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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Objekten mittels
einer optoelektronischen Vorrichtung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen,
mittels dessen glänzende
Objekte sicher erfassbar sind.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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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, oder dass
die Empfangsoptik zwei räumlich
getrennte Elemente aufweist. Bei einer zwei räumlich getrennt angeordnete
Sender aufweisenden optoelektronischen Vorrichtung generieren die
Sendelichtstrahlbündel dieser
Sender jeweils einen Empfangslichtfleck auf dem Empfänger. 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.
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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.
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Somit
wird mit der erfindungsgemäßen optoelektronischen
Vorrichtung eine genaue und zuverlässige Detektion von glänzenden
Objekten möglich.
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Insbesondere
durch die Emission von stark divergenten Strahlbündeln von Sendelichtstrahlbündeln des
Senders oder der Sender 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.
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Um
die beiden Empfangslichtflecke auf dem Empfänger zu generieren, umfasst
die optoelektronische Vorrichtung gemäß einer ersten Variante der
Erfindung nur einen Sender. Die Empfangsoptik weist zwei getrennte
Bereiche oder Elemente auf, mittels derer bei der Detektion eines
glänzenden
Objekts die beiden Empfangslichtflecke auf dem Empfänger generiert
werden.
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Gemäß einer
zweiten Variante weist die optoelektronische Vorrichtung zwei räumlich getrennt angeordnete
Sender auf, wobei die Sendelichtstrahlbündel dieser Sender jeweils
einen Empfangslichtfleck auf dem Empfänger bei der Detektion eines glänzenden
Objekts generieren.
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Hier
können
vorteilhaft die beiden Sender alternierend aktiviert werden, um
so eine zeitlich getrennte Auswertung der Empfangssignale vornehmen
zu können.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass
mit der optoelektronischen Vorrichtung spezifische Objekteigenschaften
wie der Glanzgrad von Objektoberflächen erfasst werden können.
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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.
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Die
Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer optoelektronischen
Vorrichtung.
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2:
Skizze zur Beschreibung der Definition des Begriffes Glanz.
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3:
Optische Komponenten einer Variante der optoelektronischen Vorrichtung
gemäß 1.
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4a:
Diagramm der Empfangssignalverläufe
der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 3 bei einem
fernen Objekt.
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4b:
Diagramm der Empfangssignalverläufe
der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 3 bei einem
nahen Objekt.
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5a–c: Mögliche Anordnungen
des Senders für
die optoelektronische Vorrichtung gemäß 3.
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6:
Skizze zur Beschreibung des zulässigen
Objektneigungswinkels für
die optoelektronische Vorrichtung gemäß 1.
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7a:
Sendestrahlaufweitung mit Fokuspunkt im Nahbereich für eine optoelektronische
Vorrichtung gemäß 1.
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7b:
Strahlführung
des Sendelichtstrahlbündels
zur Detektion von kleinen Objekten für eine optoelektronische Vorrichtung
gemäß 1.
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8:
Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der optoelektronischen
Vorrichtung.
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9:
Beispiel eines Optikaufbaus für
die optoelektronische Vorrichtung gemäß 8.
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10:
Strahlverlauf der Empfangslichtstrahlen bei der optoelektronischen
Vorrichtung gemäß 8.
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11:
Diagramm der Empfangssignalverläufe
für die
Anordnung gemäß 10.
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12:
Anordnung eines glänzenden,
geneigten Objektes vor einer optoelektronischen Vorrichtung.
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13: Diagramm der Empfangssignalverläufe für die Anordnung
gemäß 12.
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14: Diagramm der Empfangssignalverläufe für die Anordnung
gemäß 12 zur
Bestimmung des Glanzgrades von Objekten.
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15:
Optoelektronische Vorrichtung zur Detektion einer transparenten
Schicht vor einem Objekt.
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16:
Diagramm der Empfangssignalverläufe
für die
Anordnung gemäß 15.
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17: Diagramm der Empfangssignalverläufe bei
der Detektion einer transparenten Schicht vor einer glänzenden
Referenzfläche
mittels einer optoelektronischen Vorrichtung.
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18:
Kombination eines Triangulationstasters mit der Vorrichtung nach 3.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Begriff „Glanz" wird im Folgenden
an Hand von 2 beschrieben werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die 7a, 7b zeigen
spezifische Strahlführungen
des Sendelichtstrahlbündels 3 für die optoelektronische
Vorrichtung 1 gemäß 1.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Emp fangslichtstrahlen 4a', 4b' Empfangslichtflecke auf dem Empfänger 5 generiert,
deren Abstand größer als
der Abstand n1 ist.
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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.
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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 (Umax)
bestimmt, um daraus dann die Halbwertbreiten d3, das heißt die Breiten
der Empfangslichtflecke bei 0,5 Umax 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.
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Bei
gegebenem Objektabstand kann auch, wie in 14b dargestellt,
die Überlappung
ausgedrückt
durch das Verhältnis
der Spannung am Überlap pungspunkt
U2 zur Maximalspannung Umax als Maß für den Glanzgrad,
z. B. für
seidenmatte Oberflächen,
verwendet werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- 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