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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung
der Lage von Objekten in einem Detektionsbereich mit einer am Rand des
Detektionsbereichs angeordneten und nach dem Triangulationsprinzip
arbeitenden optoelektronischen Lichttasteranordnung.
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Bei
den bekannten optoelektronischen Lichttastern, die nach einem Triangulationsprinzip
arbeiten, wird von einem im Lichttaster eingebauten Lichtsender
ein kollimierter Abtaststrahl in einen Detektionsbereich ausgesendet.
Wenn dieser Abtaststrahl im Detektionsbereich auf ein Objekt auftrifft,
wird der auftreffende Abtaststrahl von dem Objekt zumindest teilweise
reflektiert und/oder remittiert. Ein Teil des reflektierten und/oder
remittierten Lichts wird dabei wieder zum Lichttaster zurückgesandt.
Im Lichttaster ist, um einen Basisabstand versetzt neben dem Lichtsender,
eine Lichtempfangseinheit angeordnet. in der Lichtempfangseinheit
ist auf einer optischen Achse ein Empfangsobjektiv angeordnet, mit
dem ein definierter Sichtbereich auf einen ortsauflösenden Lichtempfänger abgebildet
wird. Der ortsauflösende
Lichtempfänger
besteht dabei beispielsweise aus mehreren lichtempfindlichen Elementen,
die sowohl zeilen- oder matrixförmig
angeordnet sein können.
Ebenfalls ist es bekannt, als ortsauflösenden Lichtempfänger ein
PSD Element, d. h. eine positionsempfindliche Diode zu verwenden.
Der Sichtbereich in der Lichtempfangseinheit ist so zur optischen
Achse des Abtaststrahls ausgerichtet, dass sich beide innerhalb
des Detektionsbereichs überschneiden.
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Wenn
sich ein Objekt in diesem Detektionsbereich befindet, entsteht zwischen
dem Abtaststrahl und einer optischen Achse der Lichtempfangseinheit ein
Winkel, der bei den Lichttastern, die nach dem Triangulationsprinzip
arbeiten, als ein Triangulationswinkel bezeichnet wird. Aufgrund
dieses Triangulationswinkels verändert
sich bei der Abbildung eines Objekts die Position des Abbilds auf
dem ortsauflösenden
Lichtempfänger
in Abhängigkeit
vom Abstand des Objekts zum Lichttaster. Mit dem bekanntem Basisabstand
vom Lichtsender zur Lichtempfangseinheit kann dann aus der Lage
des Abbildungsschwerpunkts vom Objekt auf dem ortsauflösenden Lichtempfänger eine
Aussage über
den Abstand des Objekts zum Lichttaster ermittelt werden.
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Soll
die Lage von Objekten in einem 2-dimensionalen Detektionsbereich
bestimmt werden, ist es bekannt, mehrere einzelne Triangulationslichttaster
in einer Reihe nebeneinander anzuordnen.
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Der
Begriff "Licht" ist dabei nicht
auf das sichtbare Licht beschränkt.
Unter "Licht" sind allgemein elektromagnetische
Strahlen, also UV-Licht, IR-Licht sowie sichtbares Licht zu verstehen,
welche üblicherweise
für den
Betrieb von optoelektronischen Systemen eingesetzt werden können.
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Nachteilig
an diesen Triangulationslichttastern ist die Tatsache, dass zwar
ein Triangulationstaster, der mit einem, im Verhältnis zum Detektionsbereich
großen
Basisabstand ausgestattet ist, eine hohe Auflösung in der Abstandsmessung
besitzt, jedoch aufgrund des großen Basisabstands nur einen eingeschränkten Detektionsbereich
aufweist. Zum anderen ist bei einem Triangulationstaster, der im Verhältnis zum
Detektionsbereich einen geringen Basisabstand hat, die Güte in der
Abstandsmessung verringert. Mit anderen Worten: Detektionsbereich und
Güte der
Abstandsmessung verlaufen konträr.
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Aus
der
DE 102 38 075
A1 ist ein optischer Sensor zur Erfassung von Objekten
in einem Überwachungsbereich
mit zwei in Abstand angeordneten, Sendelichtstrahlen emittierenden
Sendern und zwei Empfängerzeilen
bekannt. Jeweils eine Empfängerzeile
ist einem der Sender zur Durchführung
einer Distanzmessung zugeordnet.
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Aus
der
DE 41 37 068 A1 ist
ein Triangulationstaster bekannt mit mehreren Sende- und Empfangselementen,
denen jeweils eine gemeinsame Linse zugeordnet ist, wodurch die
Sende- bzw. Empfangslichtstrahlen fächerförmig verlaufen.
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Die
DE 20 2006 006 482
U1 zeigt ein Triangulationstaster mit einem Empfangselement
bestehend aus einem Nah- und einem Fernelement. in einer Ausführungsform
sind Sendeelemente und das Nah- und das Fernelement abwechselnd
angeordnet. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
weisen verschiedene in einer Reihe angeordnete Sender unterschiedliche
Basisabstände
zu einem Empfänger mit
einem Nah- und Fernelement auf, wodurch stark unterschiedliche Distanzbereiche
bei der Objektdetektion abgedeckt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, mit
einer nach dem Triangulationsprinzip arbeitenden, optoelektronischen Lichttasteranordnung
auf möglichst
einfache und zuverlässige
Weise die Lage eines Objekts in ei nem großen Detektionsbereich mit hoher
Auflösung über Abstandsmessung
bestimmen zu können.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt zum einen durch die Merkmale des Verfahrensanspruchs
1.
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Dadurch
stehen für
die Bestimmung der Objektlage im Detektionsbereich und insbesondere
für die
Abstandsbestimmung temporär
mehrere Triangulationslichttaster zur Verfügung, die unterschiedliche Basisabstände zwischen
Lichtsender und Lichtempfangseinheit aufweisen. Mit einer in der
Lichttastereinheit vorhandenen Auswerteeinheit ist es dann beispielsweise
möglich,
dass abhängig
vom Objektabstand der Messwert von dem Triangulationslichttaster
herangezogen wird, der aufgrund seines Basisabstands die optimale
Auflösung
in der Abstandsmessung zur Verfügung
stellt.
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Die
Ausführungsform
gemäß Anspruch
2 hat den Vorteil, dass ein Objekt zeitgleich von zwei oder mehreren
Triangulationslichttastern, die einen unterschiedlichen Basisabstand
aufweisen, erfasst wird, wodurch die Zeit zur Objekterfassung deutlich
reduziert wird. Dadurch ist es möglich,
dass auch Objekte, die sich innerhalb des Detektionsbereichs bewegen, eindeutig
ermittelt werden.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung wird zur Bestimmung der Objektlage nur dasjenige Messergebnis
herangezogen, das mit der Kombination aus dem Lichtsender und der
Lichtempfangseinheit erfasst wurde, die den maximalen Basisabstand
zwischen Lichtsender und Lichtempfangseinheit aufweist. Damit wird
sichergestellt, dass für
die Abstandsmessung von einem Objekt, das von mehreren Kombinationen
aus Lichtsender und Lichtempfangseinheit erkannt wird, nur der optimale Messwert
bestimmend ist. Dies bedeutet, dass der Messwert nur von der Kombination
aus Lichtsender und Lichtempfangseinheit dominant ist, die den größten Basisabstand
aufweist, weil diese die höchste Auflösung in
der Abstandsmessung liefert.
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In
einer Erfindungsvariante ist es vorgesehen, dass die einzelnen Lichtsender
bzw. die einzelnen Lichtempfangseinheiten in der Lichttasteranordnung
in einem Rastermaß voneinander
beabstandet angeordnet sind, das an die Größe des Detektionsbereichs und
an die geforderte Ortsauflösung
der Vorrichtung angepasst werden kann. Auf diese Weise kann eine,
an die Aufgabenstellung der Lichttasteranordnung angepasste Lösung, speziell
unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten optimal realisiert werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Wechsel zwischen den einzelnen
Kombinationen aus Lichtsender und Lichtempfangseinheit nach einem
kontinuierlich und systematisch ablaufenden Zeitplan stattfindet. Dadurch
kann zum Beispiel ein 2-dimensionaler Detektionsbereich mit einer
optimalen Kombination aus einem großen Detektionsbereich bei gleichzeitig
hoher Auflösung
in der Abstandsmessung flächendeckend überprüft werden.
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In
einer alternativen Variante der Erfindung ist es vorgesehen, dass
die zur Anwendung kommenden Kombinationen aus Lichtsender und Lichtempfangseinheiten
in Abhängigkeit
von den Einsatzbedingungen der Lichttasteranordnung vor der Inbetriebnahme
festgelegt werden können.
Mit dieser Eingrenzung auf gezielt ausgewählte Kombinationen aus Lichtsender
und Lichtempfangseinheiten kann die Anzahl der Einzelmessungen reduziert
werden, wodurch der gesamte Detektionsbereich schneller erfasst
werden kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird mit der Lichttasteranordnung der Abstand zu einer
den Detektionsbereich abschließenden Grenzfläche ermittelt.
Dies hat den Vorteil, dass aus diesem Abstand zur Grenzfläche, der
schon bei der Montage der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelt werden
kann, die entsprechenden Kombinationen aus Lichtsender und Lichtempfangseinheiten,
d. h. die Triangulationslichttaster mit einem bestimmten Basisabstand,
ermittelt werden können.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt zum anderen durch die Merkmale des Vorrichtungsanspruchs
7.
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Erfindungsgemäß werden
somit für
die Bestimmung der Objektlage im Detektionsbereich und insbesondere
für die
Abstandsbestimmung mehrerer Triangulationslichttaster mit unterschiedlichen
Basisabständen
zwischen dem Lichtsender und der Lichtempfangseinheit gebildet.
In einer vorhandenen Auswerteeinheit sind Mittel vorhanden, um die
einzelnen Messwerte, die mit den unterschiedlichen Triangulationslichttastern
aufgenommen wurden, so auszuwerten, dass auch bei unterschiedlichen
Objektabständen
eine optimale Auflösung
erreicht wird, indem die Ergebnisse der verschiedenen Triangulationslichttaster
ausgewertet werden.
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Weitere
Ausführungsformen
der Erfindung sind auch in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie
der Zeichnung angegeben.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die
Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt die einzige 1 in
einer schematischen Darstellung eine Lichttasteranordnung mit vier
Lichtsendern und vier Lichtempfangseinheiten.
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Eine
Lichttasteranordnung 1 ist neben einem Detektionsbereich 2 angeordnet.
In der Lichttasteranordnung 1 sind vier Lichtsender S1,
S2, S3 und S4 sowie vier Lichtempfangseinheiten E1, E2, E3 und E4
dargestellt. Die Lichtsender S1 bis S4 und die Lichtempfangseinheiten
E1 bis E4 sind jeweils um ein Rastermaß X versetzt in der Lichttasteranordnung 1 ausgerichtet.
Jeder der Lichtsender S1 bis S4 weist eine Lichtquelle 3 auf,
von der mit Hilfe einer Sendeoptik 4 ein kollimierter Abtaststrahl 5 in
den Detektionsbereich 2 ausgesendet wird. In den Lichtempfangseinheiten
E1 bis E4 sind, ausgerichtet auf jeweils einer optischen Achse 6,
ein Empfangsobjektiv 7 und ein ortsauflösender Lichtempfänger 8 angeordnet.
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Durch
das Empfangsobjektiv 7 wird ein definierter Sichtbereich
auf den ortsauflösenden
Lichtempfänger 8 abgebildet.
Der Sichtbereich jeder Lichtempfangseinheit wird in der Darstellung
von 1 symbolisch durch die beiden Randstrahlen 9 und 10 begrenzt.
Zwischen den beiden, den Sichtbereich einschließenden Randstrahlen 9 und 10,
liegt der jeweilige Sichtwinkel α.
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In
der Lichttasteranordnung 1 ist weiterhin schematisch eine
Steuereinheit 11 dargestellt, mit der nach einem Zeitplan
gezielt einzelne Lichtsender und Lichtempfangseinheiten aktiviert
werden. Erfindungsgemäß können somit
temporär
unterschiedliche Kombinationen aus einzelnen Lichtsendern und Lichtempfangseinheiten,
d. h. einzelne temporäre Triangulationslichttaster
gebildet werden. Wenn beispielsweise zu einem bestimmten Zeitpunkt
von der Steuereinheit 11 der Lichtsender S2 und die Lichtempfangseinheit
E2 aktiviert werden, entsteht ein Triangulationslichttaster, der
einen Basisabstand a zwischen dem Abtaststrahl 5 und der
optischen Achse 6 aufweist. Befindet sich ein Objekt in
einer Position P1 im Detektionsbereich 2, so wird dieses
Objekt mit Licht vom Abtaststrahl 5 beaufschlagt. Ein Teil
dieses Lichts wird beim Auftreffen auf das Objekt reflektiert und/oder
remittiert und gelangt somit zur Lichtempfangseinheit E2. Da das
Objekt innerhalb des Sichtwin kels α von der Lichtempfangseinheit
E2 liegt, wird das Objekt auf dem ortsauflösenden Lichtempfänger 8 der
Lichtempfangseinheit E2 abgebildet.
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Befindet
sich das Objekt, wie in 1 ebenfalls dargestellt, nicht
in der Position P1 sondern in einer Position P2, beziehungsweise
in einer Position P3, so verschiebt sich der Abbildungsschwerpunkt auf
dem ortsauflösenden
Lichtempfänger 8.
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Aus
dem in 1 dargestellten geometrischen Zusammenhang ist
somit erkennbar, dass die Lage des Abbildungsschwerpunkts auf dem
ortsauflösenden
Lichtempfänger 8 eines
Triangulationslichttasters abhängig
ist von einem Triangulationswinkel β. Dieser Triangulationswinkel β wird bestimmt
durch den Abstand, den das Objekt zum Triangulationslichttaster
einnimmt sowie durch den jeweiligen Basisabstand zwischen dem Abtaststrahl 5 des
Lichtsenders und der optischen Achse 6 der Lichtempfangseinheit.
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Wenn
bekannt ist, welcher Lichtsender und welche Lichtempfangseinheit
aktiviert ist, ist auch der Basisabstand des jeweiligen Triangulationslichttasters
bekannt. Damit ist es möglich,
aus der Lage des Abbildungsschwerpunkts auf dem ortsauflösenden Lichtempfänger 8 den
Abstand eines Objekts zum Triangulationslichttaster zu ermitteln.
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Der
Triangulationswinkel β und
damit auch das Maß für die Veränderung
der Lage des Abbildungsschwerpunkts auf dem ortsauflösenden Lichtempfänger nimmt
jedoch bei feststehendem Basisabstand mit zunehmendem Abstand zum
Triangulationtaster sehr stark ab, so dass sich die Abstandsauflösung, d.
h. die Genauigkeit in der Abstandsbestimmung verringert. Um diesem
Einfluss entgegen zu wirken, ist es, wie bereits erwähnt, nach
der Erfindung vorgesehen, gesteuert von der Steuereinheit 11 unterschiedliche
Kombinationen aus einzelnen Lichtsendern und Lichtempfangseinheiten
zu bilden. Wenn beispielsweise mit dem Lichtsender S2 und der Lichtempfangseinheit
E3 ein Triangulationslichttaster gebildet wird, so hat dieser Triangulationslichttaster
einen Basisabstand b. Analog dazu hat eine Kombination aus dem Lichtsender
S2 und der Lichtempfangseinheit E4 einen Basisabstand c. Abhängig von
dem Rastermaß x
zwischen den Lichtsendern S1, S2, S3 und S4 und den Lichtempfangseinheiten E1,
E2, E3 und E4 bilden sich unterschiedliche Überschneidungszonen zwischen
einem Abtaststrahl und dem Sichtbereich einer Lichtempfangseinheit.
So ist bei dem in 1 gezeigten Beispiel zwischen
dem Abtaststrahl 5 vom Lichtsender S2 und dem Sichtbereich
der Lichtempfangseinheit E2 eine Überschneidungszone Ü1 vorhanden,
die von einem minimalen Tastabstand 20 bis zu einem Rand
des Detektionsbereichs 2 reicht, der bei der in 1 dargestellten
Anordnung von einer Grenzfläche 30 gebildet
wird.
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Analog
dazu entsteht bei der Kombination von dem Lichtsender S2 und dem
Sichtbereich der Lichtempfangseinheit E3 eine Überschneidungszone Ü2, die von
einem Tastabstand 21 bis zum Ende des Detektionsbereichs 2 reicht
und bei der Kombination von dem Lichtsender S2 und dem Sichtbereich
der Lichtempfangseinheit E4 eine Überschneidungszone Ü3, die zwischen
dem Abstand 22 und dem Ende des Detektionsbereichs 2 liegt.
Befindet sich ein Objekt in der Position P1, wird dies nur von der
Kombination aus Lichtsender S2 und der Lichtempfangseinheit E2 erfasst.
Ein Objekt, das sich jedoch in der Position P3 befindet, wird von
den Kombinationen des Lichtsenders S2 und der Lichtempfangseinheit
E2, des Lichtsenders S2 und der Lichtempfangseinheit E3 und der Kombination
aus dem Lichtsender S2 und der Lichtempfangseinheit E4 erfasst.
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Die
Messergebnisse, die mit den einzelnen Kombinationen von Lichtsender
und Lichtempfangseinheit, d. h. den Triangulationslichttastern mit
unterschiedlichen Basisabständen
aufgenommen wurden, werden einer Auswerteeinheit 12 zugeführt und
sodann nach zuvor festgelegten Regeln ausgewertet. Auf diesem Wege
ist es zum Beispiel möglich,
dass bei Anwesenheit eines Objekts in Position P3 nur das Ergebnis
von der Kombination aus dem Lichtsender S2 und der Lichtempfangseinheit
E4 herangezogen wird, während
die mit größerer Unschärfe versehenen
Messwerte von den Kombinationen des Lichtsenders S2 und der Lichtempfangseinheit
E2 bzw. des Lichtsenders S2 und der Lichtempfangseinheit E3 unterdrückt werden.
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Dies
führt im
Ergebnis dann dazu, dass mit der Lichttasteranordnung 1 Objekte
in einem großen Abstand
zur Lichttasteranordnung 1 mit gleicher Tiefenauflösung erfasst
werden können,
wie Objekte, die sich in einem kurzen Abstand vor der Licht tasteranordnung 1 befinden.
Das Problem der Triangulationslichttaster, bedingt durch die konträr verlaufenden Kenngrößen von
Detektionsbereich und Güte
der Abstandsmessung, ist somit beseitigt.
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- 1
- Lichttasteranordnung
- 2
- Detektionsbereich
- 3
- Lichtquelle
- 4
- Sendeoptik
- 5
- Abtaststrahl
- 6
- optische
Achse
- 7
- Empfangsobjektiv
- 8
- ortsauflösender Lichtempfänger
- 9,
10
- Randstrahlen
- 11
- Steuereinheit
- 12
- Auswerteeinheit
- 20,
21, 22
- Abstand
- 30
- Grenzfläche
- a,
b, c
- Basisabstand
- E1,
E2, E3, E4
- Lichtempfangseinheiten
- P1,
P2, P3
- Objektposition
- S1,
S2, S3, S4
- Lichtsender
- X
- Rastermaß
- α
- Sichtwinkel
- β
- Triangulationswinkel