DE10115826C2 - Verfahren zur Messung der Position oder der Form eines Objekts bzw. einer Objektkontur in einem Überwachungsbereich mit einem optoelektronischen Meßgerät, sowie optoelektronisches Meßgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Position oder der Form eines Objekts bzw. einer Objektkontur in einem Überwachungsbereich mit ei­ nem optoelektronischen Meßgerät, wobei das optoelektronische Meßgerät eine einen Sender aufweisende Sendeeinheit, eine Detektionseinheit mit ei­ nem Senderkonverter und einem Empfängerkonverter, mindestens ein Licht­ leiterkabel mit mindestens einem Lichtleiterbündel mit mehreren unsortiert im Lichtleiterbündel angeordneten Lichtwellenleitern und eine Auswerteeinheit mit einem Empfänger aufweist, wobei das von dem Sender abgestrahlte Licht zwischen dem Senderkonverter und dem Empfängerkonverter einen Über­ wachungsbereich durchläuft, und wobei das Lichtleiterkabel die Detektions­ einheit mit der Auswerteeinheit verbindet. Daneben betrifft die Erfindung noch ein optoelektronisches Meßgerät, mit einer einen Sender aufweisenden Sendeeinheit, mit einer Detektionseinheit, mit mindestens einem Lichtleiter­ kabel und mit einer einen Empfänger aufweienden Auswerteeinheit, wobei die Detektionseinheit einen Senderkonverter und einen Empfängerkonverter aufweist, das von dem Sender abgestrahlte Licht zwischen dem Sender­ konverter und dem Empfängerkonverter einen Überwachungsbereich durchläuft, das Lichtleiterkabel mindestens ein Lichtleiterbündel mit mehreren unsortiert im Lichtleiterbündel angeordneten Lichtwellenleitern aufweist und das Lichtleiterkabel die Detektionseinheit mit der Auswerteeinheit verbindet.

Zunächst soll nachfolgend erläutert werden, welche der verwendeten Begrif­ fe bei der dann folgenden Beschreibung zunächst des Standes der Technik, dann der Erfindung welche Bedeutung haben bzw. haben sollen.

Bei einem Lichtleiterkabel handelt es sich um ein zum Lichttransport geeig­ netes optisches Bauelement, welches aus einer Vielzahl, im Verhältnis zu ihrer Länge sehr dünner, zu einem Lichtleiterbündel zusammengefaßter einzelner Lichtwellenleiter besteht. Die einzelnen Lichtwellenleiter bestehen jeweils aus einem Kern, welcher meist aus einem Quarz oder einem optischen Glas besteht, jedoch auch aus Kunststoff bestehen kann, und einem Mantel aus Glas oder Kunststoff. Der Lichttransport in axialer Richtung durch jeden Lichtwellenleiter erfolgt durch Totalreflektion des Lichtes an der Wandung des Kerns, d. h. am Übergang vom Kern zum Mantel. Um die für die Ausbrei­ tung des Lichtes in dem Lichtwellenleiter bzw. in dem Kern notwendige To­ talreflektion zu ermöglichen, muß der Mantel einen niedrigeren Brechungsin­ dex als der Kern aufweisen. Zum Schutz der einzelnen Lichtwellenleiter ist das Lichtleiterbündel insgesamt mit einer Ummantelung aus Kunststoff oder mit einem Geflecht aus einem Metallwendel und einer Gewebeverstärkung umgeben.

Die einzelnen Lichtwellenleiter können nun unterschiedlich in dem Lichtlei­ terkabel angeordnet sein. Dabei soll unter einem sortierten Lichtleiterkabel ein solches verstanden werden, bei dem die Lichtwellenleiteranordnung an der Eintrittsfläche bzw. an einen Lichtleiterkabelende der Anordnung der Lichtwellenleiter an der Austrittsfläche bzw. am anderen Lichtleiterkabelende entspricht. Demgegenüber soll unter einem unsortierten Lichtleiterkabel ein solches verstanden werden, bei dem es keine festgelegte Zuordnung der Lichtwellenleiteranordnung an der Eintrittsfläche bzw. an einen Lichtleiter­ kabelende zur Lichtwellenleiteranordnung an der Austrittsfläche bzw. am an­ deren Lichtleiterkabelende gibt.

Optoelektronische Meßgeräte, welche häufig auch als optoelektronische Sensoren bezeichnet werden, werden je nach ihrem Sensorprinzip als Ein­ weg-Sensoren, Reflexions-Sensore oder Taster bezeichnet. Bei Einweg-Sen­ soren, welche häufig auch als Einweglichtschranken bezeichnet werden, sind der Sender und der Empfänger getrennt voneinander angeordnet, in der Re­ gel einander gegenüberliegend angeordnet. Demgegenüber sind bei Reflekti­ ons-Sensoren, sogenannten Reflektionslichtschranken oder Reflextastern, die auch als optoelektronische Näherungsschalter bezeichnet werden, der Sender und der Empfänger in einem Gehäuse angeordnet. Bei einer Reflekti­ onslichtschranke wird das von dem Sender ausgestrahlte Licht über einen Spiegel auf den Empfänger zurückreflektiert. Bei einem Reflextaster wird da­ gegen das natürliche Reflektionsvermögen eines zu erkennenden Gegen­ standes ausgenutzt, um das von dem Sensor ausgestrahlte Licht zum Empfän­ ger zurückzureflektieren. Der Raum, den das von dem Sender abgestrahlte Licht zum Empfänger durchläuft wird dabei als Überwachungsbereich be­ zeichnet. Bei einer Einweglichtschranke ist der Überwachungsbereich somit der Bereich zwischen dem Sender und dem Empfänger, während bei einer Reflektionslichtschranke der Überwachungsbereich auf der einen Seite durch den Sender und den im selben Gehäuse angeordneten Empfänger und auf der anderen Seite durch den Spiegel begrenzt ist.

Es sind optoelektronische Meßgeräte bekannt, die einen Sender und einen Empfänger aufweisen, wobei der Empfänger als Matrix-Kamera ausgeführt ist, mit denen die Position oder die Form eines Objekts oder einer Objektstruk­ tur innerhalb des Überwachungsbereichs erkannt werden kann. Derartige optoelektronische Meßgeräte haben jedoch den Nachteil, daß sie nur dort eingesetzt werden können, wo der Montageraum ausreichend groß ist und die Umgebungsbedingungen den Einsatz einer elektrisch aktiven Einheit zu­ lassen. Dagegen können die bekannten optoelektronischen Meßgeräte an unzugänglichen Stellen oder bei extremen Umgebungsbedingungen, wie ho­ hen Temperaturen, oder in explosionsgefährdeten Bereichen nicht eingesetzt werden.

Bei derartigen Umgebungsbedingungen werden optoelektronische Meßge­ räte verwendet, bei denen der Sender und der Empfänger mit einem Lichtlei­ terkabel verbunden ist, so daß die empfindliche elektrisch aktive Baueinheit - Sender und Empfänger - entfernt vom Meßort angeordnet werden kann. Wenn mit derartigen optoelektronischen Meßgeräten die Position oder die Form eines Objekts bzw. einer Objektkontur im Überwachungsbereich be­ stimmt werden soll, so erfolgt dies bei Verwendung eines Lichtleiterkabels mit unsortierten Lichtwellenleitern durch Auswertung der im Empfänger auftref­ fenden Lichtintensität. Dieses Detektionsprinzip ist nur bei Objekten funk­ tionsfähig, die den Lichtstrahl zwischen Sender und Empfänger im Überwa­ chungsbereich vollständig unterbrechen. Bei Objekten, die Perforationen auf­ weisen, teilweise bedruckt sind oder eine hohe Transparents haben, kann die Auswertung der Lichtintensität zu einem großen Meßfehler führen.

Um auch die Position eines Objekts, beispielsweise einer Papierbahn, die per­ foriert oder bedruckt ist, sicher detektieren zu können, ist es bekannt, opto­ elektronische Meßgeräte mit einem Lichtleiterkabel mit sortierten Lichtwel­ lenleitern zu verwenden. Empfängerseitig wird das Ende des Lichtleiterka­ bels auf ein ortsauflösendes Empfangsbauelement, beispielsweise eine CCD- Zeile oder eine CCD-Matrix, geführt. Dadurch, daß die Lichtwellenleiter in dem Lichtleiterkabel sortiert angeordnet sind, die Position der Lichtwellenlei­ ter in dem Lichtleiterbündel an der Eintrittsfläche somit der Position der Lichtwellenleiter in dem Lichtleiterbündel an der Austrittsfläche entspricht, kann bei derartigen optoelektronischen Meßgeräten die Position einer Pa­ pierbahn im Überwachungsbereich erkannt werden, selbst wenn die Papier­ bahn perforiert oder bedruckt ist. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß die Her­ stellung sortierter Lichtleiterbündel relativ aufwendig ist und derartige sor­ tierte Lichtleiterbündel somit verhältnismäßig teuer sind.

Aus der DE 40 42 317 A1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Licht­ leiteridentifizierung für die Aufzeichnung, Übertragung oder Generierung von bildhaften Informationen bekannt. Bei der bekannten Einrichtung wird ein Lichtleiterbündel mit mehreren Lichtwellenleitern benutzt, bei dem die Lichtwellenleiter an dem einen Ende des Lichtleiterbündels flächenhaft und unsortiert angeordnet sind und an seinem anderen Ende eine flächenhafte, matrixförmige Anordnung, also eine vorgegebene Positionen aufweisen.

Die US 3,655,989 offenbart eine Vorrichtung zur Überwachung von Band­ material während des laufenden Herstellungsprozesses, wobei ein eingangs beschriebenes optoelektronisches Meßgerät verwendet wird, bei dem zwi­ schen einer Sendeeinheit und einer Empfängereinheit zwei Lichtleiterkabel geschaltet sind, die mehrere unsortiert angeordnete Lichtwellenleiter aufwei­ sen, wobei die beiden einander zugewandten Enden der Lichtleiterkabel einen Überwachungsbereich aufspannen. Hierbei erfolgt die Überwachung der Form bzw. der Position des Bandmaterials durch Auswertung der im Empfänger auftreffenden Lichtintensität, da der Lichtstrahl zwischen Sender und Empfänger im Überwachungsbereich durch das Bandmaterial vollständig unterbrochen wird. Wird anstelle eines Bandmaterials aus Stahl oder Messing ein Objekt verwendet, das Perforationen aufweist, oder teilweise bedruckt ist, so kann die bekannte Auswertung der Lichtintensität zu einem großen Meßfehler führen.

Schließlich ist aus der DE 43 18 140 C2 ein Verfahren zur Zuordnung der einkoppelseitigen Enden der einzelnen Lichtleitfasern eines Lichtleiter­ bündels zu den auskoppelseitigen Enden dieser Lichtleitfasern bekannt, bei dem die in den einzelnen Lichtleitfasern geführte maximale Lichtmenge erfaßt und gespeichert wird. Anschließend erfolgt die Zuordnung mit Hilfe eines Kalibiervorganges, bei dem scharfkantige Blenden verwendet werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein optoelek­ tronisches Meßgerät bzw. ein Verfahren zur Messung der Position oder der Form eines Objekts bzw. einer Objektkontur in einem Überwachungsbereich mit einem entsprechenden optoelektronischen Meßgerät zur Verfügung zu stellen, welches auch bei Objektperforation oder hoher Objekttransparenz zu­ verlässig arbeitet und dennoch kostengünstig hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen Verfahren zunächst und im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Zuordnung der Position der einzel­ nen Lichtwellenleiterenden am Empfängerkonverter zur Position der einzel­ nen Lichtwellenleiterenden am Empfänger in einem Kalibriervorgang ermittelt und gespeichert wird, daß das Lichtleiterkabel mindestens ein weiteres Lichtleiterbündel als Referenzlichtleiterbündel aufweist, daß die Position der Lichtwellenleiterenden des Referenzlichtleiterbündels am Empfänger wäh­ rend des Kalibriervorgangs ermittelt und gespeichert wird und daß während der Messung eine mögliche Positionsveränderung der Lichtwellenleiterenden des Referenzlichleiterbündels am Empfänger gemessen wird und aufgrund der Positionsveränderung der Lichtwellenleiterenden des Referenzlichtleiter­ bündels eine Positionsveränderung des Endes des Lichtleiterkabels am Emp­ fänger relativ zum Empfänger gemessen und korrigiert wird.

Bei dem eingangs beschriebenen optoelektronischen Meßgerät wird die zuvor aufgezeigte Aufgabe dadurch gelöst, daß die Zuordnung der Position der einzelnen Lichtwellenleiterenden am Empfängerkonverter zur Position der einzelnen Lichtwellenleiterenden am Empfänger mit Hilfe eines Kalibrier­ vorgangs ermittelbar ist und daß das Lichtleiterkabel ein weiteres Lichtleiter­ bündel als Referenzlichtleiterbündel mit vorzugsweise mehreren Lichtwellen­ leitern aufweist.

Zunächst sind die Herstellungskosten des erfindungsgemäßen optoelek­ tronischen Meßgeräts dadurch geringer, daß an Stelle teurer sortierter Lichtleiterkabel relativ günstige unsortierte Lichtleiterkabel verwendet wer­ den. Da für die Detektion der Position einer Objektkante oder einer Objekt­ kontur im Überwachungsbereich eine eindeutige Zuordnung der Position der Lichtwellenleiterenden innerhalb des Lichtleiterkabels an der Eintrittsfläche zur Position der Lichtwellenleiterenden an der Austrittsfläche notwendig ist, wird diese Zuordnung erfindungsgemäß mit Hilfe eines Kalibriervorgangs er­ mittelt und in der Auswerteeinheit gespeichert.

Es kann im allgemeinen nicht davon ausgegangen werden, daß die Position des Lichtleiterkabels am Empfänger relativ zum Empfänger vollkommen un­ verändert bleibt. Veränderungen können aufgrund von Temperaturdrifts oder aufgrund mechanischer Einflüsse, wie Vibrationen oder ungewollte Berüh­ rungen, zu einer geringfügigen Positionsveränderung des Endes des Lichtlei­ terkabels am Empfänger führen. Mit Hilfe des Referenzlichtleiterbündels kann nun während des Betriebes, d. h. während der Messung, eine derartige Positionsveränderung des Lichtleiterkabels relativ zum Empfänger gemessen und korrigiert werden, so daß die gespeicherte Zuordnung der Position der einzelnen Lichtwellenleiterenden am Empfängerkonverter zur Position der einzelnen Lichtwellenleiterenden am Empfänger durch eine Positionsverän­ derung nicht verfälscht wird.

Vorzugsweise weist das Lichtleiterkabel zwei weitere Lichtleiterbündel als Referenzlichtleiterbündel auf, wodurch eine Positionsveränderung des Endes des Lichtleiterkabels relativ zum Empfänger leichter bestimmt und korrigiert werden kann. Wie die beiden Referenzlichtleiterbündel, die zwar gemeinsam mit dem ersten Lichtleiterbündel - dem Empfangslichtleiterbündel - in dem Lichtleiterkabel angeordnet sind, von dem Empfangslichtleiterbündel jedoch optisch getrennt sind, angeordnet und ausgebildet sein können, wird nach­ folgend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen optoelektronischen Meßgerät beschrieben.

Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, den Kalibriervorgang durchzuführen. Gemäß einer bevorzugten und besonders einfachen Ausfüh­ rung wird während des Kalibriervorgangs ein Kalibriermittel durch den Über­ wachungsbereich bewegt. Dabei ist während der Kalibrierung die Position des Kalibriermittels bekannt, d. h. das Kalibriermittel wird mit einer bestimm­ ten Schrittweite und Geschwindigkeit durch den Überwachungsbereich be­ wegt. Dadurch ist bei jeder Position des Kalibriermittels in dem Überwa­ chungsbereich bekannt, welche Lichtwellenleiterenden am Empfängerkon­ verter durch das Kalibriermittel abgedeckt oder lichtführend sind. Bei jeder Position des Kalibriermittels in dem Überwachungsbereich wird von dem Empfänger das durch das Lichtleiterkabel geführte Licht gemessen und auf­ grund der Position der Abbildung der jeweiligen Lichtwellenleiter auf dem Empfänger die Position der einzelnen Lichtwellenleiterenden am Empfänger ermittelt. Die jeweilige Zuordnung der Position der einzelnen Lichtwellenlei­ terenden am Empfängerkonverter zur Position der einzelnen Lichtwellenlei­ terenden am Empfänger wird dabei in der Auswerteeinheit gespeichert.

Vorteilhafterweise weist das Kalibriermittel eine Schlitzblende auf, wobei die Breite der Schlitzblende in etwa dem Durchmesser eines Lichtwellenleiters entspricht. Dadurch ist die Zuordnung der Position des Kalibriermittels in dem Überwachungsbereich zur Position der einzelnen Lichtwellenleiterenden am Empfängerkonverter besonders einfach, da jeweils nur der Lichtwellenleiter lichtführend ist, der der Schlitzblende gegenüberliegend angeordnet ist. Somit wird der Reihe nach für jeden Lichtwellenleiter im Lichtleiterbündel die Position des Lichtwellenleiterendes am Empfänger ermittelt und gespeichert. Um eine große Genauigkeit bei der Ermittlung der Position der einzelnen Lichtwellenleiterenden am Empfänger zu ermitteln, wird die Schlitzblende mit einer Schrittweite kleiner als die Breite der Schlitzblende, vorzugsweise mit einer Schrittweite von etwa 1/10-tel bis 1/2 der Breite der Schlitzblende durch den Überwachungsbereich bewegt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird während des Kalibriervorgangs nicht nur die Position der einzelnen Lichtwellenleiterenden ermittelt, sondern zusätzlich ein Maß für die von je­ dem einzelnen Lichtwellenleiter auf den Empfänger geführte maximale Licht­ menge gespeichert. Unter maximaler Lichtmenge wird dabei die Lichtmenge verstanden, die in dem jeweiligen Lichtwellenleiter geführt wird, wenn dieser nicht durch das Kalibriermittel abgedeckt ist, der Überwachungsbereich somit bezogen auf den jeweiligen Lichtwellenleiter frei ist, so daß das von dem Sen­ der ausgestrahlte Licht ungehindert auf das entsprechende Lichtwellenleiter­ ende am Empfängerkonverter auftrifft. Dadurch kann die Übertragungseigen­ schaft eines jeden einzelnen Lichtwellenleiters während des Kalibriervor­ gangs ermittelt und gespeichert werden, so daß eine im Laufe der Zeit auftre­ tende Verschmutzung des einzelnen Lichtwellenleiters oder des Überwa­ chungsbereichs oder ein Lichtwellenleiterbruch festgestellt werden kann. Eine Verringerung der von dem jeweiligen Lichtwellenleiter übertragenen maximalen Lichtmenge in der Auswerteeinheit kann somit erkannt und bei der Messung der Position eines Objekts im Überwachungsbereich korrigiert werden.

Bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens ist ausgeführt worden, daß das Lichtleiterkabel, das die Detektions­ einheit mit der Auswerteeinheit verbindet, mindestens ein weiteres Lichtlei­ terbündel - vorzugsweise zwei weitere Lichtleiterbündel - als Referenzlicht­ leiterbündel aufweist. Die Referenzlichtleiterbündel sind dabei so angeordnet, daß die Lichtwellenleiter der Referenzlichtleiterbündel auch während der Messung jederzeit beleuchtet sind. Hierzu können die Referenzlichtleiter­ bündel direkt mit der Sendeeinheit verbunden sein. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des optoelektronischen Meßgeräts sind die Referenzlichtlei­ terbündel jedoch an dem Empfängerkonverter angeordnet. Dabei sind die Referenzlichtleiterbündel dann derart an dem Empfängerkonverter angeord­ net, daß das vom Sender ausgestrahlte Licht stets auf die Lichtwellenleiteren­ den der Referenzlichtleiterbündel auftrifft, d. h. daß die Referenzlichtleiter­ bündel zu keiner Zeit durch ein in dem Überwachungsbereich eingeführtes Objekt abgedeckt werden.

Bezüglich des erfindungsgemäßen optoelektronischen Meßgeräts ist ein­ gangs ausgeführt worden, daß das Meßgerät mindestens ein Lichtleiterkabel aufweist, daß die Detektionseinheit mit der Auswerteeinheit verbindet. Weist dieses Lichtleiterkabel darüber hinaus auch nur ein Lichtleiterbündel auf - das dann das Meßlichtleiterbündel darstellt -, so bedeutet dies, daß die Sen­ deeinheit direkt mit dem Senderkonverter in der Detektionseinheit verbunden ist. Bei einer derartigen Ausführung des optoelektronischen Meßgeräts kann somit lediglich die Empfangseinheit, nicht jedoch die Sendeeinheit, be­ abstandet von dem Meßbereich angeordnet werden.

Alternativ können jedoch auch bei einem optoelektronischen Meßgerät mit lediglich einem Lichtleiterkabel zwei Lichtleiterbündel - ein Empfangslicht­ leiterbündel und ein Sendelichtleiterbündel - in dem Lichtleiterkabel ange­ ordnet sein. Bei einem solchen optoelektronischen Meßgerät kann dann so­ wohl die Empfangseinheit als auch die Sendeeinheit beabstandet von dem Meßbereich angeordnet sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße opto­ elektronische Meßgerät ein zweites Lichtleiterkabel auf, das die Sendeeinheit mit der Detektionseinheit verbindet. Wird ein zweites Lichtleiterkabel ver­ wendet, so hat diese den Vorteil, daß die beiden Lichtleiterkabel entspre­ chend ihren jeweiligen Anforderungen optimal ausgewählt werden können. Beispielsweise ist es häufig wünschenswert, daß das Lichtleiterkabel, das mit der Auswerteeinheit verbunden ist, von dieser gelöst werden kann, um bei­ spielsweise eine defekte Auswerteeinheit austauschen zu können.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des optoelektronischen Meßgeräts sind der Senderkonverter und der Empfängerkonverter so ausge­ bildet, daß im Überwachungsbereich ein Lichtvorhang aufgespannt ist. Mit Hilfe eines solchen Lichtvorhanges, der beispielsweise einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen kann, kann ein Überwachungsbereich mit definierten Abmessungen mit Licht beleuchtet werden. Zur Erzielung ei­ nes solchen Lichtvorhanges weisen der Senderkonverter und der Empfänger­ konverter jeweils eine entsprechende Optik auf.

Die Optik des Senderkonverters besteht dabei vorzugsweise aus einer Zylin­ derlinse und einer plankonvexen Linse. Mit Hilfe der Zylinderlinse erfolgt ei­ ne Strahleinengung in einer Ebene. Mit Hilfe der plankonvexen Linse, die eine möglichst große Brennweite aufweist, erfolgt eine Parallelisierung der Lichtstrahlen, die aus dem Senderkonverter austreten, so daß der Lichtvor­ hang insgesamt eine hohe Parallelität aufweist. Durch die Parallelität der Lichtstrahlen des Lichtvorhangs wird verhindert, daß schräg verlaufende Lichtstrahlen auf Lichtwellenleiterenden des Meßlichtleiterbündels treffen, die eigentlich durch ein in den Überwachungsbereich eingeführtes Objekt abgedeckt sind. Somit wird ein "Hinterleuchten" des Objekts ausgeschlossen.

Die Optik des Empfängerkonverters weist vorzugsweise einen Querschnitts­ wandler und/oder ein Fremdlichtfilter auf. Mit Hilfe des Querschnittswandlers ist eine Anpassung des Lichtleiterbündels an die Abmessungen des Empfän­ gers möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optoelek­ tronischen Meßgeräts weist die Auswerteeinheit eine dem Empfänger vorge­ schaltete Optik und mindestens einen Speicher, einen Mikroprozessor und eine Schnittstelle zum Anschluß externer Geräte auf. Die Optik weist vor­ zugsweise eine Linse, insbesondere eine asphärische Linse, eine Blende und ein Filterelement auf. Mit Hilfe der Optik kann eine hohe Abbildungsqualität auf dem Empfänger erreicht werden.

Der Empfänger ist vorzugsweise als Bildsensor, insbesondere als CCD-Bild­ sensor oder als CMOS-Bildsensor ausgebildet.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, daß erfindungsge­ mäße Verfahren zur Messung der Position oder der Form eines Objekts bzw. einer Objektkontur in einem Überwachungsbereich bzw. das erfindungsge­ mäße optoelektronische Meßgerät auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 7 nachgeord­ neten Patentansprüche, andererseits auf die nachfolgende Beschreibung be­ vorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Meßgeräts,

Fig. 2 ein Prinzipbild eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Meß­ geräts,

Fig. 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen op­ toelektronischen Meßgeräts,

Fig. 4 den Senderkonverter des in Fig. 3 dargestellten optoelektronischen Meßgeräts zum einen im Schnitt, zum anderen in perspektivischer Darstellung,

Fig. 5 eine mögliche Anordnung des Empfangslichtleiterbündels und der Referenzlichtleiterbündel am lichvorhangseitigen Ende,

Fig. 6 verschiedene mögliche Anordnungen des Empfangslichtleiterbün­ dels und der Referenzlichtleiterbündel am empfängerseitigen Ende,

Fig. 7 eine Draufsicht auf den Empfängerkonverter und

Fig. 8 drei Prinzipbilder des optoelektronischen Meßgeräts gemäß Fig. 2 bei jeweils unterschiedlicher Position einer Papierkante im Überwa­ chungsbereich und ein jeweils dazugehöriges Bild des empfänger­ seitigen Endes des Lichtleiterkabels.

Das in einer konkreten Ausführungsform insgesamt nur in Fig. 3 dargestellte optoelektronische Meßgerät 1 besteht aus einer einen Sender 2 aufweisen­ den Sendeeinheit 3, einer Detektionseinheit 4, einem ersten Lichtleiterkabel 5 und einer einen Empfänger 6 aufweisenden Auswerteeinheit 7. Die Detekti­ onseinheit 4 weist einen Senderkonverter 8 und einen Empfängerkonverter 9 auf, wobei zwischen dem Senderkonverter 8 und dem Empfängerkonverter 9 ein Überwachungsbereich 10 ausgebildet ist, der von dem vom Sender 2 ab­ gestrahlten Licht durchlaufen wird. Das erste Lichtleiterkabel 5, das den Empfängerkonverter 9 der Detektionseinheit 4 mit der Auswerteeinheit 7 verbindet, weist ein erstes Lichtleiterbündel 11 als Empfangslichtleiterbündel mit einer Vielzahl einzelner Lichtwellenleiter 12 auf. Bei dem in Fig. 3 darge­ stellten Ausführungsbeispiel des optoelektronischen Meßgeräts 1 handelt es sich um eine sogenannte Gabellichtschranke, d. h. um eine Einweglicht­ schranke.

Da erfindungsgemäß die einzelnen Lichtwellenleiter 12 unsortiert in dem Empfangslichtleiterbündel 11 angeordnet sind, es somit keine vom Hersteller des Lichtleiterkabels 5 festgelegte Zuordnung der Position der Lichtwellen­ leiterenden an der Eintrittsfläche 13 zur Position der Lichtwellenleiterenden an der Austrittsfläche 14 gibt, wird diese Zuordnung erfindungsgemäß mit Hilfe eines Kalibriervorgangs ermittelt und in der Auswerteeinheit 7 gespei­ chert. Nur wenn die Zuordnung der Position der Lichtwellenleiterenden in­ nerhalb des Lichtleiterkabels 5 an der Eintrittsfläche 13 zur Position der Lichtwellenleiterenden an der Austrittsfläche 14 bekannt ist, läßt sich die Kante 15 einer Papierbahn 16 innerhalb des Überwachungsbereichs 10 zu­ verlässig feststellen, selbst wenn die Papierbahn 16 perforiert oder bedruckt ist.

Der Kalibriervorgang läßt sich besonders einfach mit Hilfe eines Kalibriermit­ tels 17 durchführen, daß senkrecht durch den Überwachungsbereich 10 be­ wegt wird und eine senkrecht zum Überwachungsbereich 10 und senkrecht zur Bewegungsrichtung 18 des Kalibriermittels 17 angeordnete Schlitzblende 19 aufweist. In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines rechteckigen Kali­ briermittels 17 gezeigt, das senkrecht durch den Überwachungsbereich 10 bewegt wird.

Das in den Fig. 1 und 2 schematisch und nur in Fig. 3 anhand eines konkre­ ten Ausführungsbeispiels dargestellte optoelektronische Meßgerät 1 weist ein zweites Lichtleiterkabel 20 auf, das die Sendeeinheit 3 mit dem Sender­ konverter 8 der Detektionseinheit 4 verbindet. Auch das zweite Lichtleiter­ kabel 20 weist vorzugsweise ein Lichtleiterbündel mit einer Vielzahl von Lichtwellenleitern auf, die unsortiert in dem Lichtleiterkabel 20 angeordnet sein können.

In den Fig. 1 und 2 ist angedeutet, daß der zwischen dem Senderkonverter 8 und dem Empfängerkonverter 9 angeordnete Überwachungsbereich 10 nicht lediglich von einem Lichtstrahl sondern von einem Lichtvorhang 21 durch­ leuchtet wird. Um einen Lichtvorhang 21 mit einer möglichst großen Paralle­ lität im Überwachungsbereich 10 aufzuspannen, weist der Senderkonverter 8 eine Zylinderlinse 22 und eine plankonvexe Linse 23 auf. Durch die Zy­ linderlinse 22, die so vor dem Ende des zweiten Lichtleiterkabels 20 ange­ ordnet ist, daß das Ende des zweiten Lichtleiterkabels 20 sich im Brennpunkt der Zylinderlinse 22 befindet, erfolgt eine Strahlaufweitung in einer Ebene. Aus Fig. 4a ist ersichtlich, daß die aus dem Lichtleiterkabel 20 austretenden Lichtstrahlen 24 über einen Umlenkspiegel 25 auf die plankonvexe Linse 23 geführt werden. Die plankonvexe Linse 23 sorgt dabei für die hohe Paralleli­ tät der Lichtstrahlen 24 im Überwachungsbereich 10. Mit Hilfe eines zwi­ schen der Zylinderlinse 22 und dem Umlenkspiegel 25 angeordneten Streu­ lichtfilters 26 wird eventuell vorhandenes Fremdlicht herausgefiltert.

Zur Anpassung des Querschnitts des Empfangslichtleiterbündels 11 an den rechteckigen Querschnitt des Lichtvorhangs 21 weist der Empfängerkonver­ ter 9 einen Querschnittswandler 27 auf. Die Eintrittsfläche 13 des Empfänger­ konverters 9 weist eine Schutzscheibe 28 auf, die außer als mechanischer Schutz für die Lichtwellenleiter 12 des Empfangslichtleiterbündels 11 auch als Fremdlichtfilter dienen kann.

In Fig. 1 ist angedeutet, daß das erste Lichtleiterkabel 5 außer einem Emp­ fangslichtleichterbündel 11 noch zwei Referenzlichtleiterbündel 29 aufweist. Auch die beiden Referenzlichtleiterbündel 29 weisen vorzugsweise eine Mehrzahl von Lichtwellenleitern auf, so daß die Referenzlichtleiterbündel 29 auch bei einem Bruch eines einzelnen Lichtwellenleiters weiterhin zur Aus­ wertung herangezogen werden können. Das Empfangslichtleiterbündel 11 und die beiden Referenzlichleiterbündel 29 sind zwar gemeinsam in dem er­ sten Lichtleiterkabel 5 geführt, sie sind jedoch optisch voneinander und vom Empfangslichtleiterbündel 11 getrennt, so daß Licht, das in den Lichtwellen­ leitern 12 des Empfangslichtleiterbündels 11 geführt wird nicht in die Licht­ wellenleiter der Referenzlichtleiterbündel 29 gelangen kann.

Die Fig. 5 und 7 zeigen zwei unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten der beiden Referenzlichtleiterbündel 29 am lichtvorhangseitigen Ende, d. h. an der Eintrittsfläche 13 des Empfängerkonverters 9. Wesentlich ist dabei, daß die Referenzlichtleiterbündel 29 so angeordnet sind, daß sie auch während der Messung jederzeit beleuchtet sind, d. h. daß die Referenzlichtleiterbündel 29 zu keiner Zeit durch ein in den Überwachungsbereich 10 eingeführtes Objekt abgedeckt werden. Dadurch, daß die Referenzlichtleiterbündel 29 ebenso wie das Empfangslichtleiterbündel 11 das von dem Sender 2 ausgestrahlte Licht nicht direkt, sondern über den Überwachungsbereich 10 empfangen, kann anhand der von dem Empfänger 6 gemessenen Lichtinten­ sität der Referenzlichtleiterbündel 29 eine Veränderung der optischen Eigen­ schaften des Überwachungsbereichs 10, beispielsweise eine Verschmutzung im Überwachungsbereich 10, festgestellt werden.

Am empfängerseitigen Ende des Lichtleiterkabels 5 sind die Referenzlichlei­ terbündel 29 derart zum Empfangslichtleiterbündel 11 angeordnet, daß die Referenzlichtleiterbündel 29 mit Hilfe des Empfängers 6 möglichst einfach von dem Empfangslichtleiterbündel 11 unterschieden werden können. Wie aus Fig. 6 ersichtlich, sind die Referenzlichtleiterbündel 29 stets am Randbe­ reich des Lichtleiterbündels 11 oder sogar geringfügig beabstandet vom Empfangslichtleiterbündel 11 angeordnet. Darüber hinaus sind die beiden Referenzlichtleiterbündel 29 am empfängerseitigen Ende so zueinander an­ geordnet, daß sie möglichst weit voneinander beabstandet sind. Sind die Re­ ferenzlichtleiterbündel 29 empfängerseitig möglichst weit voneinander beab­ standet, so läßt sich eine Positionsverschiebung des Lichtleiterkabels 5 am Empfänger 6 besonders deutlich erkennen und darüber hinaus auch mit einer möglichst großen Sicherheit korrigieren. Darüber hinaus sollen das Emp­ fangslichtleiterbündel 11 und die Referenzlichtleiterbündel 29 so in dem Lichtleiterkabel 5 angeordnet sein, daß eine möglichst gute Anpassung an die Abmessungen des Empfängers 6 vorliegt.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, weist die Auswerteeinheit 7 eine dem Empfänger 6 vorgeordnete Optik 30 auf. Die Optik 30 besteht dabei aus einer Linse 31, die die aus der Austrittsfläche 14 des Lichtleiterkabels 5 austretenden Licht­ strahlen auf den Empfänger 6 fokussiert, einer Blende 32 zur Erhöhung der Tiefenschärfe und einem Filterelement 33 als Fremdlichtfilter. Um eine beson­ ders gute Abbildungsqualität zu erreichen, ist die Linse 31 als asphärische Linse ausgebildet, und sind die Linse 31, die Blende 32 und das Filterelement 33 insgesamt so zueinander angeordnet, daß ein möglichst kleiner Gesamt­ strahlengang erreicht wird.

Aus Fig. 2 ist weiter ersichtlich, daß die Auswerteeinheit 7 außer dem Emp­ fänger 6 einen nichtflüchtigen Speicher 34, einen flüchtigen Speicher 35, eine geeignete Recheneinheit, beispielsweise einen Mikroprozessor 36, und eine Schnittstelle 37 aufweist. In dem nichtflüchtigen Speicher 34 werden die während der Kalibrierung gemessenen Daten gespeichert, während in dem flüchtigen Speicher 35 Meßwerte gespeichert werden können. Die Schnitt­ stelle 37 dient zum Anschluß externer Geräte, beispielsweise einer externen Anzeigeeinheit, eines PC's oder eines Druckers.

Als Empfänger 6 wird vorzugsweise ein CCD-Bildsensor oder ein CMOS- Bildsensor, insbesondere eine CCD-Matrix oder ein 2D-CMOS-Bildsensor verwendet. Der Bildsensor setzt die Helligkeitswerte des auf die einzelnen Pi­ xel des Bildsensors auftreffenden Lichtstrahlen in elektronische Signale um. Als Sender 2 wird insbesondere eine Infrarot LED verwendet, da ein CCD- Bildsensor bei Licht aus dem infraroten Bereich die größte Empfindlichkeit aufweist.

Als Lichtwellenleiter 12 werden Glasfaserlichtleiter mit einem Kerndurchmes­ ser von ca. 25 bis 80 µm verwendet, wobei in der Ebene senkrecht zur De­ tektionsrichtung 38 vorzugsweise 5 bis 15 Lichtwellenleiter 12 angeordnet sind. Bei einer gewünschten Auflösung des optoelektronischen Meßgeräts 1 von ca. 0,2 mm werden somit etwa 20 bis 60 Lichtwellenleiter 12 beim Über­ schreiten von 0,2 mm im Lichtvorhang 21 abgedeckt, wenn die Lichtwellen­ leiter 12 einen Kerndurchmesser von ca. 50 µm haben. Soll die Länge des Lichtvorhangs 21 in Detektionsrichtung 38 ca. 10 mm betragen, so ist ein Empfangslichtleiterbündel 11 mit ca. 1.000 bis 3.000 Lichtwellenleitern 12 er­ forderlich. Um eine ausreichend gute Auflösung auf dem Empfänger 6 und eine fehlersichere Auswertung in der Recheneinheit 36 zu ermöglichen, sollte mit Hilfe der Optik 30 jeder Lichtwellenleiter 12 auf ca. 20 bis 30 Pixel des CCD-Bildsensors abgebildet werden.

In Fig. 8 ist dargestellt, wie sich die Bewegung einer Papierbahn 16 in Detek­ tionsrichtung 38 in den Lichtvorhang 21 zwischen Senderkonverter 8 und Empfängerkonverter 9 an der Austrittsfläche 14 des Lichtleiterkabels 5 aus­ wirkt. Ist die Papierbahn 16 gemäß Fig. 8a noch nicht in den Lichtvorhang 21 eingeführt, so sind im wesentlichen alle Lichtwellenleiter 12 des Lichtleiterka­ bels 5 lichtführend, so daß die Austrittsfläche 14 fast vollständig erleuchtet ist. Die einzelnen schwarzen Punkte in der Darstellung der Fig. 8a sollen Lichtwellenleiter 12 darstellen, die stark verschmutzt oder gebrochen sind und daher kein Licht führen. Wird die Papierbahn 16 gemäß Fig. 8b in den Lichtvorhang 21 eingeführt, so werden durch die Paierbahn 16 ein Teil der Lichtwellenleiter 12 des Lichtleiterkabels 5 an der Eintrittsfläche 13 verdeckt, so daß diese Lichtwellenleiter 12 nicht lichtführend sind. Da erfindungsge­ mäß die einzelnen Lichtwellenleiter 12 unsortiert in dem Lichtleiterkabel 5 angeordnet sind, sind die an der Eintrittsfläche 13 durch die Papierbahn 16 abgedeckten Lichtwellenleiter 12 an der Austrittsfläche 14 beliebig verteilt angeordnet. Aus diesem Grund kann aus der Anordnung der nicht lichtfüh­ renden Lichtwellenleiter 12 an der Austrittsfläche 14 keine Aussage darüber gemacht werden, wie weit die Kante 15 der Papierbahn 16 in den Lichtvor­ hang 21 eingeführt worden ist. Wird die Papierbahn 16 entsprechend Fig. 8c weiter in den Lichtvorhang 21 eingeschoben, so erhöht sich dadurch die An­ zahl der nicht lichtführenden Lichtwellenleiter 12 an der Austrittsfläche 14 des Lichtleiterkabels 5.

Claims (19)

1. Verfahren zur Messung der Position oder der Form eines Objekts bzw. einer Objektkontur in einem Überwachungsbereich mit einem optoelektronischen Meßgerät, wobei das optoelektronische Meßgerät eine einen Sender aufweisende Sendeeinheit, eine Detektionseinheit mit einem Senderkonverter und einem Empfängerkonverter, mindestens ein Lichtleiterkabel mit mindestens einem Lichtleiterbündel mit mehreren unsortiert im Lichtleiterbündel angeordneten Lichtwellenleitern und eine Auswerteeinheit mit einem Empfänger aufweist, wobei das von dem Sender abgestrahlte Licht zwischen dem Senderkonverter und dem Empfängerkonverter einen Überwachungsbereich durchläuft, und wo­ bei das Lichtleiterkabel die Detektionseinheit mit der Auswerteeinheit verbindet, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zuordnung der Position der einzelnen Lichtwellenleiterenden am Emp­ fängerkonverter zur Position der einzelnen Lichtwellenleiterenden am Empfän­ ger in einem Kalibriervorgang ermittelt und gespeichert wird,
daß das Lichtleiterkabel mindestens ein weiteres Lichtleiterbündel als Referenz­ lichtleiterbündel aufweist,
daß die Position der Lichtwellenleiterenden des Referenzlichtleiterbündels am Empfänger während des Kalibriervorgangs ermittelt und gespeichert wird und
daß während der Messung eine mögliche Positionsveränderung der Lichtwellen­ leiterenden des Referenzlichleiterbündels am Empfänger gemessen wird und aufgrund der Positionsveränderung der Lichtwellenleiterenden des Referenz­ lichtleiterbündels eine Positionsveränderung des Endes des Lichtleiterkabels am Empfänger relativ zum Empfänger gemessen und korrigiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtleiterka­ bel zwei Referenzlichtleiterbündel aufweist, daß die Position der Lichtwellen­ leiterenden des Referenzlichtleiterbündels am Empfänger ermittelt und durch je einen Koordinatenpunkt charakterisiert wird und daß eine Positionsveränderung des Endes des Lichtleiterkabels am Empfänger relativ zum Empfänger durch eine Verschiebung und/oder Drehung und/oder Stauchung der Verbindungsachse der beiden Koordinatenpunkte gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während des Kalibriervorgangs ein Maß für die von jedem einzelnen Lichtwellenleiter auf den Empfänger geführte maximale Lichtmenge gespeichert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß während des Kalibriervorgangs ein Kalibriermittel durch den Überwachungs­ bereich bewegt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalibriermit­ tel eine Schlitzblende aufweist, wobei die Breite der Schlitzblende vorzugsweise in etwa dem Durchmesser eines Lichtwellenleiters entspricht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalibriermit­ tel mit einer Schrittweite von etwa 1/10-tel bis 1/2 der Breite der Schlitzblende durch den Überwachungsbereich bewegt wird.

7. Optoelektronisches Meßgerät, mit einer einen Sender (2) aufweisenden Sendeeinheit (3), mit einer Detektionseinheit (4), mit mindestens einem Licht­ leiterkabel (5) und mit einer einen Empfänger (6) aufweisenden Auswerteeinheit (7), wobei die Detektionseinheit (4) einen Senderkonverter (8) und einen Emp­ fängerkonverter (9) aufweist, das von dem Sender (2) abgestrahlte Licht zwi­ schen dem Senderkonverter (8) und dem Empfängerkonverter (9) einen Über­ wachungsbereich (10) durchläuft, das Lichtleiterkabel (5) mindestens ein Licht­ leiterbündel (11) mit mehreren unsortiert im Lichtleiterbündel (11) angeordneten Lichtwellenleitern (12) aufweist und das Lichtleiterkabel (S) die Detektionsein­ heit (4) mit der Auswerteeinheit (7) verbindet, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zuordnung der Position der einzelnen Lichtwellenleiterenden am Emp­ fängerkonverter (9) zur Position der einzelnen Lichtwellenleiterenden am Emp­ fänger (6) mit Hilfe eines Kalibriervorgangs ermittelbar ist und
daß das Lichtleiterkabel (S) ein weiteres Lichtleiterbündel als Referenzlicht­ leiterbündel (29) mit vorzugsweise mehreren Lichtwellenleitern aufweist.

8. Optoelektronisches Meßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtleiterkabel (5) zwei Referenzlichtleiterbündel (29) aufweist und die Referenzlichtleiterbündel (29) am Empfängerkonverter (9) so angeordnet sind, daß sie während der Messung jederzeit beleuchtet sind.

9. Optoelektronisches Meßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Referenzlichtleiterbündel (29) am Empfänger (6) möglichst weit beabstandet zueinander angeordnet sind.

10. Optoelektronisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Lichtleiterkabel (20) die Sendeeinheit (3) mit der Detektionseinheit (4) verbindet.

11. Optoelektronisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Senderkonverter (8) und der Empfängerkonverter (9) so ausgebildet sind, daß im Überwachungsbereich (10) ein Lichtvorhang (21) auf­ gespannt ist.

12. Optoelektronisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Senderkonverter (8) eine Optik, insbesondere eine Zylinderlinse (22) und/oder eine Linse (23) aufweist.

13. Optoelektronisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfängerkonverter (9) eine Optik, insbesondere einen Querschnittswandler (27) und/oder einen Fremdlichtfilter (28) aufweist.

14. Optoelektronisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (7) eine dem Empfänger (6) vorge­ schaltete Optik (30) aufweist.

15. Optoelektronisches Meßgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (30) eine Linse (31), insbesondere eine asphärische Linse, eine Blende (32) und ein Filterelement (33) aufweist.

16. Optoelektronisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 15 dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (7) mindestens einen Speicher (34, 35), einen Mikroprozessor (36) und eine Schnittstelle (37) zum Anschluß externer Geräte, beispielsweise einer Anzeigeeinheit, eines PC's oder eines Druckers, aufweist.

17. Optoelektronisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (6) als Bildsensor, insbesondere als CCD- Bildsensor oder als CMOS-Bildsensor ausgebildet ist.

18. Optoelektronisches Meßgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtwellenleiter (12) Glasfaserlichtleiter mit einem Kerndurchmesser von ca. 25-80 µm verwendet werden.

19. Optoelektronisches Meßgerät nach Anspruch 14 und 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Optik (30) derart zu dem Empfänger (6) angeordnet ist, daß jeder Lichtwellenleiter (12) auf ca. 20-80 Pixel abgebildet ist.