DE10318764A1

DE10318764A1 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Objekterfassung

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Publication number: DE10318764A1
Application number: DE10318764A
Authority: DE
Inventors: Stefan Reich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2003-11-20

Abstract

Verfahren und optoelektronische Vorrichtung zur Erfassung eines Objektes in einem Messraum, mit einem Lichtempfänger und mehreren Lichtsendern. Die Lichtsender werden zeitversetzt mit einer Puls-Sequenz angesteuert. Das empfangene Signal ist vom Messobjekt beeinflusst und kann einen treppenförmigen Signalverlauf haben mit einem von der Objektposition abhängigen zeitlichen Maximum. Der zeitliche Verlauf wird ausgewertet. Die Auswertung kann eine integrierende Vorrichtung oder Tiefpassvorrichtung beinhalten, welche eine kontinuierliche Interpolation zwischen aufeinander folgenden Empfangssignal-Abschnitten bewirkt. Eine Vorrichtung zur vorgebbaren oder verstellbaren zeitlichen Korrelation zwischen der Auswerteschaltung und der Sendesequenz kann den Zeitpunkt des Maximums auswerten oder eine gewichtete Differenz zwischen einem Nahbereich und einem Fernbereich erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine entsprechende optoelektronische Vorrichtung.
Eine solches Verfahren ist aus DE 40 04 530 bekannt, wobei zwei Lichtsender periodisch wechselweise angesteuert werden. Durch eine zur Lichtsender-Ansteuerung phasenbezogene Auswertung werden von jedem der Sender die durch ein Objekt reflektierten und in einem Lichtsender empfangenen Intensitäten, getrennt gemessen. Das Licht beider Sender wird optisch zu einer gepaarten Strahlkeule gebündelt, deren Paarhälften in gegeneinander versetzten Winkeln in den Abtastraum gerichtet sind. Die Empfänger-Keule überschneidet diese Sendepaar-Keule im Messraum. Indem die Differenz der gemessenen Intensitäten gebildet wird, kann nach dem Triangulierungs-Prinzip eine abstandsselektive Messung erreicht werden. Nachteilig ist, dass sich der Bereich messbarer Distanzen oder einstellbarer Tastweiten nur in einem geringen Ausmaß elektronisch beeinflussen lässt. Um eine Verstellung in einem weiteren Bereich zu ermöglichen, muss die Position von Lichtsender oder Lichtempfänger mechanisch verstellt werden.
DE 40 40 225 beschreibt einen Reflexionslichttaster mit mindestens zwei lichtempfindlichen Elementen, deren Ausgangssignale einen Differenzverstärker beaufschlagen und demnach ebenfalls eine abstandsselektive Messung bewirken. Zusätzlich enthält der Lichtsender mindestens zwei benachbarte Lichtquellen, deren Sendestärke über eine gemeinsame Steuerspannung stufenlos in gegenläufiger Weise verstellt werden kann. Hierdurch kann je nach Steuerspannung der Schwerpunkt des erzeugten Gesamt-Lichtbündels verschoben werden und damit die gewünschte Tastweite auf verschiedene Distanzbereiche eingestellt werden. Ein Nachteil ist, dass sowohl Sender als auch Empfänger mehrfach vorhanden sein müssen. Außerdem kann bei einer gegebenen Anzahl an Lichtquellen auch kein größerer Abstandsbereich erzielt werden als bei dem erstgenannten Verfahren.
DE 198 08 215 A1 beschreibt eine Vorrichtung der genannten Art, bei dem ein Sendeelement zwei Sender aufweist, die zeitversetzt im Pulsbetrieb betrieben werden. Die Empfangssignale beider Empfangselemente werden in Abhängigkeit des jeweils aktivierten Senders selektiv erfasst. Zur Elemination von Störeinflüssen werden die Summen oder Differenzen verschiedener Empfangssignale in einer Auswerteeinheit mit vorgegebenen Sollwerten verglichen. Ein Nachteil ist, dass auch hier sowohl Sender als auch Empfänger doppelt vorhanden sein müssen. Außerdem ist eine Verstellung der Tastweite über einen größeren Bereich nicht möglich.
DE 199 07 547 beschreibt eine optoelektronische Vorrichtung, deren Lichtempfänger in ein Nah- und ein Fernelement aufgeteilt ist, wobei der Lichtempfänger mehrere Segmente aufweist und eine vorgebbare Anzahl dieser Segmente zum Nah-Element und die übrigen Segmente zum Fern-Element verknüpft werden. Auch auf diese Weise wird eine Verstellung der Tastweite erreicht, indem man die Vorgabe/Auswahl der verknüpften Segmente entsprechend einstellt. Ein Nachteil hierbei ist, dass die Vielzahl an Segmenten sowie die erforderliche Umschaltvorrichtung und ggf. getrennte Verstärker einen hohen Aufwand bedeuten. Ferner ist durch die Umschaltung nur eine diskrete und keine kontinuierliche Verstellung gegeben.
DE (PS) 35 14 982 beschreibt eine Vorrichtung der genannten Art, bei der das empfangene Signal mit einer Phasendifferenzschaltung ausgewertet wird, wodurch die durch den verschieden langen Lichtweg erzeugten Laufzeiten erkannt werden. Die Lichtquelle weist hier eine Vielzahl von Lichtgebern auf, deren Lichtstrahlen in verschiedene Richtungen ausgesendet werden und die einen sektorförmigen Erfassungsbereich aufspannen und sequenziell angesteuert werden. Hierdurch wird lediglich größerer Erfassungswinkel erreicht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass erstens eine hohe Genauigkeit und örtliche Auflösung erreicht wird und zweitens ein großer Messbereich bzw. eine weite Verstellbarkeit der Tastweite erreicht wird. Dies beinhaltet sowohl die Messung von Objekt-Abständen, als auch allgemein die Ortung von Objekten, als auch die Möglichkeit, in Abhängigkeit vom Vorhandensein eines Objektes innerhalb eines einstellbaren Objektabstandes ein binäres Schaltsignal zu erzeugen (Tastweite und Hintergrund-Ausblendung).
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruch 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Sender können der Reihe nach zeitlich hintereinander angesteuert bzw. eingeschaltet werden. Vorzugsweise kann dies in Pulsen geschehen, die gemäß einer Taktfrequenz aufeinander folgen. Die sequenzielle Ansteuerung der Sender bewirkt eine scheinbare Wanderung der Lichtquelle oder des Strahlwinkels, wie bei einem Lauflicht oder Leuchtfeuer. Zwischen aufeinander folgenden Pulsen muss keine Pause auftreten. Die Reihenfolge der auf verschiedene Tastweiten ausgerichteten Senderstrahlbündel kann von nahe zu fern oder umgekehrt erfolgen. Die beschriebene Folge wird, in regelmäßigen oder auch unregelmäßigen Zeitabständen fortlaufend wiederholt, wobei Pulsfolgen mit Pausen abwechseln können.
Die vom Messobjekt beeinflusste (reflektierte, remittierte, gebrochene oder abgeschattete) Lichtstrahlung gelangt in einen Lichtempfänger. Die Objekterfassung kann z. B. eine Ortung oder eine Größenvermessung des Messobjektes sein oder das Erkennen seiner Anwesenheit in einem definierten Überwachungsbereich.
In einer bevorzugten Anordnung sind die Sende- und Empfangs-Lichtstrahlen gekreuzt, wodurch eine Triangulierung erreicht wird. Jedes einzelne Sender-Strahlenbündel überschneidet aufgrund seiner anderen Ausrichtung das Empfangsstrahlenbündel in einem anderen Abstand zur Vorrichtung. Hiermit wird ein optischer Distandssensor oder ein Lichttaster mit Hintergrund - Ausblendung ermöglicht, wobei die Tastweite genau definiert ist.
Mit nur einem Empfänger kann das von jedem Sender abgegebene, vom Objekt reflektierte Licht in einer zeitlichen Abfolge erfasst werden. Man erhält als Empfangssignal einen treppenförmigen Spannungsverlauf. Je nach Objekt-Position wird die Signalhöhe an einer bestimmten Treppenstufe ein Maximum aufweisen, demjenigen Sender-Strahl entsprechend, der sich in Objektnähe am meisten mit dem Empfänger-Strahlbündel überlappt. Im Allgemeinen wird auch eine benachbarte Treppenstufe eine wesentliche Signalhöhe aufweisen. Deren Betrag kann im Verhältnis zur ersteren Signalhöhe als ein feiner abgestuftes Maß für die Objekt- Position ausgewertet werden. Insgesamt soll mit einer Signal-Auswertung aus dem komplexen Empfangssignal ein von der Position des Objektes möglichst linear abhängiges Mess-Signal erzeugt werden. Hierzu kann das Empfangssignal digitalisiert und per Mikrocontroller in seinem zeitlichen Verlauf ausgewertet werden.
Eine vorteilhaftere Auswertung ist durch die Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 gegeben. Hierbei wird das Eingangssignal zunächst einer zeitlichen Integration, Mittelung oder Tiefpasfilterung unterzogen. Ein geeigneter Tiefpass bewirkt eine Integration oder Mittelung der höheren Frequenzanteile über eine gewisse lntegrationszeit, so dass die Abstufungen des Treppensignals verwischt oder gerundet werden. Dadurch wird eine kontinuierliche Interpolation zwischen aufeinander folgenden Signal-Abschnitten erreicht. Die Treppen können außerdem durch eine Tiefpass-Wirkung der Empfängerschaltung oder auch der Sender-Ansteuerung schon verwischt sein. Die Filterung kann also wahlweise in einer eigenen Tiefpass-Schaltung erfolgen oder durch die im Empfänger und dessen Verstärker natürlicherweise auftretende Bandbreiten-Begrenzung.
Eine geeigneter Tiefpass ist mit seiner Filtercharakteristik und Grenzfrequenz so bemessen, dass der Zeitraum, den ihre Sprungantwort zum Überstreichen des wesentlichen Anteils der Sprunghöhe benötigt (Einpendeln bzw. Einschwingzeit), in etwa gerade dem Zeitraster zwischen zwei aufeinander folgenden Sende-Pulsen entspricht. Auf diese Weise kann das ursprüngliche Signals soweit geglättet werden, dass ein eindeutiges Maximum verbleibt, gleichzeitig von der Treppen-Abstufung, deren Spektralanteil der Taktfrequenz und ihrer Oberwellen entspricht, nur ein unerheblicher Anteil verbleibt. Gemäß dem Sampling-Theorem kann ein Tiefpass, dessen Grenzfrequenz unter der Taktfrequenz, jedoch über deren Hälfte liegt, die enthaltene Information ungemindert übertragen.
Um das Mess-Signal zu erzeugen, wird nach Anspruch 8 und 9 aus dem tiefpassgefilterten Signal mithilfe eines Schaltgliedes ein Schaltsignal erzeugt. Der Zeitpunkt, in dem das Schaltsignal auftritt, hängt vom zeitlichen Verlauf des Empfangssignales ab. Dieser Zeitpunkt ist wegen der im Tiefpass erzielten Glättung ein analoges Maß für die Objekt-Position, wobei sich automatisch eine Interpolierung ergibt, d. h. das beschriebene Intensitätsverhältnis benachbarter Treppenhöhen als Fein-Abstufung mit berücksichtigt ist.
Vorzugsweise signalisiert das Schaltsignal das zeitliche Auftreten des Empfangs-Maimums. Hierzu kann nach Anspruch 11 das Empfangssignal einer zeitlichen Differenzierung oder Hochpassfunktion unterzogen werden und dann einen Nulldurchgangs-Schalter als Schaltglied beaufschlagen. Das Maximum wird hierbei als Nullstelle der Ableitung ermittelt.
Alternativ kann nach Anspruch 10 das Maximum ermittelet werden, indem mit einer Schwellenschaltung das Überschreiten einer Schwelle und das Unterschreiten derselben Schwelle registriert wird.
Es kann auch der Zeitpunkt der steilsten Flanke ausgewertet werden. Dies ist z. B. für die Positionserkennung von Kanten sinnvoll.
In allen o. g. Fällen wird der Zeitpunkt des Schaltsignals in Bezug zur Sende-Sequenz ausgewertet. Je nach Anwendung kann daraus ein stetiges Mess-Signal oder ein binäres Ja/Nein-Signal abgeleitet werden, welches z. B. ein Objekt in einem definierten und wählbaren Ortsbereich meldet.
Eine Alternative der zeitlichen Mittelung besteht gemäß Anspruch darin, eine Integration während eines Zeitfensters anzuwenden. Sinnvollerweise ist das Zeitfenster verstellbar, wobei Dauer oder zeitliche Position (Phasenlage) in Bezug zur Sendepuls-Folge variiert wird. Vorzugsweise werden zwei zeitlich aneinandergrenzende Zeitfenster verwendet, eines davon mit positiver und eines mit negativer Wichtung auf die Integrierung. Die Zeitverstellung kann entweder als Parameter festgelegt werden, z. B. bei einem Einlernvorgang. Der Integrationswert hängt dann vom zeitlichen Verlauf des Messsignals ab und kann z. B. eine Schwellenschaltung ansteuern. Alternativ kann die Zeitverstellung fortlaufend variiert werden. Durch eine oszillierend wiederholte Verstellung kann eine Faltungsfunktion des Empfangssignals mit dem variierenden Fenster abgefragt werden, wodurch eine quantitative Messwert-Ausgabe, z. B. für den Objektabstand möglich ist. Alternativ kann die Zeitverstellung auch durch einen Regelkreis fortwährend gesteuert werden, wobei das jeweils resultierende Integral als Regelwert benutzt und auf einen Sollwert, z. B. Null, geregelt wird. Der Stellwert (die eingestellte Zeit) kann als Messwert ausgegeben werden. Ferner kann die Regelung während eines Lernvorgang ist (Teach-in) aktiviert sein und während des Betriebes das beim Teach-In eingestellte Zeitfenster beibehalten.
Bei der beschriebenen Auswertung hängt das Ergebnis der Zeitmessung nur von den Quotienten der in verschiedenen Abschnitten auftretenden Signalstärken zueinander ab. Die Zeitmessung wird demnach nicht durch die Gesamt-Intensität des reflektierten Lichtes beeinflusst, und ist daher vorteilhafterweise unabhängig von der Helligkeit der Objektfarbe.
Um die Energieaufnahme zu verringern, können die dem Nahbereich zugeordneten LEDs mit geringerer Intensität betrieben werden. Hierbei wird der im Nahbereich stärkeren optischen Kopplung Rechnung getragen. Ferner können nach Anspruch . . . diejenigen LEDs aus der Sende-Sequenz ausgespart/ausgeschaltet bleiben, die wegen größerem zeitlichen Abstand zum Umschaltzeitpunkt nicht gebraucht werden, weil deren Überschneidungs-Orte vom eingestellten oder gemessenen Abstandsbereich weiter entfernt ist. Hierdurch wird die Energieaufnahme verringert. Entsprechendes kann empfängerseitig geschehen durch Ausblendung oder Absenkung des ungebrauchten Empfangssignal-Abschnitte, wodurch Störeinflüsse vermindert werden.
Neben der Zeitphase, die ein Maß für den Objektabstand darstellt, lässt sich auch die Signalstärke auswerten. Hiermit wird kann sowohl das Fehlen eines Objektes erkannt werden als auch das Vorhandensein eines extrem stark reflektierenden (spiegelnden) Objektes. So kann mit einer entsprechenden Signal-Auswertung ausgeschlossen werden, dass fehlerhafterweise ein Signal durch spiegelnden Hintergrund erzeugt wird. Hierzu wird das Ausgangssignal unterdrückt, wenn die Signalstärke einen vorgegebenen Wert überschreitet.
Ferner kann hieraus ein Signal für eine Fehler-oder Grenzwert-Warn-Anzeige abgeleitet werden, z. B. wenn dessen Pegel einen Mindestwert unterschreitet.
Im Zusammenhang mit einem Einlern-Verfahren kann sowohl die Signalstärke als auch die Signalform bzw. Zeit-Auswertung herangezogen werden. Beide Werte werden beim Teach-In- Vorgang abgespeichert, und dienen bei der Messung als Vergleichs-/Referenzwerte.
In einer zusätzlichen Ausführungsform der Erfindung, bei Fig. 7 beschrieben, sind zwei Empfangselemente vorhanden.
Je nach Anordnung der Strahlenbündel und Auswertung des Empfangssignals lässt sich wahlweise auch die seitliche Position eines Objektes erkennen, oder dessen Größe. Die Lichtstrahlen durch das Messobjekt wahlweise auch abgeschattet werden, wodurch die Konturen des Objekts erkannt bzw. gemessen werden.

Vorteile der Erfindung

Wesentlicher ist der weitere Messbereich bei gleichzeitig besserer Genauigkeit. Je mehr Lichtquellen, d. h. Abschnitte, desto kleiner ist der Übergang zwischen 2 Abschnitten relativ zum Messbereich, und der Einfluss von Störungen, die über das Wichtungsverhältnis einwirken. Die durch Alterung der LEDs bedingte Abnahme an Lichtintensität wirkt sich umso geringer aus, je mehr LEDs der Messbereich aufgeteilt ist. Gleiches gilt für Störungen bei seitlich angenäherten Objekten, kontrastreichen Objekten oder stark reflektierenden Gegenständen.
Im Gegensatz zu einer Anordnung mit mehreren Empfangselementen sind mehrere LEDs erheblich preiswerter. Ferner muss nur ein einziger gemeinsamer Empfangs-Verstärker vorhanden sein.
Auch im Gegensatz zu einer CCD-Zeile ist eine Reihe von LEDs erheblich preiswerter. Außerdem können die LEDs je nach Anforderung auf unterschiedliche Weise angeordnet werden.
Die Auswertung beinhaltet auf einfache Weise eine völlige Kompensation der Objektfarben- Helligkeit.
In Verbindung mit einem Mikroprozessor kann eine quasi-analoge Versteifung ohne AD- oder DA-Wandler erfolgen einfach durch Erzeugung bzw. Messung der beschriebenen Zeitdifferenz.
Ausführungsbeispiele werden anhand der Fig. 1 bis 7 erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Blockschema eines ersten Ausführungsbeispiels. Mit dem Lichttaster 1 werden Objekte 2 innerhalb des vorgesehenen Überwachungsbereichs geortet. Die vier Lichtsender S1 bis S4, vorzugsweise LEDs, werden von einem Taktgenerator angesteuert, bestehend aus Oszillator 50 und Zähler 51 mit decodierten Ausgängen. Jeder Ausgang gibt einen rechteck-förmigen Puls aus, wobei der Reihe nach die 4 Lichtsender mit jeweils zeitlich angrenzenden Strompulsen beaufschlagt werden. Während weiteren Takte des Zählers 51 ergibt sich eine Sende-Pause. Diese Sequenz wird fortlaufend wiederholt.
Das Licht wird vom Objekt 2 remittiert und gelangt in den Empfänger E, z. B. eine Photodiode, und Verstärker 12, ein Empfangssignal U_E. Dies wird wie später beschrieben ausgewertet.
Fig. 2 zeigt eine mögliche räumliche Anordnung der Lichtwege, wobei nach dem Triangulierungsprinzip die Objekt-Entfernung geortet wird. Hierzu ist der Sender-Gruppe (S1-S4) eine gemeinsame Senderoptik, Linse 4, nachgeordnet, resultierend in den Strahlenbündeln SB1 bis SB4. Deren Winkel sind hier übertrieben dargestellt. Dem Empfänger E ist Linse L_E vorgeordnet. (der zweite Empfänger EF ist für Schaltung Fig. 7). Die Friangulierung entsteht durch Überkreuzung der verschiedenen Senderstrahlen mit der Empfänger-Strahlkeule in verschiedenen Entfernungen. Die Auflösung entspricht einer im Gerät messbaren Winkeländerung. Diese ist jedoch nicht linear mit dem Abstand, sondern umgekehrt proportional. Daher hat ein üblicher Lichttaster mit wachsenden Tastweiten eine schlechtere Auflösung. Auch lässt sich mit einem vorgegebenen Strahlwinkel-Abtastbereich ein umso kleinerer Tastweiten-Bereich abdecken, je geringer der Objektabstand ist. Nach Anspruch 7 sind die Lichtsender so positioniert, dass der Abstand benachbarter Lichtsender umso größer ist, je näher die Überschneidungszone ihrer Strahlenbündel liegt. Auf diese Weise entsteht ein annähernd linearer und gleichzeitig größerer Messbereich.
Fig. 3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch alle Sendestrahlbündel S1 bis S4 im Messraum. Für fließende Übergänge/Überlappungen zwischen den einzelnen Lichtstrahlsegmenten, ähnlich dem Verhalten einer PSD, kann die Bündelung defokussiert werden, so dass eine unscharfe Abbildung erfolgt. Vorteilhaft ist eine gestaffelte Defokussierung gemäß Anspruch 6, bei der die Strahlenbündel umso weniger fokussiert und somit umso breiter sind, je näher ihre Überschneidungszone liegt. Damit werden größere Winkelabstände durch stärker aufgeweitete Strahlbündel überbrückt. Die Sender S1-S4 liegen dazu entlang der dargestellten schiefen Geraden, wodurch Sender S4 am nähesten an Linse L_S liegt, d. h. am weitesten vor der Brennebene entfernt.
Fig. 4a zeigt im Zeitverlauf die Sendepulse der vier Sender S1-S4. Darunter ist beispielhaft ein treppenförmiges Empfangssignal UE dargestellt. Es entsteht, indem die Strahlen durch ein im bestimmter Entfernung gelegenes Objekt in den Empfänger remittiert werden. Aufgrund der unterschiedlichen optischen Kopplungsgrade im Empfänger ist es treppenförmig.
Die Signal-Auswertung wird weiter anhand Fig. 1 und 4a erklärt. Im Tiefpassfilter TP1 werden die empfangenen Treppen-Stufen geglättet und ergeben das geglättete Empfangssignal UTP. Dieses hat zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Maximum. Der Zeitpunkt ist ein Maß für die Objekt-Entfernung. Er wird gemäß Anspruch 10 ermittelt, indem der Komparator 15 ein Schaltsignal U15 erzeugt, während das Signal einen Schwellenwert U30 überschreitet. Die Höhe des Schwellenwertes U30 wird an die Höhe der Kurve UTP angepasst, indem eine Rückkopplung gegenkkoppelnd über das dargestellt RC-Glied erfolgt. Auf Grund dieser Anpassung ist der Schwellwert U30 gleichzeitig ein Maß für die Höhe des Maximums, d. h. für die Reflexivität des Objektes. Er wird im Ausgang A3 ausgegeben.
Das Schaltsignal U15 tritt während des Maximums auf. Um dessen Zeitpunkt zu messen und analog auszugeben, ist im dargestellten Ausführungsbeispiel der Sägezahn-Generator Sz vorgesehen. Er wird über Tiefpass TP2 von der Sendetaktfolge synchron gesteuert. TP2 ist zum Ausgleich der in TP1 entstehenden Signalverzögerung vorgesehen. Das Sägezahn-signal wird während das Maximums über die Sample-&-Hold Schaltung SH an den Analogausgang A1 geleitet und ergibt den Messwert für die Objekt-Distanz.
Ein weiteres, binäres Ausgangssignal A2 wird im Komparator 31 aus der Spannung U30 erzeugt, indem sie mit einem Schwellwert U31 verglichen wird. Nur wenn die empfangene Intensität einen durch U31 festgelegten Mindestwert überschreitet, wird ein Signal ausgegeben. Eine Unterschreitung dieses Wertes tritt z. B. bei fehlendem Objekt auf. Hiervon gesteuert kann der Analogausgang A1, der in diesen Fall keinen definierten Messwert liefert, deaktiviert werden.
Zur Abkopplung von Umgebungslicht können im Signalweg des Empfangssignals Hochpassglieder, z. B. Koppelkondensatoren vorgesehen sein. Mit zusätzlichen Schaltgliedern kann ein besserer Nullbezug erreicht werden, indem z. B. ein Koppelkondensator ausgangsseitig während der Sendepausen an Erde geschaltet wird. Eine solche Nullung kann kurz vor dem ersten Sendepuls erfolgen, oder auch zwischen benachbarten Sendepulsen, wenn diese zeitlich beanstandet sind. Zur Überbrückung dieser Abstände im Treppensignal kann ein Tiefpass oder eine weitere Sampling-Schaltung zwischen Nullung und Auswertung vorgesehen sein.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem sich nur die Signal Auswertung unterscheidet. Gemäß Anspruch 11 wird der Zeitpunkt des Maximums durch den Nulldurchgang seiner zeitlichen Ableitung ermittelt. Die Ableitung erfolgt dadurch, dass im Verstärker 12 eine Hochpassfunktion eingebaut ist, womit eine zeitliche Differenzierung erzeugt oder zumindest angenähert wird. Gleichzeitig ist im Verstärker die schon beschriebene Tiefpass-Funktion integriert. Indem der Verstärker 12 ein Bandpass-Filter ist, werden beide Funktionen Tiefpass und Hochpass kombiniert erreicht.
Fig. 4b zeigt das resultierende Bandpass-gefilterte Signal U_BP. Während dessen Nulldurchgang erzeugt der Nullspannungsschalter 15 an seinem Ausgang einen Spannungssprung. Dieser wird für einen Zeitvergleich an den Takteingang Cl des Flipflops 16 geleitet. Hierzu wird der Dateneingang D des Flipflops vom Ausgangssignal des Zeitgliedes T beaufschlagt, welches wiederum eingangsseitig vom ersten Sende-Puls gesteuert wird. Vom Eintreffen dieses Pulses an erzeugt das Zeitglied ein binäres Ausgangssignal mit einer definierten Zeitdauer. Je nachdem ob die Nulldurchgangs-Meldung im Takteingang Cl des Flipflops vor oder nach Ablauf dieser definierten Zeit eintrifft, schaltet das Flipflop 16 ein oder aus. Es resultiert ein Schaltsignal, das die Anwesenheit des Objektes in einem definierten Distanzbereich meldet. Der Distanzbereich ist durch die Zeit des Zeitgliedes T definiert. Wahlweise kann die Signal-Polarität des Flipflops invertiert und /oder die Reihenfolge der Sender-Ansteuerung vertauscht werden. Man erhält wahlweise eine Vordergrund - oder Hintergrund-Ausblendung.
Um den Ausgang A4 zu schalten, wird über das Und-Glied AND eine weitere Bedingung zugeführt, die im Komparator 31 erzeugt wird. Hierbei wird die Amplitude des Empfangssignals U_BP im Gleichrichter G gemessen und dann wie schon beschrieben im Komparator 31 mit einer Mindestspannung U31 verglichen.
Fig. 6 zeigt eine weitere Signal-Auswertung gemäß Anspruch 12,
Fig. 4c die entsprechenden Signale T.
Das Zeitglied T erhält eingangsseitig aus dem Oder-Glied 52 einen Puls, dessen Dauer sich auf die Sendepulsfolge erstreckt. Zeitglied T erzeugt an seinem Ausgang T1 einen Puls, der ab Beginn der Sendefolge beginnt und für eine definierte Zeit t1 andauert. Danach wird bis zum Ende der Sendefolge ein zweiter Puls am Ausang T2 erzeugt. Das Umschalten zwischen T1 und T2 erfolgt also zu einem definierten Zeitpunkt innerhalb der Sendefolge. Die Schalter Z1 und Z2 schließen während der jeweiligen Zeitfenster t1 und t2. Schalter Z1 leitet das Empfangssignal U_E, Schalter Z2 das über den linearen Inverter 13 entgegengesetzte Empfangssignal -U_E.
Fig. 4c zeigt das Empfangssignal UE und darunter die Zeitfenster t1 und t2, dargestellt als die Faltungs-Funktion, wie sie durch die Schalter für die Empfangssignal-Kurve resultiert.
Das aus beiden Zeitfenster resultierende umgeschaltete Empfangssignal U_Z ist in Fig. 4c beispielhaft dargestellt. Der positive Anteil während t1 ist das nichtinvertierte Empfangssignal, geleitet durch Schalter Z1. Der negativen Anteil, während t2, ist das im linearen Inverter 13 invertierte Empfangssignal, durch Schalter Z2 geleitet. Das Signal wird in den Integrator 70 geleitet.
Die Integrierung entspricht der in Fig. 4c schraffierten Fläche, wobei die untere negativ gewertet ist. Das integrierte Ergebnis U70 kann als Differenz zwischen einem Nahsignal und einem Fernsignal aufgefasst werden, wobei sich das Nahsignal aus den Signalen aller während t1 ausgewählten Sendern summierend zusammensetzt, und umgekehrt das Fernsignal aus allen während t2 definierten Sender. Damiit entspricht das Signal U70 dem Empfangs-Differenz- Signal eines herkömmlichen Lichttasters. Durch Schalter Z1 werden je nach Einstellung des Zeitfensters die dem Nahbereich zugeordneten Sender ausgewählt und im Integrator 70 aufsummiert, durch Schalter Z2 die des Fernbereiches.
Aus diese Weise ist der Übergang zwischen einem Nahbereich und einem Fernbereich durch das Zeitfenster variabel definiert. Variiert wird dabei sowohl die Anzahl der dem Nah- bzw. Fernbereich zugeordneten Sender als auch die Wichtung für denjenigen Sender, der an der Grenze zwischen Nah-und Fernbereich liegt.
Das gewichtete Ergebnis U70 wird gemäß dem bekannten Stand der Technik einem Schaltglied 32 zugeführt, das eine Hysterese aufweisen kann und am Ausgang A5 ein binäres Schaltsignal erzeugt.
Die Integrationszeit im RC-Glied 70 ist durch die Schließzeiten t1, t2 der Schalter Z1, Z2, festgelegt. Der Integriervorgang läuft während beider Zeiten t1 und t2 und wird danach unterbrochen. (während der Sendepause bis zur nächsten Sequenz). Alternativ könnte die Integrationszeit auf einen kürzeren Zeitabschnitt erfolgen, der sich auf eine Zeitspanne kurz vor bis kurz nach der Zeitgrenze erstreckt. Alternativ kann mit entsprechender Beschaltung die Integrationszeit auch durchgehend fortlaufen. Vorzugsweise wird als Integrator 70 ein RC-Glied verwendet. Der enthaltene Widerstand verhindert, dass die Spannung über längere Zeitabschnitte fort-integriert wird. Die Zeitkonstante liegt vorteilhafterweise über der Sequenzdauer und unter der gewünschten Messverzögerung.
Dem Verstärker 12 kann zusätzlich, wie im ersten Ausführungsbeispiel dargestellt, ein Tiefpassfilter TP1 zugeschaltet sein. Hiermit wird verhindert, dass der bei der Umschaltung angeschnitte Treppenabschnitt der Signaltreppe wegen der vom Anschnitt resultierenden Oberwellenanteile oder wegen seiner kürzeren Sampling-Zeit unter erhöhtem Rauschen leidet.
Einen Regelkreis bildend, kann U70 alternativ einem Integrator 61 zugeführt werden, der als Regler arbeitet, wenn der Schalter 62 geschlossen ist, indem er über den Steuereingang 60 das Zeitfenster steuert. Die Regelung passt das Zeitfenster dem Verlauf des Empfangssignals derart an, dass U70 auf einen Sollwert = 0 geregelt ist. Der Stellwert des Steuereingangs 60 kann als Messwert ausgegeben werden. Ferner kann die Regelung während eines Lernvorgang ist (Teach-in) aktiviert sein und während des Betriebes das beim Teach-In eingestellte Zeitfenster beibehalten.
Fig. 7 zeigt eine gemäß Anspruch 15 und 16 weiter verbesserte Ausführung mit zwei Empfangselementen, wobei nur die Signal-Auswertung dargestellt ist, nicht jedoch die Lichtsender und deren Ansteuerung; diese können wie in den übrigen Ausführungsbeispielen aufgebaut sein.
Zweck: Grundsätzlich lässt sich die gemessene Tastweite störend beeinflussen durch Reflexe an glänzenden Objekten, durch kontrastreiche Objekte mit örtlich selektiven Reflexionsgrad oder durch seitlich vom Rand des Erkennungsbereiches her eingeführte Objekte. In solchen Fällen kann fälschlicherweise auch außerhalb der Tastweite ein Schaltsignal entstehen, bzw. ein zu niedrigeren Objektabstand vorgetäuscht werden.
Um solche Fehler grundsätzlich zu vermeiden, sind die zwei Empfangselemente En und Ef vorgesehen, deren Empfangsstrahlenbündel in gegeneinander versetztem Winke) angeordnet sind, wie bei Fig. 2 angedeutet. Dies kann z. B. mit einer Doppel-Photodiode hinter einer gemeinsamen Fokussieroptik oder mit einem positionsempfindlichen Detektor (PSD) erreicht werden, der zwei Ausgänge aufweist. Die Elemente können als Nah- und Fern-Element aufgefasst werden (zusätzlich zu und unabhängig von der schon beschriebenen Zuordnung der Sender in eine Nahzone und eine Fernzone).
Im zeitlichen Verlauf der entstehenden Empfangssignale UEn und UEf resultiert wegen der gegeneinander versetzten Position beider Empfangsstrahlenbündel eine zeitliche Verschiebung, wobei in ungestörten Fall beide Maxima oder Schwerpunkte zeitlich deutlich versetzt sind. Diese Eigenschaft kann bei der Auswertung zur Fehlerunterdrückung herangezogen erden. Die in Fig. 7 dargestellte Schaltung wertet beide Empfangssignale in Bezug zueinander folgendermaßen aus:
Die Integrationszeiten im RC-Glied 70 sind durch die Ansteuerung der Schalter Z1 und Z2 festgelegt; die Ansteuerung erfolgt wie in Fig. 6. Bis zum ersten Integrator 70 gleicht die Schaltung der Fig. 6. Das dort resultierende Signal U70 entspricht der Differenz eines mit verschiedenen Sendern gebildeten Nah- und Fernsignals.
Das Empfangssignal aus dem zweiten Empfänger Ef wird in einem zweiten Verstärker 12f verstärkt und einem zweiten linearen Inverter 13f invertiert. In den dritten Schalter Z1f gelangt eine Signalmischung, die der Differenz UEn-UEf entspricht.
Z1f wird gleich wie Z1n angesteuert. Das Integral U71 ist demnach ein Mittelwert aus dieser Empfänger-Differenz, gemittelt über den Zeitabschnitt t1.
Der Minimalwert-Bildner MIN hat zwei Eingänge. Ein erster (der obere) Eingang wird mit U70 beaufschlagt, also der Differenz zwischen senderseitiger Nah- und Fernzone.
Der untere Eingang wird mit U71 beaufschlagt, also der Differenz zwischen empfängerseitiger Nah- und Fernzone. Bei ungestörter Objekt-Erkennung haben beide Differenzen in etwa die gleiche Tastweite, bei der ihre Polarität wechselt, d. h. an dem sich Nah- und Fernsignal die Waage halten. Störende Reflexe oder seitlich in die Strahlen geführte Objekte bewirken eine Ungleichheit, wobei je nach verwendeter Differenz die Schaltschwelle 32 früher oder später erreicht wird. Der Ausgang des Minimalwert-Bildners 70 folgt stets dem kleineren der beiden Differenzsignale und erreicht daher die Schwelle U32 des Schaltgliedes 32 im Zweifelsfall später.

Claims

1. Verfahren zur optischen Objekterfassung unter Verwendung von Lichtempfänger und mehreren Lichtsendern, deren Sendelichtstrahlen in einen Messraum gerichtet werden und bei dem das von einem Messobjekt beeinflusste Licht im Lichtempfänger gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch verschiedene Position der Lichtsender eine verschiedene Orientierung der zugeordneten Lichtstrahlen im Abtastraum bewirkt wird, und dass die Lichtsender gemäß einer Sendesequenz in einer Reihenfolge mit jeweils zeitversetzten Pulsen angesteuert werden, diese Sendesequenz zeitlich wiederholt wird und das Empfangssignal des Lichtempfängers in seinem zeitlichen Verlauf entsprechend seiner Intensität ausgewertet wird in zeitlicher Korrelation zur Sendesequenz.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung eine zeitliche Integrierung oder Mittelung beinhaltet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtsender in einer Reihe angeordnet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlen der Sender mit Hilfe einer mehreren Sendern gemeinsamen Bündelungsvorrichtung in gegeneinander versetzten Winkeln in den Messraum gebündelt werden und das Messobjekt in Abhängigkeit seiner Position oder Größe Lichtstrahlen einzelner Lichtquellen ganz oder teilweise remittiert bzw. reflektiert.

5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass mit einer dem Lichtempfänger vorgeordneten Bündelungsvorrichtung eine Empfangsstrahlenkeule erzeugt wird, und dass die Empfangsstrahlenkeule gegenüber den Sendelichtstrahlen im versetzten Winkel und derart in den Messraum ausgerichtet ist, dass sie sich mit verschiedenen Sendelichtstrahlen im Messraum überschneidet und sich die Überschneidungszonen gestaffelt in verschiedener Distanz zum Empfänger befinden, und dass das Empfangssignal ein zeitliches Maximum aufweist, dessen Zeitpunkt von der Objektdistanz abhängt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierung oder Strahlschärfe der Sendestrahlen so eingestellt ist, dass ihre Strahlenkeulen umso unschärfer oder breiter sind, je näher ihre Überschneidungzone ist.

7. Verfahren nach Anspruch nach 4, 5, oder 6, gekennzeichnet durch eine Anordnung der Lichtsender in der Weise, dass der Abstand benachbarter Lichtsender umso größer ist, je näher die Überschneidungszone ihrer Strahlenbündel liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangssignal zur Integrierung einer Tiefpass-Filterung unterzogen wird, dass ferner aus dem tiefpassgefilterten Signal mittels eines Schaltgliedes ein Schaltsignal abgeleitet wird, und dass ein Zeitvergleich zwischen dem Auftreten des Schaltsignales und der Sendesequenz angestellt wird.

9. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des Empfangssignales die Erkennung des Zeitpunktes seines Maximums beinhaltet, dieser Zeitpunkt in einem zeitlichen Bezug zur Sendesequenz ausgewertet wird und daraus ein analoges Messwert-Ausgangssignal und/oder ein binäres Ausgangs-Schaltsignal abgeleitet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt des Maximums ermittelt wird, indem erkannt wird, wann das tiefpassgefilterte Empfangssignal eine Schwelle überschreitet und/oder dieselbe Schelle unterschreitet.

11. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt des Maximums erkannt wird, indem das Empfangssignal einer zeitlichen Differenzierung unterzogen wird und dessen Nulldurchgang erkannt wird.

12. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung das Empfangssignal während eines ersten Zeitabschnitts (t1), der bis zu einem vorgebbaren Umschaltzeitpunkt andauert, bewertet wird und während eines darauf folgenden zweiten Zeitabschnittes t2 mit entgegengesetztem Vorzeichen bewertet wird, ferner über den gesamten Bewertungszeitraum aufsummierend zu einem gewichteten Signal (U70) integriert oder gemittelt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das gewichtete Signal einem Regelglied zugeführt wird, dessen Stellwert der Umschaltzeitpunkt ist und dessen Regelwert das gewichtete Signal ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Sendesequenz diejenigen Sender kürzer oder nicht eingeschaltet werden, deren Sendepuls von der Zeitgrenze zeitlich weiter beanstandet ist.

15. Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, bei dem die Auswertung eines ersten Empfangssignals ein gewichtetes Signal ergibt, das eine erste Differenz darstellt, die zwischen durch verschiedene Sender definierte Nah- und Fernsignale entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem zweiten Empfänger (Ef) ein zweites Empfangssignal (U_EF) erzeugt wird und beide Empfangssignale voneinander subtrahiert werden, wobei das Ergebnis eine zweite Differenz darstellt, die zwischen empfängerseitig definierten Nah- und Fernsignalen entsteht.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass aus beiden Differenzen mithilfe einer Minimum- oder Maximum-Funktion diejenige ausgegeben wird, bei der ihr Nahsignal gegenüber ihrem Fernsignal weniger überwiegt.

17. Optoelektronische Vorrichtung zur Messung oder Erfassung eines Objektes in einem Messraum, die folgende Bestandteile beinhaltet: Einen Lichtempfänger, mehrere in einer Reihe angeordneten Lichtsender, die zeitversetzt von einer Taktschaltung angesteuert werden, die zeitlich wiederholte Sequenzen aus zeitversetzten Pulsen erzeugt, eine Auswertschaltung, die eine integrierende Vorrichtung oder Tiefpassvorrichtung beinhaltet, welche mit dem Empfangs- Wechselsignal beaufschlagt wird, sowie eine Vorrichtung zur vorgebbaren oder verstellbaren zeitlichen Korrelation zwischen der Auswertschaltung und dem von der Taktschaltung erzeugten Takt.