DE10222797A1

DE10222797A1 - Abstandsbestimmung

Info

Publication number: DE10222797A1
Application number: DE2002122797
Authority: DE
Inventors: Siegfried Ringwald; Kai Waslowski; Gerhard Merettig
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2002-05-23
Filing date: 2002-05-23
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2022-05-24
Also published as: DE10222797C5; DE10222797B4

Abstract

Vorrichtung zum Bestimmen des Objektabstands (D) zwischen einem nach dem Traingulationsprinzip arbeitenden optoelektronischen Sensor (11) und einem Tastobjekt (13), DOLLAR A - mit wenigstens einem Messkanal zwischen einer Sendeeinheit (S1) zum Aussenden elektromagnetischer Abtaststrahlen in den Messbereich und wenigstens einer Empfangseinheit (E) zum Nachweisen von aus dem Messbereich reflektierten und/oder remittierten Abtaststrahlen, DOLLAR A - mit zumindest einem Zusatzkanal, der zusätzlich zu der Sendeeinheit (S1) und der Empfangseinheit (E) des Messkanals eine weitere Sendeeinheit (S2) zum Aussenden eines Kompensationslichtstrahls (27) aufweist, DOLLAR A - mit einer der weiteren Sendeeinheit (S2) zugeordneten optischen Komponente (26, 28) zur Formung des Kompensationslichtstrahls (27) und DOLLAR A - mit einer Auswerteeinheit zur gemeinsamen Auswertung der Empfangssignale des Messkanals und des Zusatzkanals zur Bestimmung des Objektabstands (D).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen des Objektabstands zwischen einem nach dem Triangulationsprinzip arbeitenden optoelektronischen Sensor und einem Tastobjekt nach dem Hauptpatent DE 100 59 156.6. Der Inhalt des Hauptpatents DE 100 59 156.6 soll zusätzlich zu dem im nachfolgenden Beschriebenen durch Bezugnahme vollinhaltlich hiermit übernommen werden.

Bei bekannten Sensoren, die nach dem Triangulationsprinzip arbeiten, wird ein ausgesandter Lichtfleck auf dem Objekt, dessen Abstand bestimmt werden soll, abgebildet und vom Objekt auf einen ortsauflösenden Empfänger abgebildet. Die Position des reflektierten und/oder remittierten Lichtflecks auf dem Empfänger ist von dem auch als Tastweite bezeichneten Abstand zwischen dem Sensor und dem Objekt abhängig. Die Lage des Schwerpunkts des Lichtflecks auf dem Empfänger kann somit als ein Maß für den zu bestimmenden Abstand verwendet werden. Hierzu ist es bekannt, den lichtempfindlichen Bereich des Empfängers in zwei Unterbereiche zu unterteilen, nämlich einen Nahbereich und einen Fernbereich. Die Verteilung der Intensität des abgebildeten Lichtflecks zwischen dem Nahbereich und dem Fernbereich ist von dem Objektabstand abhängig, so dass die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der beiden Bereiche das Maß für den Objektabstand bildet.

Nachteilig an diesen Sensoren ist, dass Störsignale, die dem eigentlichen Empfangssignal, das von dem vom Objekt reflektierten und/oder remittierten Lichtfleck stammt, überlagert sind, nicht als solche erkannt werden können. Quellen derartiger Störsignale sind beispielsweise Fehler oder Verschmutzungen der Sensoroptik, spiegelnde, glänzende oder stark kontrastbehaftete Flächen entweder auf dem Objekt, dessen Abstand bestimmt werden soll, oder auf Störobjekten, die seitlich oder hinter dem zu ertastenden Objekt angeordnet sind und auch als Hintergrundobjekte bezeichnet werden, Dies können z. B. Fensterscheiben oder dergleichen sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu schaffen, mit einem nach dem Triangulationsprinzip arbeitenden optoelektronischen Sensor den Abstand zwischen dem Sensor und einem Objekt auf möglichst einfache und zuverlässige Weise unabhängig von eventuell vorhandenen, das eigentliche Empfangssignal verfälschenden Fehlerquellen zu bestimmen, wobei insbesondere die Energieaufnahme des Sensors durch eine weitere einen Kompensationslichtstrahl aussendende Sendeeinheit möglichst klein sein soll und gleichzeitig aber der Kompensationslichtstrahl seine Wirkung behalten soll.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Durch den Zusatzkanal stehen zusätzliche Informationen zur Verfügung, die durch die gemeinsame Auswertung mit den Informationen aus dem Messkanal herangezogen werden können, um Fehlerquellen als solche zu identifizieren und so den Einfluss der Fehlerquellen auf die Abstandsmessung zu reduzieren, wobei durch eine zusätzliche optische Komponente im Zusatzkanal der Kompensationsstrahl derart formbar ist, dass das Kompensationslicht nur in die relevante Richtung ausgesendt werden kann, nämlich die Richtung, die dem Sichtfeld der Empfangsoptik entspricht. Daraus ergibt sich der wesentliche Vorteil der Erfindung, dass die zusätzliche Sendeeinheit bei gleichbleibender Wirkung des Kompensationslichtes nur eine geringe Lichtleistung abgeben muss, so dass der Sensor durch den Zusatzkanal nur eine geringere zusätzliche Energieaufnahme hat und in Folge dessen sich im Betrieb weniger erhitzt.

Die gemeinsame Auswertung erfolgt in einer dem Sensor zugeordneten Auswerteeinheit, an welche die Empfangseinheit angeschlossen ist. In Abhängigkeit von der Ausgestaltung des Verfahrens zur Abstandsbestimmung bzw. von dem Aufbau und der Betriebsweise des Sensors können jeweils geeignete mathematische Auswerteverfahren, z. B. Kreuzkorrelationen zwischen einer abgespeicherten oder eingelernten Intensitätsverteilung der Empfangssignale und einer aktuellen Intensitätsverteilung, zum Einsatz kommen.

Als Empfangseinheit kann ein ortsauflösender Detektor von grundsätzlich beliebiger Art vorgesehen werden. Die Position eines vom Objekt reflektierten und/oder remittierten Lichtflecks und Informationen über die Umstände der Lichtfleckreflexion und/oder -remission können aus der oder den nachgewiesenen Intensitätsverteilungen abgelesen werden.

Für den Messkanal und den Zusatzkanal werden jeweils eine eigene Sendeeinheit und vorzugsweise eine gemeinsame Empfangseinheit verwendet.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die optische Komponente, die den Kompensationsstrahl mit formt als Lichtleiter ausgebildet, wobei der Lichtleiter bevorzugt Linsenwirkung aufweist, beispielsweise in dem die Lichteintritts- und/oder Lichtaustrittsfläche gekrümmt sind. Damit kann eine optimale Ausleuchtung insbesondere des Sichtfeldes der Empfangseinheit erreicht werden.

Vorteilhaft ist die optische Komponente dazu zwischen der weiteren Sendeeinheit und einer Sendeoptik, zumeist eine Linse, angeordnet.

Bevorzugt treten die Abtaststrahlen und der Kompensationsstrahl durch dieselbe Sendeoptik, denn insbesondere Störreflexe von der Sendeoptik, die beispielsweise durch Verschmutzung hervorgerufen sein können, bewirken eine Störung der Auswertung. So ist das Problem bekannt, dass die Störreflexe sich an Fensterscheiben spiegeln können und dadurch ein Fehlschalten des Sensors erfolgen kann. Derartiges Falschlicht kann aber mittels des Kompensationsstrahl erkannt werden, insbesondere wenn dieser dieselbe Sendeoptik durchtritt.

Da das Störlicht nur dann wesentlich stört, wenn es im Sichtfeld der Empfangsoptik liegt, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die optische Komponente den Kompensationsstrahl derart formt, dass der Kompensationsstrahl im Wesentlichen ein Sichtfeld der Empfangsoptik beleuchtet.

Vorzugsweise - sind alle Sende- und Empfangseinheiten in einer gemeinsamen Sensorebene angeordnet, die bevorzugt senkrecht zu der den kürzesten Abstand zwischen dem Sensor und dem Objekt entsprechenden Abstandsrichtung, die auch als Sende- und/oder Empfangsachse bezeichnet wird, verläuft.

Bevorzugt ist die oder jede Sendeeinheit in Form einer LED oder einer Lasereinrichtung, beispielsweise einer Laserdiode, vorgesehen. Des Weiteren ist vorzugsweise die oder jede Empfangseinheit in Form eines ortsauflösenden Detektors z. B. in Form eines ein- oder mehrreihigen Fotodioden-Arrays, einer CCD (Charge Coupled Device) oder einer PSD (Position Sensitive Device) vorgesehen.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind auch in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.

Alle in den Ansprüchen, der Beschreibungseinleitung und der nachfolgenden Figurenbeschreibung erwähnten Varianten der Erfindung können - sofern sie einander nicht widersprechen - auch miteinander kombiniert werden, wodurch eine besonders sichere und zuverlässige Bestimmung des Objektabstands möglich ist.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1a eine schematische Darstellung einer Ausführungsform nach dem Hauptpatent DE 100 59 156;
Fig. 1b eine der Anordnung nach Fig. 1a zugehörige empfangsseitige Intensitätsverteilung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 eine Darstellung einer zusätzlichen optischen Komponente des Zusatzkanals;
Fig. 4 eine typische Verteilung der Stärke der Lichtstrahlen im Empfängersichtbereich;
Fig. 1a und b zeigen eine Möglichkeit, einen Zusatzkanal zu nutzen, um den die Messung eines Objektabstands D verfälschenden Einfluss eines Störobjekts 15 unschädlich zu machen, nach dem Hauptpatent DE 100 59 156.
Ein Sensor 11 umfasst zwei Sendeeinheiten S1 und S2 sowie eine gemeinsame Empfangseinheit E. Es sind eine gemeinsame Sendeoptik FS für die beiden Sendeeinheiten S1, S2 in Form einer Linse sowie für die Empfangseinheit E eine Empfangsoptik FE vorgesehen, die ebenfalls als Linse ausgebildet ist. Bevorzugt sind alle Sende- und Empfangseinheiten in einem gemeinsamen Gehäuse 23 angeordnet.
Während im von der Sendeeinheit S1 und der Empfangseinheit E gebildeten Messkanal S1-E die ausgesandten Abtaststrahlen 25 fokussiert werden, um auf dem Tastobjekt 13 einen Tastfleck zu erzeugen, wird im Zusatzkanal S2-E dafür gesorgt, dass eine im Vergleich zu den Abtaststrahlen 25 des Messkanals S1-E räumlich wesentlich weiter ausgedehnte Abtastzone in den tastobjektseitigen Halbraum des Sensors 11 ausgesandt wird. Die Abtastzone kann durch gezielte Nicht- Fokussierung, Streuung, Aufweitung und/oder diffuse Aussendung der Abtaststrahlen der Sendeeinheit S2 erzeugt werden.
Mit der Abtastzone wird gezielt Störstrahlung nachgebildet, die beispielsweise durch Streuung in der Sendeeinheit S2, durch Reflexionen und/oder Remissionen an optischen Elementen wie z. B. Blenden oder Tuben sowie durch Defekte der Sendeoptik FS, z. B.. Kratzer, Staub oder Schlieren an einer Sendelinse, hervorgerufen und von einem Störobjekt 15, beispielsweise ein Fenster, auf die Empfangseinheit E reflektiert und/oder remittiert wird.
Fig. 1b zeigt die Intensitätsverteilungen der von den beiden Sendeeinheiten S1, S2 stammenden Empfangssignale. Es ist ein Fall dargestellt, bei dem aufgrund der vorstehend erwähnten Fehlerquellen auch im Messkanal S1-E ausgesandte Strahlung auf das Störobjekt 15 trifft und von diesem auf die Empfangseinheit E reflektiert und/oder remittiert wird, wodurch an der Position X2 ein Intensitätspeak erzeugt wird. Der entsprechende Intensitätspeak der Sendeeinheit S2 des Zusatzkanals ist aufgrund der gezielten Nachbildung der Störstrahlung höher als derjenige des Messkanals, in welchem mit fokussierten Abtaststrahlen 25 gearbeitet wird. An der Position X1 dagegen, die dem zu ermittelnden Objektabstand D entspricht, entsteht im Messkanal S1-E ein höheres Empfangssignal als im Zusatzkanal S2-E, da die Intensitätsdichte der Abtastzone am Tastobjekt 13 geringer ist als diejenige der Abtaststrahlen 25, mit denen auf dem Tastobjekt 13 ein Tasttleck erzeugt wird.
Die gemeinsame Auswertung der Empfangssignale der beiden Kanäle erfolgt dadurch, dass das Empfangssignal S2 des Zusatzkanals vom Empfangssignal S1 des Messkanals abgezogen wird und negative Differenzwerte gleich Null gesetzt werden. Übrig bleibt dann ein positives Differenzsignal an der dem Objektabstand D entsprechenden Position X1 auf der Empfangseinheit E. Dieses resultierende positive Differenzsignal wird dann für die Bestimmung des Objektabstands D verwendet.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Sendeeinheiten S1, S2 und die Empfangseinheit E in der gemeinsamen Sensorebene 21 angeordnet, wobei sich die Sendeeinheit S2 des Zusatzkanals, mittels welcher die räumlich ausgedehnte Abtastzone erzeugt wird, zwischen der Sendeeinheit S1 des Messkanals und der Empfangseinheit E befindet. Die Abbildung der von den beiden Sendeeinheiten S1, S2 ausgesandten Strahlen erfolgt durch die gemeinsame Sendeoptik FS. Die Intensitäten im Messkanal und im Zusatzkanal werden derart gewählt, dass an der dem Störobjekt 15 entsprechenden Position X2 auf der Empfangseinheit E der Zusatzkanal ein höheres Signal liefert als der Messkanal, wie es in Fig. 1b gezeigt ist, damit bei der Auswertung im Anschluss an die Bildung der Differenz zwischen den beiden Empfangssignalen lediglich an der dem Objektabstand D entsprechenden Position X1 ein positives Signal übrig bleibt.
Nach der Erfindung ist darüberhinaus vorgesehen, dass das Kompensationslicht des Zusatzkanals S2-E mit Hilfe einer optischen Komponente 26 zu einem Kompensationsstrahl 27 geformt wird, wie dies schematisch in Fig. 2 dargestellt ist.
Die optische Komponente 26 ist als Lichtleiter 28 ausgebildet, der unmittelbar an die Sendeeinheit S2 anschließend zwischen dieser und der Sendeoptik FS angeordnet ist. Der Lichtleiter 28 weist an seiner Lichteintrittsfläche 30 und/oder Lichtaustrittsfläche 32 Linsenwirkung auf, indem diese Flächen gekrümmt sind (Fig. 3). Alternativ könnte die optische Komponente auch nur als Linse ausgebildet sein.
Insgesamt wird damit der Kompensationsstrahl 27 derart geformt, dass er ein Sichtfeld 34 der Empfangseinheit E und Empfangsoptik EO im Wesentlichen ausgeleuchtet wird. In Fig. 2 ist dieser Zusammenhang schematisch dargestellt. Der Kompensationsstrahl 27 ist derart begrenzt, dass er das Sichtfeld 34 ausleuchtet. Der beleuchtete Bereich in der Objektebene ist mit der Bezugsziffer 36 versehen. Prinzipiell wäre es auch denkbar, dass der Kompensationsstrahl 27 nur einen Teil des Sichtfeldes 34 ausleuchtet. Das ist aber von den örtlichen Gegebenheiten abhängig. So kann es sein, dass ein Störreflex, beispielsweise von einem Fenster nur in einem bestimmten Bereich des Sichtfeldes 34 auftreten kann. Dann braucht der Kompensationsstrahl auch nur diesen Bereich ausleuchten. Gegebenenfalls kann dadurch weiter Energie gespart werden.
Die Ausleuchtung des Sichtfeldes 34 ist beispielhaft nochmal in dem Diagramm der Fig. 4 dargestellt. Es sind dort die relativen Strahlstärken von Abtaststrahl 25 und Kompensationsstrahl 27 gegenüber der Sichtfeldausdehnung aufgetragen. Der Abtaststrahl 25 ist örtlich relativ eng begrenzt. Die Winkelangabe in dem Diagramm sind auf den Abtaststrahl bezogen. Der Kompensationsstrahl 27 hingegen ersteckt sich über das gesamte Sichtfeld und hat sein Maximum außerhalb des Bereiches in dem der Abtaststrahl im wesentlichen liegt, um insbesondere Störlichteinflüsse zu erkennen.

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen des Objektabstands (D) zwischen einem nach dem Triangulationsprinzip arbeitenden optoelektronischen Sensor (11) und einem Tastobjekt (13),

- mit wenigstens einem Messkanal zwischen einer Sendeeinheit (S1) zum Aussenden elektromagnetischer Abtaststrahlen in den Messbereich und wenigstens einer Empfangseinheit (E) zum Nachweisen von aus dem Messbereich reflektierten und/oder remittierten Abtaststrahlen,

- mit zumindest einem Zusatzkanal, der zusätzlich zu der Sendeeinheit (S1) und der Empfangseinheit (E) des Messkanals eine weitere Sendeeinheit (S2) zum Aussenden eines Kompensationslichtstrahls (27) aufweist,

- mit einer der weiteren Sendeeinheit (S2) zugeordneten optischen Komponente (26, 28) zur Formung des Kompensationslichtstrahles (27), und

- mit einer Auswerteeinheit zur gemeinsamen Auswertung der Empfangssignale des Messkanals und des Zusatzkanals zur Bestimmung des Objektabstands (D).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente (26) als Lichtleiter (28) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente (28) Linsenwirkung aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente (28) zwischen der weiteren Sendeeinheit (S2) und einer Sendeoptik (FS) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtaststrahlen (25) und der Kompensationsstrahl (27) die Sendeoptik (FS) durchlaufen.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Sendeeinheit (S1, S2) in Form einer LED oder einer Lasereinrichtung vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Komponente (28) den Kompensationsstrahl (27) derart formt, dass der Kompensationsstrahl (27) im Wesentlichen ein Sichtfeld (34) der Empfangsoptik (EO) beleuchtet.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Sende- und Empfangseinheiten (S1, S2, E) in einer gemeinsamen Sensorebene (21) angeordnet sind, die bevorzugt senkrecht zu der dem kürzesten Abstand zwischen dem Sensor (11) und dem Tastobjekt (13) entsprechenden Abstandsrichtung verläuft.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (E) in Form eines ortsauflösenden Detektors, insbesondere eines ein- oder mehrreihigen Fotodioden-Arrays, einer CCD (Charge Coupled Device) oder einer PSD (Position Sensitive Device) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Sende- und Empfangseinheiten (S1, S2, E) in einem gemeinsamen Sensorgehäuse (23) angeordnet sind.