DE202006003841U1

DE202006003841U1 - Vorrichtung zum Nachweis von Objekten

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Publication number: DE202006003841U1
Application number: DE200620003841
Authority: DE
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2016-03-11

Abstract

Vorrichtung zum Nachweis von Objekten (14) in einem Überwachungsbereich (12) mit
einer Strahlungsquelle (20) zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung,
einer Sendeoptik (32) zum Leiten der Strahlung (24) entlang einem Strahlengang (26) im Überwachungsbereich (12),
einem Hauptdetektor (40) zum Nachweis von direkt reflektierter Strahlung (25),
einer Detektoroptik (34) zum Leiten der direkt reflektierten Strahlung (25) auf den Hauptdetektor (40), wobei die Sendeoptik (32) und die Detektoroptik (34) ein und dieselbe Autokollimationsoptik (30) ist,
dadurch gekennzeichnet ,
dass ein Zusatzdetektor (50) zum Nachweis von gestreuter Strahlung (27) von einem nachzuweisenden Objekt (14) vorhanden ist,
dass der Zusatzdetektor (50) bezüglich der Autokollimationsoptik (30) so positioniert ist, dass die Autokollimationsoptik (30) vom nachzuweisenden Objekt (14) kommende gestreute Strahlung (27), nicht aber direkt vom nachzuweisenden Objekt (14) reflektierte Strahlung (25) auf den Zusatzdetektor (50) leitet und
dass zum Erkennen von stark streuenden Objekten (14) im Überwachungsbereich...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist in DE 100 29 865 A1 beschrieben und weist eine Strahlungsquelle zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung, eine Sendeoptik zum Leiten der Strahlung entlang einem Strahlengang im Überwachungsbereich, einen Hauptdetektor zum Nachweis von direkt reflektierter Strahlung und eine Detektoroptik zum Leiten der direkt reflektierten Strahlung auf den Hauptdetektor auf, wobei die Sendeoptik und die Detektoroptik ein und dieselbe Autokollimationsoptik ist.
Bei einem Verfahren zum Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich wird elektromagnetische Strahlung in den Überwachungsbereich geleitet, von dem nachzuweisenden Objekt direkt reflektierte Strahlung wird von einem Detektor nachgewiesen und es wird eine Autokollimationsoptik verwendet, welche die Strahlung auf den Strahlengang im Überwachungsbereich und die direkt reflektierte Strahlung auf den Detektor leitet.
Solche Vorrichtungen werden bei komplexen Maschinen, in der Prozessautomatisierung und allgemein in der industriellen Technik für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Ganz allgemein besteht hierbei ein Bedürfnis, diese Reflexions lichtschranken auch bei geringem zur Verfügung stehendem Platz flexibel einsetzen zu können.
Eine Auswertung vom Streulicht ist grundsätzlich, allerdings aus einem völlig anderen Zusammenhang und unter Einsatz eines völlig anderen Aufbaus, aus DE 295 02 329 U1 bekannt.
Die Wirkungsweise einer konventionellen Reflexionslichtschranke mit Autokollimation kann mit Bezug auf die 1 und 2 erläutert werden, welche darüber hinaus ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhalten.
Bei konventionellen Reflexionslichtschranken wird die von einer Strahlungsquelle 20 abgestrahlte und von einem Hauptdetektor 40 nachgewiesene Lichtleistung ausgewertet. Der Mittelpunkt des Senders 20 befindet sich dabei zweckmäßigerweise in einer optischen Achse 16 einer Sendeoptik 32, wobei es sich im gezeigten Beispiel um eine einfache Linse handelt. Das Licht gelangt von der Strahlungsquelle 20 durch einen halbdurchlässigen Spiegel 22 und die Sendeoptik 32 zunächst in den Überwachungsbereich 12 und sodann zu einem Reflektor 28. An diesem Reflektor 28, der auch als Retroreflektor bezeichnet wird, wird das Licht über den Überwachungsbereich 12 hindurch zur Sendeoptik 32 zurück und anschließend vom halbdurchlässigen Spiegel 22 in Richtung des Detektors 40 reflektiert. Bei Überschreiten eines Entscheidungsschwellwerts der auf den Detektor 40 auftreffenden Lichtleistung schaltet die Lichtschranke, da, wie in 1 dargestellt, der Lichtweg zwischen der Strahlungsquelle 20 und dem Reflektor 28 frei ist. Wenn sich aber, wie in 2 gezeigt, ein diffus reflektierendes Objekt 14 im Überwachungsbereich 12 zwischen dem Detektor 40 und dem Reflektor 28 befindet, gelangt der Lichtstrahl nicht auf den Reflektor 28. Während aber der Reflektor 28 das Licht gerichtet zurückreflektiert, streut ein diffus reflektierendes Objekt 14 die einfallende Strahlung breit und nur ein geringer Anteil des Lichts wird direkt in Richtung des Detektors 40 reflektiert. Daraus folgt, dass die vom Detektor 40 nachgewiesene Lichtleistung im Fall eines stark streuenden Objekts 14 im Überwachungsbereich 12 kleiner ist, als die Lichtleistung, die gemessen wird, wenn das Licht vom Reflektor 28 direkt reflektiert wird.
Entsprechend wird der Entscheidungsschwellwert unterschritten und der Sensor, also die Reflexionslichtschranke, schaltet.
Eine solche konventionelle Reflexionslichtschranke mit Autokollimation hat den Nachteil, dass von einem stark reflektierenden oder streuenden, beispielsweise weißen Objekt 14, das sich dicht vor der Sendeoptik 32 befindet, verhältnismäßig viel Lichtleistung zum Detektor 40 gestreut wird. Der Entscheidungsschwellwert muss dann höher gewählt werden, damit unabhängig von der Position des nachzuweisenden Objekts 14 im Überwachungsbereich 12 der Entscheidungsschwellwert sicher unterschritten wird. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass die vom Reflektor 28 direkt zurückreflektierte Lichtleistung mit der Entfernung zwischen der Strahlungsquelle 20 und dem Reflektor 28 abnimmt. Dies ist einerseits auf ein nichtideales, beispielsweise streuendes Rückstrahlverhalten des Reflektors 28 zurückzuführen. Andererseits wird bei Einsatz eines kleinen Reflektors 28 im Fernfeld nur ein mit der Entfernung abnehmender Teil des ausgesendeten Lichts reflektiert, da der Reflektor 28 überstrahlt wird.
Die maximal zulässige Entfernung, das heißt die Größe des Überwachungsbereichs 12 insgesamt, ist deshalb dadurch eingeschränkt, dass die Lichtleistung den Entscheidungsschwellwert überschreiten muss. Dieser muss so hoch liegen, dass durch reflektierte Strahlung von einem Objekt 14 an einer beliebigen Position im Überwachungsbereich 12 die Einschaltschwelle sicher nicht überschritten wird. Andererseits muss das von dem Reflektor 28 zurückreflektierte Licht so intensiv sein, dass der Entscheidungsschwellwert zuverlässig überschritten wird.
Aus diesen Zwangsbedingungen ergibt sich also eine prinzipielle Beschränkung für die Größe des Überwachungsbereichs 12.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der der Überwachungsbereich flexibler gestaltet und insbesondere erheblich vergrößert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Vorrichtung der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass ein Zusatzdetektor zum Nachweis von gestreuter Strahlung von einem nachzuweisenden Objekt vorhanden ist, dass der Zusatzdetektor bezüglich der Autokollimationsoptik so positioniert ist, dass die Autokollimationsoptik vom nachzuweisenden Objekt kommende gestreute Strahlung, nicht aber direkt vom nachzuweisenden Objekt reflektierte Strahlung auf den Zusatzdetektor leitet und dass zum Erkennen von stark streuenden Objekten im Überwachungsbereich Messinformationen des Hauptdetektors und des Zusatzdetektors auswertbar sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann besonders vorteilhaft zur Durchführung eines Verfahrens der oben genannten Art eingesetzt werden, welches dadurch weitergebildet ist, dass von einem nachzuweisenden Objekt gestreute Strahlung von einem Zu satzdetektor nachgewiesen wird, dass die Autokollimationsoptik die gestreute Strahlung, nicht aber direkt von dem nachzuweisenden Objekt reflektierte Strahlung auf den Zusatzdetektor leitet, und dass Messinformationen des Detektors und des Zusatzdetektors zum Nachweis, ob sich ein Objekt im Überwachungsbereich befindet, und zur Unterscheidung, ob es sich um ein reflektierendes Objekt oder um ein stark streuendes Objekt handelt, ausgewertet werden.
Als erster Kerngedanke der Erfindung kann angesehen werden, zusätzlich zu der von dem nachzuweisenden Objekt direkt reflektierten Strahlung und/oder der vom Reflektor direkt reflektierten Strahlung eine weitere Messinformation bereitzustellen, die einen Unterschied zwischen einem sehr dicht vor der Strahlungsquelle befindlichen Objekt und einem Reflektor im Fernfeld erkennen lässt.
Gemäß einem zweiten Kerngedanken der Erfindung wird diese zusätzliche Messinformation bereitgestellt, indem der diffuse Anteil des vom nachzuweisenden Objekt gestreuten Lichts ausgewertet wird.
Ein dritter Kerngedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, dass der zum Auswerten der diffus gestreuten Strahlung vorgesehene Zusatzdetektor bezüglich der Autokollimationsoptik so angeordnet wird, dass mit dem Zusatzdetektor nur das diffus gestreute Licht, nicht aber direkt vom Objekt oder einem Reflektor reflektiertes Licht nachgewiesen wird.
Als erster wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann angesehen werden, dass durch Bereitstellen der zusätzlichen Messinformation in Form des nachgewiesenen Streulichts, äußerst zuverlässig auch stark streuende Objekte, die sich dicht vor der Strahlungsquelle befinden, von dem Strah lungsmuster, welches von auch sehr weit entfernten Reflektoren generiert wird, unterschieden werden kann. In Praxis konnten hierdurch Vergrößerungen des Überwachungsbereichs bis zu einem Faktor 3 realisiert werden. Beispielsweise sind Reflexionslichtschranken mit einem Überwachungsbereich bis zu 10 m möglich.
Ein weiterer erheblicher Vorteil besteht in der sehr kompakten Anordnung der optischen Komponenten, was insbesondere dadurch erreicht wird, dass auch das Streulicht mit Hilfe der Autokollimationsoptik auf den Zusatzdetektor geleitet wird. Hierdurch eröffnen sich neue Einsatzmöglichkeiten für Anwendungen, bei denen nur sehr begrenzt Platz zur Verfügung steht.
Ein wesentlicher Vorteil ist schließlich auch darin zu sehen, dass die beschriebenen technischen Wirkungen mit sehr wenigen Komponenten erreicht werden. Hieraus folgen für die Praxis bedeutsame Kostenvorteile.
Für die weitere Beschreibung der Erfindung wird im Folgenden davon ausgegangen, dass sich ein Reflektor in einer so großen Entfernung zum Hauptdetektor befindet, dass die im Hauptdetektor gemessene Intensität aufgrund von Strahlung, die vom Reflektor direkt reflektiert wurde, geringer ist, als die von einem im Überwachungsbereich, beispielsweise sehr dicht vor dem Hauptdetektor vorhandenen Objekt gestreute Strahlungsintensität. In diesem Fall würde die konventionelle, oben beschriebene Reflexionslichtschranke das Objekt nicht erkennen. Inhalt der Erfindung ist nun die Einführung und geeignete Anordnung des Zusatzdetektors, der nur diffus gestreutes Licht nachweist. Der Sensor, womit vorliegend die gesamte Vorrichtung, beispielsweise also die gesamte Reflexionslichtschranke, gemeint ist, schaltet nur dann in den Zustand "Objekt nicht erkannt", wenn auf dem Hauptdetektor, der auch als Detektor bezeichnet wird, Licht auftrifft und auf dem Zusatzdetektor kein Licht auftrifft. In jedem anderen Fall schaltet der Sensor in den Zustand "Objekt erkannt". Dabei ist eine eindeutige Unterscheidung zwischen einem diffus streuenden oder reflektierenden Objekt im Nahfeld und einem gerichtet, also direkt reflektierenden Reflektor im Fernfeld möglich auch wenn die von dem diffus streuenden Objekt auf der Detektorebene generierte Lichtleistung höher ist als die des direkt reflektierenden Reflektors.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann grundsätzlich ohne separaten, fest installierten Reflektor arbeiten, da aus dem Vergleich von direkt reflektierter und diffus gestreuter Strahlung die gewünschte Information über Anwesenheit und gegebenenfalls Beschaffenheit eines nachzuweisenden Objekts extrahiert werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne fest installierten Reflektor kann dann als Intensitätstaster angesehen und bezeichnet werden. Insbesondere können auch stark direkt reflektierende mobile Objekte nachgewiesen werden. Mit wenigen Komponenten wird dabei eine hohe Funktionalität erzielt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist aber zum Begrenzen des Überwachungsbereichs und zum Reflektieren der Strahlung mindestens ein Reflektor vorhanden. Die Vorrichtung kann dann als Reflexionslichtschranke mit fest angeordnetem Reflektor angesehen und bezeichnet werden. Diese Konfiguration ist insbesondere zum Nachweis von diffus streuenden Objekten geeignet.
Die Strahlungsquelle kann im Hinblick auf die jeweils bestehenden Erfordernisse gewählt werden. Beispielsweise kann es sich um einen Laser mit geeigneter Optik handeln. Besonders kompakte Anordnungen sind möglich, wenn die Strahlung eine LED, ein Array aus mehreren LED's oder eine Glühlampe ist. Leuchtdioden sind darüber hinaus energieeffektiv und kostengünstig. Bei speziellen Varianten können als Strahlungsquelle auch VCSELs oder RCLEDs eingesetzt werden.
Noch kompaktere Anordnungen werden erreicht, wenn als Strahlungsquelle ein LED-Chip in ein bedrahtetes Bauelement oder ein SMD-Bauelement eingebaut ist oder ein LED-Chip on board bestückt ist.
Die Fehler- und/oder Störanfälligkeit des erfindungsgemäßen Intensitätstasters kann weiter reduziert und die Nachweissicherheit auch für stark streuende Objekte damit erhöht werden, wenn als Strahlungsquelle so genannte "point-source"-LED's eingesetzt werden, bei denen sich an der optisch emittierenden Fläche keine Elektrode befindet oder der leuchtende Bereich von einer Elektrode umschlossen wird. Die Abstrahlcharakteristik der emittierten Strahlung weist bei solchen LED's nicht die bei konventionellen Leuchtdioden vorhandenen "dips" auf, die von den frontseitig gebondeten Anschlussdrähten herrühren.
Die vorstehend erläuterten Kerngedanken der Erfindung sind bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung fortentwickelt, bei der auf einer dem Zusatzdetektor gegenüberliegenden Seite des Hauptdetektors ein weiterer Zusatzdetektor angeordnet ist. Mit einer solchen Anordnung können insbesondere auch zur optischen Achse des Überwachungsbereichs versetzte Objekte zuverlässig nachgewiesen werden. Es kann also mit einer solchen Anordnung von weiteren Empfängern im Umkreis des Hauptdetektors verhindert werden, dass der Sensor den Zustand "Reflektor erkannt", das heißt also "Objekt nicht erkannt", einnimmt, wenn sich im Fernfeld kein Retroreflektor, aber im Nahfeld, an grundsätzlich beliebiger Position, ein diffus reflektierendes Objekt befindet.
Es kann auch um den Hauptdetektor zusätzlich zum Zusatzdetektor eine Mehrzahl von weiteren Zusatzdetektoren, insbesondere symmetrisch, angeordnet sein. Die verschiedenen Empfänger oder Detektoren können insbesondere als Array mit zwei oder mehreren einzelnen Abschnitten, die gleiche oder unterschiedliche Größe aufweisen können, angeordnet sein. Das Array kann dabei eine Ring-, Matrix-, Streifen- und/oder Pixelstruktur aufweisen.
In verfahrensmäßiger Hinsicht kann diese Mehrzahl von Zusatzdetektoren verwendet werden, um aus der Zeitabhängigkeit der vom Detektor und den Zusatzdetektoren gemessenen Signale einen Bewegungsverlauf des zu überwachenden Objekts im Überwachungsbereich zu ermitteln. Hierdurch eröffnen sich völlig neue Anwendungsgebiete für Intensitätstaster und Reflexionslichtschranken. Beispielsweise kann so mit sehr einfachen Mitteln festgestellt werden, von welcher Richtung aus ein zu überwachendes Objekt in den Überwachungsbereich eintritt.
Bei einer Variante des Verfahrens werden die Messsignale des Hauptdetektors und des Zusatzdetektors jeweils separat mit Schwellwerten verglichen und dann wird nach einer vorgegebenen Logik entschieden, ob sich ein Objekt im Überwachungsbereich befindet oder nicht.
In Situationen, bei denen die Signale von einem sehr stark streuenden Objekt von denjenigen eine Reflektors unterschieden werden müssen, kann es außerdem von Vorteil sein, dass zumindest das Messsignal des Hauptdetektors mit zwei unterschiedlichen Schwellwerten verglichen wird. Sofern die vom Hauptdetektor gemessene Intensität über dem oberen dieser Schwellwerte liegt, kann immer davon ausgegangen werden, dass das nachgewiesene Signal von einem Reflektor stammt und sich mithin kein Objekt im Überwachungsbereich befindet. Wenn andererseits die vom Hauptdetektor nachgewiesene Intensität unter dem unteren der Schwellwerte liegt, steht fest, dass sich ein Objekt im Überwachungsbereich befinden muss oder kein Reflektor anwesend ist. Wenn die vom Hauptdetektor gemessene Intensität zwischen den beiden Schwellwerten liegt, wird zur Entscheidung das Signal des Zusatzdetektors herangezogen. Sofern dieses über einer bestimmten Schwelle liegt, wird entschieden "Objekt vorhanden", andernfalls werden die nachgewiesenen Signale wiederum dem Reflektor zugeordnet.
Im Hinblick auf die optischen Eigenschaften, im Wesentlichen also das Streu- und Reflexionsverhalten von bestimmten zu überwachenden Objekten kann es zweckmäßig sein, dass zum Erkennen dieser bestimmten Objekte ein Einlernvorgang für die Schwellwerte durchgeführt wird. Durch ein solches "teach-in" für die Schwellwerte wird insgesamt die Nachweiszuverlässigkeit erhöht und es können auch Reflektoren mit hohem diffus reflektierendem Anteil im Nahbereich des Sensors eingesetzt werden.
Bei weiteren Auswertemethoden, die je nach Anwendungssituation zweckmäßig und vorteilhaft sein können, werden die Messsignale des Hauptdetektors und der Zusatzdetektoren durch mathematische Operationen miteinander verknüpft, wobei insbesondere eine Subtraktion des Hauptdetektorsignals von den Signalen der Zusatzdetektoren oder eine Division der Zusatzdetektorsignale durch das Signal des Hauptdetektors zweckmäßig sein kann.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren erläutert. Hierin zeigt:
1 in einer schematischen Ansicht ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die hier als Reflexionslichtschranke ausgebildet ist;
2 eine weitere schematische Ansicht des Ausführungsbeispiels aus 1 mit einem Objekt im Überwachungsbereich;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ohne fest angeordneten Reflektor und mit versetzt im Überwachungsbereich befindlichem Objekt;
4–6 Varianten von Detektoren für die erfindungsgemäße Vorrichtung; und
7 eine Tabelle, anhand welcher ein Auswerteverfahren mit einer dreiwertigen Logik erläutert wird.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird mit Bezug auf die 1 und 2 erläutert. Identische Komponenten sind in diesen Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Reflexionslichtschranke 10, das heißt, es ist ein Reflektor 28 zur Begrenzung eines Überwachungsbereichs 12 vorgesehen. Als wesentliche Komponenten weist diese Reflexionslichtschranke 10 eine Strahlungsquelle 20, beispielsweise eine Leuchtdiode, einen Strahlteiler 22, eine Linse 30 als Autokollimationsoptik, einen Hauptdetektor 40 sowie einen Zusatzdetektor 50 auf.
Die von der Strahlungsquelle 20 in einem divergenten Strahlenbündel emittierte Strahlung 24 gelangt zunächst durch den Strahlteiler 22 auf die Autokollimationsoptik 30. Die Autokol limationsoptik 30 lenkt die Strahlung 24 anschließend auf einen Strahlengang 26 im Überwachungsbereich 12. Im gezeigten Beispiel erzeugt die Autokollimationsoptik 30, die hier als Sendeoptik 32 wirkt, aus dem divergenten Strahlenbündel ein zu einer optischen Achse 16 des Systems paralleles Strahlenbündel, welches sodann mit einer durch eine Ellipse 29 veranschaulichten Intensität auf den Reflektor 28 trifft.
Statt des Strahlteilers 22 ist grundsätzlich auch möglich, einen Spiegel mit einer kleinen Öffnung zum Durchtritt der Strahlung zu verwendet. Hierbei muss die Strahlführung auf dem Hin- und Rückweg geeignet gewählt werden, um möglichst wenig Intensität zu verlieren.
Vom Reflektor 28 wird die Strahlung 24 zurück in Richtung der Autokollimationsoptik 30 reflektiert, welche direkt reflektierte Strahlung 25 über den Strahlteiler 22 auf den Hauptdetektor 40 fokussiert. Die Autokollimationsoptik 30 erfüllt hier die Funktion einer Detektoroptik 34.
Eine auf dem Hauptdetektor 40 auftreffende und von diesem zu messende Intensität der direkt reflektierten Strahlung 25 ist in 1 durch eine Ellipse 41 symbolisiert. Auf den erfindungsgemäß vorgesehenen Zusatzdetektor 50 fällt in der in 1 gezeigten Situation keine Intensität, da sich im Überwachungsbereich 12 kein nachzuweisendes Objekt, insbesondere kein diffus streuendes oder reflektierendes Objekt, befindet.
Eine Situation mit einem solchen nachzuweisenden, streuenden Objekt 14 im Überwachungsbereich 12 ist in 2 gezeigt. Eine auf das Objekt 14 auftreffende Intensität der Strahlung 24 ist dort durch eine Ellipse 15 veranschaulicht. Das Objekt 14 ist so geartet, dass zwar ein Teil der einkommenden Strahlung 24 direkt reflektiert wird. Diese Strahlungsanteile sind in
2 mit dem Bezugszeichen 25 versehen und werden durch die Autokollimationsoptik 30 wie in 1 auf den Hauptdetektor 40 gelenkt. Die in dieser Situation auf den Hauptdetektor 40 auftreffende Intensität ist in 2 durch eine Ellipse 42 symbolisiert und geringer als die in 1 auf den Hauptdetektor 40 auftreffende und durch die Ellipse 41 dargestellte Intensität.
Ein weiterer wesentlicher Teil der auf das Objekt 14 fallenden Strahlung 24 wird vom Objekt 14 jedoch diffus reflektiert. Diese diffus reflektierte Strahlung ist in 2 mit dem Bezugszeichen 27 gekennzeichnet. Erfindungsgemäß ist der Zusatzdetektor 50 bezüglich der Autokollimationsoptik 30 so angeordnet, dass die Autokollimationsoptik 30 nur diffus gestreute Strahlung 27, nicht aber direkt reflektierte Strahlung 25 auf den Zusatzdetektor 50 leitet. Mit dem Zusatzdetektor 50 wird also nur indirekt gestreutes oder reflektiertes Licht 27 nachgewiesen. Die auf dem Zusatzdetektor 50 auftreffende Intensität ist in 2 durch eine Ellipse 51 veranschaulicht.
Die Auswertung der Signale des Hauptdetektors 40 und des Zusatzdetektors 50 kann insbesondere durch eine logische Verknüpfung so erfolgen, dass der Sensor nur dann in den Zustand "Objekt nicht erkannt" schaltet, wenn das auf den Hauptdetektor 40 auftreffende Licht einen Grenz- oder Schwellwert überschreitet und das auf dem Zusatzdetektor 50 auftreffende Licht einen zweiten Grenzwert unterschreitet.
Alternativ können die gewünschten Informationen darüber, ob sich ein Objekt 14 im Überwachungsbereich 12 befindet und gegebenenfalls um was für ein Objekt es sich handelt, auch durch mathematische Operationen, wie Subtraktion oder Division der Messsignale, erhalten werden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 3 gezeigt. Hierbei handelt es sich um einen Intensitätstaster 100, der insbesondere zum Erkennen von, typischerweise mobilen Reflektoren, verwendet wird. Ein fest installierter Reflektor zum Begrenzen eines Überwachungsbereichs 12 ist deshalb hier nicht vorhanden. Äquivalente Komponenten des Intensitätstasters 100 tragen dieselben Bezugszeichen wie die in den 1 und 2 gezeigte Reflexionslichtschranke 10. Im Unterschied zur Reflexionslichtschranke 10 der 1 und 2 ist aber in dem in 3 dargestellten Beispiel ein weiterer Zusatzdetektor 52 vorhanden, der auf einer dem ersten Zusatzdetektor 50 gegenüberliegenden Seite des Hauptdetektors 40 positioniert ist.
Mit einer solchen Anordnung kann eine weitere Aufgabe gelöst werden, welche sich insbesondere stellt, wenn der Intensitätstaster, der auch kurz als Sensor bezeichnet werden kann, nicht als Lichtschranke im klassischen Sinn, sondern zur Erkennung von Reflektoren verwendet wird. Dies ist genau die in 3 gezeigte Situation, wo sich kein fest angeordneter Reflektor im Lichtweg befindet. Wenn das nachzuweisende Objekt 14 gegenüber der optischen Achse 16 des Systems einen gewissen Seitenversatz aufweist, kann es zu einem Strahlverlauf, wie in 3 gezeigt, kommen. Dort ist wiederum direkt reflektiertes Licht mit dem Bezugszeichen 25 und diffus gestreutes Licht mit dem Bezugszeichen 27 versehen. Die auf das versetzt zur optischen Achse 16 befindliche Objekt einfallende Intensität der Strahlung 24 ist dort durch eine Halbellipse 17 symbolisiert. Aufgrund des Seitenversatzes des Objekts 14 trifft kein gestreutes Licht 27 auf den Zusatzdetektor 50, wohl aber gelangt ein wesentlicher Teil von direkt reflektierter Strahlung 25 in den Hauptdetektor 40. Der Sensor könnte in dieser Situation somit nicht zwischen einem im Fernfeld befindlichen Reflektor und einem an einem beliebigen Punkt, im gezeigten Beispiel quer zur optischen Achse 16 versetzten Punkt, befindlichen diffus reflektierenden Objekt 14 unterscheiden.
Um diesem Problem abzuhelfen, ist bei dem in 3 gezeigten Intensitätstaster 100 ein weiterer Empfänger oder Detektor 52 auf einer dem ersten Zusatzdetektor 50 gegenüberliegenden Seite des Hauptdetektors 40 angeordnet. Aus dem in 3 gezeigten Strahlenverlauf ist ersichtlich, dass aufgrund der konkreten Positionierung des Objekts 14 versetzt zur optischen Achse 16 zwar nicht der Zusatzdetektor 50, wohl aber der weitere Zusatzdetektor 52 Strahlungsintensität an diffus reflektierter Strahlung 27 erhält, welche in 3 mit einer Ellipse 53 veranschaulicht ist und dementsprechend vom weiteren Zusatzdetektor 52 gemessen werden kann. Die auf den Hauptdetektor 40 fallende Intensität ist in 3 durch die Ellipse 43 veranschaulicht. Das Auswerteverfahren kann im Übrigen wie bei der in den 1 und 2 gezeigten Reflexionslichtschranke 10 erfolgen.
Um die Erkennungssicherheit für eventuell versetzt im Überwachungsbereich 12 positionierte Objekte 14 zu erhöhen, können auch drei, vier oder noch mehr Zusatzdetektoren um den Hauptdetektor 40 angeordnet sein. Insbesondere können hierfür auch Empfänger-Arrays 70 eingesetzt werden, welche eine Matrix- oder Pixelstruktur aufweisen. Solche Arrays 70 sind in den 4, 5 und 6 dargestellt. Die in 4 gezeigte Variante mit einer Ringstruktur, bei der sich im Zentrum ein Hauptdetektor 40 und jeweils konzentrisch darum angeordnet eine Mehrzahl von Zusatzdetektoren 50, 52, 54, 56 befindet, hat sich als besonders günstig herausgestellt. 5 zeigt im Wesentlichen die Anordnung der Detektoren aus 3. Bei dem in 6 gezeigten Detektor-Array 70 sind insgesamt vier Zusatzdetektoren 50, 52, 54, 56 um einen Hauptdetektor 40 herum angeordnet.
Eine weiterentwickelte Variante der Auswertung und des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit Bezug auf die Tabelle in 7 erläutert. Durch die nichtidealen Eigenschaften von realen Retroreflektoren kann es im Nahfeld des Sensors dazu kommen, dass ein Retroreflektor auch auf dem Zusatzdetektor 50 ein Signal hervorruft und damit der Sensor insgesamt den Zustand "Objekt erkannt" einnimmt. Dieser Effekt kann verhindert werden und damit ein sicheres Erkennen von Retroreflektoren auch im Nahfeld gewährleistet werden, wenn die im Folgenden beschriebene erweiterte Logik eingesetzt wird. Diese beruht im Wesentlichen darauf, dass der vom Hauptdetektor 40 gemessene Intensitätswert nicht, wie bisher, nur mit einem Schwellwert, sondern nunmehr mit zwei verschieden großen Schwellwerten verglichen wird. Wenn sich ein Retroreflektor im Nahfeld vor dem Sensor befindet, ist das auf den Hauptdetektor 40 reflektierte Signal sehr hoch. Bei solch hohen Signalen wird dann das Ausgangssignal des Zusatzdetektors 50 bei der Auswertung von vornherein nicht berücksichtigt, sondern es wird sofort der Zustand "Objekt nicht erkannt" und "Retroreflektor erkannt" angenommen, Fall vier in der Tabelle in 7.
Wenn andererseits das vom Hauptdetektor 40 gemessene Signal kleiner als eine erste Schwelle ist, wird ebenfalls die Messinformation des Zusatzdetektors 50 nicht berücksichtigt und sofort der Zustand "Objekt erkannt" und "Retroreflektor nicht erkannt" eingenommen. Dies ist der Fall eins in der Tabelle aus 7. Das Messsignal des Zusatzdetektors 50 wird nur berücksichtigt, wenn die vom Hauptdetektor 40 gemessene Intensität klein ist, sich also zwischen den beiden erwähnten Schwellen bewegt. Das vom Hauptdetektor 40 empfangene Signal kann also nicht, wie bisher, nur zwei, sondern hier drei Zustände annehmen, nämlich "0", das heißt "nichts gesehen", "wenig", das heißt "mehr als nichts aber weniger als der sogenannte Weißwert", und schließlich "1", das heißt "mehr als der Weißwert". Der Begriff "Weißwert", der die obere der beiden Schwellen darstellt, bezeichnet hier das höchstmögliche von einem diffus reflektierenden Objekt ausgelöste Signal auf dem Hauptdetektor 40.
Die Fälle eins und vier der Tabelle in 7 beschreiben die Funktion einer klassischen Reflexionslichtschranke. Die hier beschriebene Erfindung ermöglicht zusätzlich die Unterscheidung der Fälle zwei und drei, wenn also das vom Hauptdetektor 40 empfangene Signal kleiner oder gleich dem "Weißwert" ist. Stark streuende Objekte 14 können so hervorragend von Reflektoren unterschieden werden.
Insgesamt wird mit der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung bereitgestellt, die insbesondere als Intensitätstaster und als Reflexionslichtschranke eingesetzt werden kann und mit welcher zum einen der zuverlässig zu überwachende Bereich erheblich vergrößert wird und mit welcher außerdem eine sehr sichere Unterscheidung stark streuender Objekte von reflektierenden Objekten möglich ist.

Claims

Vorrichtung zum Nachweis von Objekten (14) in einem Überwachungsbereich (12) mit einer Strahlungsquelle (20) zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung, einer Sendeoptik (32) zum Leiten der Strahlung (24) entlang einem Strahlengang (26) im Überwachungsbereich (12), einem Hauptdetektor (40) zum Nachweis von direkt reflektierter Strahlung (25), einer Detektoroptik (34) zum Leiten der direkt reflektierten Strahlung (25) auf den Hauptdetektor (40), wobei die Sendeoptik (32) und die Detektoroptik (34) ein und dieselbe Autokollimationsoptik (30) ist, dadurch gekennzeichnet , dass ein Zusatzdetektor (50) zum Nachweis von gestreuter Strahlung (27) von einem nachzuweisenden Objekt (14) vorhanden ist, dass der Zusatzdetektor (50) bezüglich der Autokollimationsoptik (30) so positioniert ist, dass die Autokollimationsoptik (30) vom nachzuweisenden Objekt (14) kommende gestreute Strahlung (27), nicht aber direkt vom nachzuweisenden Objekt (14) reflektierte Strahlung (25) auf den Zusatzdetektor (50) leitet und dass zum Erkennen von stark streuenden Objekten (14) im Überwachungsbereich (12) Messinformationen des Hauptdetektors (40) und des Zusatzdetektors (50) auswertbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Begrenzen des Überwachungsbereichs (12) und zum Reflektieren der Strahlung mindestens ein Reflektor (28) vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (20) eine LED, ein Array aus mehreren LED's oder eine Glühlampe ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungsquelle (20) ein LED-Chip in ein bedrahtetes Bauelement oder ein SMD-Bauelement eingebaut ist oder ein LED-Chip on board bestückt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlungsquelle (20) LED's eingesetzt sind, bei denen sich an der optisch emittierenden Fläche keine Elektrode befindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer dem Zusatzdetektor (50) gegenüberliegenden Seite des Hauptdetektors (40) ein weiterer Zusatzdetektor (52) angeordnet ist und/oder dass um den Hauptdetektor (40) zusätzlich zum Zusatzdetektor (50) eine Mehrzahl von weiteren Zusatzdetektoren (52, 54, 56) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptdetektor (40) und die Zusatzdetektoren (52, 54, 56) als Empfängerarray (70) mit Ring-, Streifen- oder Pixelstruktur ausgebildet sind.