à l'axe optique se trouve justement au foyer (8') de la lentille commune (8), l'image du trou (3') se matérialise en (8'). Cette image donne naissance au faisceau lumineux d'observation (10), formé des rayons réfléchis ou diffusés par l'objet au foyer (8'). Le faisceau d'observation (10) converge sur le trou (6') du diaphragme (6) après avoir passé par les lentilles (8) et (5). Le phototransistor derrière le trou (6') recueille l'énergie lumineuse du faisceau d'observation et signale, au moyen du circuit électronique de détection associé, la présence d'un objet au foyer (8') de la lentille commune (8).

Au cas où un objet autre que celui à détecter viendrait interrompre le faisceau d'illumination ailleurs qu'au foyer (8') (soit devant soit derrière le foyer (8')), le faisceau d'observation ne se focaliserait alors plus sur le trou (6') du diaphragme (6), mais proviendrait, par le phénomène de parallaxe, sur le diaphragme (6) lui-même. Aucun signal n'est récolté par le phototransistor (7).

D'après la description qui précède, les avantages majeurs du détecteur de présence selon l'invention sont rendus évidents.

— Le détecteur est à même de détecter la présence ou l'absence de pièces à grande distance et dans un volume d'espace extrêmement réduit. En fait, la distance est déterminée par la distance focale de la lentille commune (8).

— Le détecteur est capable de détecter de petites pièces, c'est-à-dire que son volume d'observation est très petit. L'image du trou (3') au foyer (8') peut être dimensionné par le choix d'un diaphragme (3) avec un trou (3') plus ou moins grand selon la sensibilité voulue. De plus, il n'est pas nécessaire que l'image entière soit diffusée par un objet, mais il suffit qu'une partie de l'image donne naissance au faisceau d'observation (10). En effet, le détecteur est capable de déceler la présence d'un fil métallique de diamètre 0,1 mm à 25 cm par exemple.

— Le détecteur de présence optique selon l'invention est à même de détecter la présence ou l'absence d'une protubérance placée sur un fond de même aspect et de même orientation de surface, puisqu'il est conçu pour déceler des objets dans un petit volume centré sur le foyer (8') de la lentille commune (8).

Selon les dimensions d'objets et les caractéristiques du dispositif utilisé, il n'y a donc pas de précautions à prendre quanta la réflectivité d'obstacles placés derrière l'objet à détecter.

Le détecteur de présence selon l'invention a été l'objet des perfectionnements décrits ci-après.

— Un premier perfectionnement intervient dans le choix de la source lumineuse. Il se porte de préférence sur une diode électroluminescente LED dont l'émission lumineuse est modulable à haute fréquence et qui ne pose pas les problèmes thermiques des lampes à filament ou arc. Le choix de la diode LED sera adapté à l'utilisation du détecteur. En industrie, le détecteur sera le plus souvent appelé à détecter des objets métalliques, auquel cas la diode LED sera de préférence à émission dans l'infrarouge. En effet, à cette longueur d'onde, les métaux démontrent une réflectivité très semblable, quelle que soit leur composition. De plus, l'état de surface influence dans une mesure moindre la réflectivité des ondes que dans le cas de longueurs d'ondes plus courtes.

Le circuit électronique de commande de la diode LED (1) comportera de préférence une résistance à coefficient de température négatif, afin de régulariser l'émission de lumière IR en fonction de la température de la diode LED (1).

— Un deuxième perfectionnement est lié au premier et consiste à rendre visible le point de focalisation (8') du faisceau de détection infrarouge. Le moyen choisi consiste à prévoir dans l'unité même, objet de l'invention, au moins une source lumineuse additionnelle dans le visible. La réalisation de ce perfectionnement est illustrée en fig. 2 qui est une coupe longitudinale selon un plan à 90° de la coupe de la fig. 1 du dispositif selon l'invention. La fig. 3, qui est une coupe transversale du détecteur selon l'invention, illustre l'emplacement relatif des systèmes optiques des fig. 1 et 2.

En fig. 2, on reconnaît un premier système optique pour le marquage du foyer (8')- Son axe optique est parallèle à l'axe de la lentille (8) et donc parallèle aussi aux axes de l'ensemble optique pour l'émission des rayons infrarouges ((1) à (4)) et de l'ensemble optique pour la réception des rayons lumineux ((5) à (7)). Ce premier système optique de marquage comprend une photodiode dans le visible, ou photodiode de marquage (11), un diaphragme (12) avec un trou centré (12'), une lentille convergente (13) ayant son foyer (13') sur le trou (12') et envoyant l'image de ce trou à l'infini. Ce faisceau parallèle de marquage (14) est focalisé en (8') par la lentille (8).

Ce premier système optique ((11) à (14)) peut être doublé d'un deuxième système identique ((15) à (18)) et le foyer (8') de la lentille convergente (8) est alors donné avec précision par la superposition des deux images des trous (12') et (16').

Un troisième perfectionnement intervient dans la réalisation pratique du détecteur selon l'invention. En constatant la similitude des ensembles optiques d'émission et d'observation, d'une part, et des systèmes optiques de marquage, d'autre part, il est envisageable de concevoir le détecteur de présence optique de l'invention selon un assemblage de modules, comme cela est montré en fig. 1 et 2. Dans un élément de base consistant en un cylindre (20) pourvu de quatre trous cylindriques (21), (22), (23) et (24) disposés selon une symétrie axiale par rapport à l'axe du cylindre (20), on introduit quatre éléments modulaires (25), (26),

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(27) et (28) tabulaires comprenant chacun la lentille convergente (4), (5), (13) et (17) et le diaphragme (3), (6), (12) et (16)

dont le trou central se trouve au foyer de la lentille. Les éléments modulaires (25), (26), (27) et (28) sont identiques. Ils pourraient à la rigueur être tous identiques entre eux. Les diaphragmes (3), (6), (12) et (16) pourraient être prévus démontables, afin de permettre un changement rapide de l'ouverture.

Cet agencement autorise une production rationnelle et un assemblage accéléré du détecteur selon l'invention.

La lentille convergente (8) est facilement interchangeable par dévissage, par exemple, permettant de modifier avec aisance la distance de détection. On remarquera de plus que l'axe mécanique du cylindre de base (20) est confondu avec l'axe optique de la lentille (8). Cet agencement facilite la mise en place du détecteur et de sa visée sur l'objet à détecter, surtout si, de plus, des rainures sont prévues sur le cylindre (20) pour sa fixation avec centrage.

Un quatrième perfectionnement intervient dans la commande des sources lumineuses. Comme déjà mentionné auparavant, l'émission lumineuse de la diode LED (1) à infrarouge est modulée et le signal du phototransistor est filtré avec une bande étroite à cette même fréquence, afin d'éliminer autant que possible la lumière parasite.

Les diodes (11) et (15) peuvent être commandées en continu.

Un cinquième perfectionnement du détecteur de présence selon l'invention intervient dans le choix du récepteur du faisceau diffusé ou réfléchi.

L'éventail des moyens disponibles comprend les thermorécepteurs, les photorésistances, les phototransistors et d'autres. Tenant compte de la longueur d'onde et de la fréquence de modulation, le choix s'est porté sur un phototransistor en montage Darlington.

Un sixième perfectionnement intervient dans la réalisation du circuit électronique de commande et de détection illustré à titre d'exemple en fig. 5 ci-jointe. La fréquence de modulation est optimisée, afin d'obtenir un gain maximal du signal du phototransistor et, selon les composants choisis, elle se situe entre 2 et 3 kHz. Le temps de mesure est très faible par rapport au temps entre chaque mesure (environ 0,5%o), ce qui rend le système insensible aux parasites industriels.

Le principe de fonctionnement illustré en fig. 4 en est le suivant: un générateur de signaux carrés (31) envoie des impulsions à . l'entrée d'un amplificateur (37) qui délivre à sa sortie le courant nécessaire à l'alimentation de la diode LED (1). Les impulsions du générateur (31) sont dirigées en même temps sur un différentiateur (32), suite de quoi un sélecteur (33) transmet à sa sortie une impulsion brève à une mémoire (34) sur son entrée horloge (H).

D'autre part, le signal recueilli sur la sortie du phototransistor (7) est amené à l'entrée d'un amplificateur sélectif (35). Le gain de celui-ci est réglé par un circuit de contre-réaction sélective dans lequel est incorporé un filtre en double T. Ce premier amplificateur a donc un gain important pour la fréquence modulée, mais faible pour les autres fréquences. Un circuit de réaction incorporé permet d'augmenter la sélectivité du filtre. Le signal modulé entre ensuite dans un amplificateur (36). Le gain de celui-ci est ajustable et n'est pas sélectif. La tension de sortie est une tension continue modulée par le signal d'entrée. Cette tension continue détermine un seuil qui peut être ajusté par un potentiomètre (P) relié à la mémoire (34). Le signal continu modulé passe par une diode (Di) et charge un condensateur (C). Pendant les alternances négatives,

(C) se décharge partiellement dans une résistance parallèle (R). On trouve aux bornes de (C) une tension continue en forme de dents de scie. Le signal est envoyé sur l'entrée (D) (data) de la mémoire (34).

Ainsi, à chaque fin d'impulsion de lumière modulée, une impulsion d'horloge est envoyée sur l'entrée (H) de la mémoire (34). Cette impulsion transfère l'état logique de l'entrée (D) sur la sortie Q ou Q, seulement s'il y a eu changement d'état sur l'entrée (D). Les sorties (S) et (S) permettent de disposer du signal logique par un transistor à collecteur ouvert adaptable à différentes familles logiques intégrées (par exemple circuits TTL, HTL, C MOS) ou relais électromécaniques.

Le circuit électronique de commande et de détection est monté de préférence sur une carte normalisée enfichable. Il est relié au détecteur de présence par les différentes connexions illustrées en fig. 5. Une des connexions montrées en fig. 5 relie une diode de visualisation à la sortie (Q). Cette diode de visualisation peut être une simple photodiode LED rouge montée sur le détecteur qui est constamment allumé, sauf au moment de détection d'un objet, et qui a surtout comme but de signaler le fonctionnement du détecteur de présence.

Une diode de fonction complémentaire montée sur la carte et connectée à (Q) est montrée à titre indicatif en fig. 5. Cette diode vient en aide pour effectuer le réglage du seuil de détection au moyen du potentiomètre P.

Le circuit électronique permet donc d'effectuer un réglage du gain et du seuil de commutation en fonction des conditions d'utilisation du détecteur de présence selon l'invention. Ces conditions d'utilisation peuvent varier avec la distance de détection donnée par la distance focale de la lentille (8), avec les grandeurs des ouvertures des diaphragmes des ensembles optiques d'illumination et d'observation, avec les objets à détecter — le matériau, la couleur, l'état de surface, la dimension — et avec l'utilisation faite de l'appareil

En effet, l'utilisation principale de l'appareil reste la détection de la présence ou de l'absence d'objets (ou de trous) dans un domaine limité de l'espace et il se prête surtout à la détection de petits objets à une certaine distance. Néanmoins, vu ses propriétés, son utilisation peut s'étendre aux domaines suivants:

— détection de couleurs vu qu'il est sensible à des variations de réflectivité de la surface;

— détection dans des conditions spéciales, par exemple à travers un hublot;

— mesure ou contrôle d'orientation angulaire de la surface par un étalonnage préalable du signal à la sortie de l'amplificateur (36) en fonction de l'inclinaison de la surface par rapport à l'axe du détecteur;

— mesure de distance à l'intérieur du domaine limité de la détection d'objets, également par un étalonnage préalable du signal (36) en fonction de l'écart par rapport au foyer (8') de la lentille (8);

— repérage précis de distance: asservissement en distance, utilisation comme microswitch, etc.

Le détecteur de présence et son circuit électronique associé sont exécutés de préférence comme l'exemple illustré et décrit ci-dessus, mais la portée de l'invention ne saurait se limiter à cette réalisation ni aux domaines d'application cités.

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1. Détecteur de présence optique à réflexion directe, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble optique pour l'émission de rayons lumineux sur un objet, un ensemble optique pour la réception des rayons lumineux diffusés et réfléchis par l'objet et une électronique de commande de l'émission lumineuse et de détection des rayons diffusés et réfléchis; en ce que les chemins optiques des deux ensembles optiques sont parallèles à et symétriques par rapport à l'axe d'une lentille de convergence (8) commune aux deux chemins optiques.

2. Détecteur de présence optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble optique pour l'émission de rayons lumineux comprend, sur un même alignement, une source lumineuse, un condensateur pour récolter les rayons lumineux, un diaphragme interchangeable avec un trou se trouvant au foyer du condensateur et une lentille de convergence transformant les rayons lumineux émis en un faisceau parallèle.

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REVENDICATIONS

3. Détecteur de présence optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source lumineuse consiste en une diode LED à émission dans l'infrarouge.

4. Détecteur de présence optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source lumineuse est une diode LED à émission modulée.

5. Détecteur de présence optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble optique pour la réception des rayons lumineux diffusés et réfléchis par l'objet comprend, sur un même alignement, un détecteur de rayons lumineux précédé d'un diaphragme muni d'un trou central, et d'une lentille convergente dont le foyer se trouve sur le trou central.

6. Détecteur de présence optique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le détecteur de rayons lumineux consiste en un phototransistor en montage Darlington.

7. Détecteur de présence selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lentille de convergence (8) commune au chemin optique de l'ensemble optique d'émission et au chemin optique de l'ensemble optique de réception est interchangeable.

8. Détecteur de présence selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en plus au moins un système optique de marquage du foyer (8') de la lentille de convergence commune (8).

9. Détecteur de présence selon la revendication 8, caractérisé en ce que le système optique du marquage du foyer (8') est sur un alignement parallèle et non confondu avec l'axe de la lentille commune (8), en ce qu'il comprend une diode lumineuse dans le visible, un diaphragme avec un trou central et une lentille convergente envoyant l'image du trou à l'infini selon un faisceau incident sur la lentille commune (8), faisceau qui converge ensuite sur le foyer (8').

10. Détecteur de présence selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un assemblage de systèmes modulaires dans un élément cylindrique de base; en ce que chaque système modulaire est constitué d'une lentille convergente, d'un diaphragme troué en son centre et d'un tube-support maintenant le trou du diaphragme au foyer de la lentille convergente; en ce que l'axe mécanique de l'élément cylindrique de base est confondu avec l'axe optique de la lentille commune (8).

11. Détecteur de présence selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électronique de commande de l'émission lumineuse et de détection des rayons diffusés et réfléchis comprend au moins, d'une part, un dispositif de modulation de l'émission lumineuse et, d'autre part, un amplificateur sélectif du signal de l'ensemble optique pour la réception des rayons lumineux, suivi d'un dispositif de reconnaissance d'un seuil de détection du signal amplifié, comprenant en outre un moyen pour régler le gain de l'amplificateur et un moyen pour régler le seuil de détection, afin de pouvoir régler la sensibilité du détecteur de présence.

12. Détecteur de présence selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un moyen optique du signalement de dépassement du seuil.

13. Détecteur de présence selon la revendication 12, caractérisé en ce que le moyen optique de signalement est une diode LED.

14. Utilisation du détecteur de présence optique à réflexion directe selon la revendication 1 pour signaler la présence ou l'absence d'objets ou de trous de petite taille à grande distance du détecteur et au voisinage d'un point sur l'axe de la lentille de convergence commune (8), ce point étant le foyer (8') de la lentille (8).