DE3920133A1 - Optischer sensor zur untersuchung der lage und/oder der kontur eines objekts - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur Untersuchung der Lage und/oder der Kontur eines Objekts, der für die Auf­ gabenbereiche Werkstückhandling, Montage und Schweißnaht­ erkennung Informationen über das Objekt gibt.

Stand der Technik

Bei bekannten Meßanordnungen, die beispielsweise in einem Auf­ satz von Feutlinske, K.; Gast, Th.: "Berührungslose optisch­ elektrische Prüfung von Lagen und Dimensionen. Qualität und Zuverlässigkeit" 30 (1985) 7, Seiten 204 bis 214 beschrieben sind, müssen Meßfehler, die beispielsweise durch Abschattungen an Bohrungen und Kanten bei der Werkstückskontrolle sowie durch unterschiedliches Reflexionsverhalten der Prüfobjekte verur­ sacht werden, möglichst gering gehalten werden.

Weiterhin ist bei bekannten Abstandssensoren, deren Funktion auf der sogenannten Triangulation basiert, weder der Refle­ xionswinkel der empfangenen Lichtstrahlen noch der gesamte empfangene Lichtstrom konstant. Der Lichtstrom ist hier umge­ kehrt proportional zum Quadrat der Entfernung. Ein solches Triangulationsverfahren ist - für sich gesehen - beispielsweise aus einem Aufsatz von Bickel, G.; Häusler, G.; Maul, M.: "Tri­ angulation with expanded range of depth", Optical Engineering 24 (1985) 6, Seiten 975 bis 977 bekannt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor so auszubilden, daß der im Sensor detektierte Lichtstrom zuverlässig ausgewertet werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist ein optischer Sensor der eingangs genannten Art die Merkmale des Kennzeichens des An­ spruchs 1 auf.

Mit der vorliegenden Erfindung wird erreicht, daß die Wirkung einer Vielzahl von störenden Einflüssen, beispielsweise bei der Abstandsermittlung eines Objekts, reduziert werden kann, um dadurch die oben genannten Anwendungsfälle optimal zu ge­ stalten. Das Problem der Abschattungen an Bohrungen und Kanten wird erfindungsgemäß gelöst durch die rotationssymmetrische Aufnehmercharakteristik und die kleinere Basisbreite des hier angewandten sogenannten Triangulationsverfahrens. Außerdem lassen sich die durch unterschiedliche Reflexionseigenschaften des zu untersuchenden Objekts bedingten Meßfehler reduzieren. Ermöglicht wird dies sowohl durch die rotationssymmetrische Aufnehmercharakteristik als auch durch die zumindest reduzierte Entfernungsunabhängigkeit des vom Prüfobjekt reflektierten und vom optischen Aufnehmer des Sensors detektierten Lichtstromes. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Abstandssensors ist, daß in einem definierten Entfernungsbereich Lichtstrahlen er­ faßt werden, die jeweils unter gleichem entfernungsabhängigen Winkel von der Oberfläche reflektiert worden sind.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Sensors sind in den Unteransprüchen angegeben.

Kurze Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung

Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert, wobei

Fig. 1 eine Prinzipanordnung des optischen Sensors mit dem Verlauf der Lichtstrahlen,

Fig. 2 ein Detailbild eines Ausführungsbeispiels eines opti­ schen Aufnehmers im Sensor,

die Fig. 3 bis 5 und 8 weitere Ausführungsbeispiele des op­ tischen Aufnehmers,

die Fig. 6 und 7 abgewandelte Prinzipanordnungen des opti­ schen Sensors nach Fig. 1 und

die Fig. 9 bis 11 Ausführungsformen des optischen Sensors für ringförmige und lineare Bildabtastung der Ober­ fläche des zu untersuchenden Objekts darstellen.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Das Prinzip eines Ausführungsbeispiels eines optischen Sensors zur Abstandsbestimmung ist schematisch in der Fig. 1 darge­ stellt. Hierbei ist eine punktförmige Beleuchtung eines Objek­ tes OB, hier in den Positionen P1 und P2, mit einer Lichtquelle LQ (z. B. Laser, LED mit Projektionsoptik) oder einer licht­ zuführenden Glasfaser vorausgesetzt. Zur Ermittlung der Entfer­ nungsinformation dient ein optisches Linsensystem, bestehend aus einem Axicon AX und einer Linse L, womit kegelförmige Lichtstrahlbündel mit einem gleichen Kegelwinkel Ω auf einen Punkt fokussiert und mit einem richtungsselektiven, opto­ elektronischen Aufnehmer A detektiert werden.

Bei einer alternativen, hier nicht dargestellten Ausführung als faseroptischer Sensor wird zwischen diesen Komponenten eine Lichtleitfaser geschaltet.

Das vom Objekt OB reflektierte Licht wird vom optischen System innerhalb von Kreisringzonen erfaßt und zur Aufnahmefläche des optoelektronischen Aufnehmers A gerichtet. Wie in Fig. 1 dar­ gestellt, können die zugehörigen Lichtstrahlen jeweils entlang einer Kegel-Mantelfläche (mit Kegelwinkel Ω und Öffnungs­ winkel ΔΩ) verlaufen. Diese Art der Abbildung ist beispiels­ weise möglich mit dem Axicon AX in Kombination mit der Sammel­ linse L oder mit einem besonderen Objektiv. Bekannt ist der Einsatz von Axicons (z. B. in Form eines kegelförmigen, licht­ brechenden Körpers) auch in Lasersystemen, wobei auch hier Punkte in Kreisringzonen abgebildet werden. Die Funktion des Axicons AX kann auch durch andere optische Elemente oder Systeme nachgebildet werden. Beispiele sind eine Linse (bzw. Gradientenindex-Linse) mit entsprechender sphärischer Aberra­ tion, eine Linse (oder ein Objektiv) in Kombination mit einer planparallelen Glasplatte oder konusförmige Spiegel.

Das optische Linsensystem nach Fig. 1 dient zur Umsetzung der Abstandsinformationen in entsprechende Richtungsinforma­ tionen der auf die Aufnahmefläche des optoelektronischen Auf­ nehmers A gerichteten Lichtstrahlen. Der richtungsselektive, optoelektronische Aufnehmer A kann hieraus elektrische Signale erzeugen, welche durch die Richtungsinformation verändert sind.

Für die Ausführung des optoelektronischen Aufnehmers A gibt es verschiedene Lösungsvarianten:

a) Richtungsselektion durch winkelabhängige Strahlteilung

Hierbei erfassen gemäß Fig. 2 jeweils ein Fotodetektor F1 und F2 das an einer transparenten Strahlenteilerplatte ST reflek­ tierte und transmittierte Licht. Das Verhältnis der beiden Lichtströme ist winkelabhängig (Winkel ϕ1 und ϕ2). Anstelle der transparenten Strahlenteilerplatte ST kann auch ein sogenanntes axialsymmetrisches Verlaufsfilter eingesetzt werden. Dieses Verlaufsfilter muß durch ein vom axialen Abstand abhängiges Reflexions-Transmissions-Verhältnis gekennzeichnet sein, was sich z. B. durch entsprechende metallische Bedampfung einer Glasplatte erreichen läßt. Bei beiden Lösungsvarianten kann eine nachgeschaltete Elektronik das Verhältnis der Fotoströme auswerten, so daß in erster Näherung das Meßergebnis unabhängig vom absoluten Lichtstrom und somit auch vom Reflexionsgrad des Objektes OB wird.

b) Richtungsselektion durch Laufzeitunterschiede in Stufen­ indexfasern

Nach dieser Variante gemäß Fig. 3 dient als Aufnahmefläche des optoelektronischen Aufnehmers im Sensor entsprechend Fig. 1 hier die Lichteintrittsfläche einer weiterführenden Stufen­ indexfaser SF. Ausgewertet werden Laufzeitunterschiede der unter verschiedenen Winkeln ϕ1, ϕ2 einfallenden Lichtstrahlen. Dieses Übertragungsverhalten von Stufenindexfasern ist bekannt als Modendispersion, die beispielsweise bei einem Faserdurch­ messer von 100 µm einen typischen Wert von etwa 20 ns/km hat. Zur elektronischen Auswertung ist jedoch ein Impuls- oder Wechselstrombetrieb der Lichtquelle LQ erforderlich. Die Ab­ standsinformation läßt sich dann aus der Signallaufzeit zwi­ schen Lichtquelle LQ und Aufnehmer A bzw. aus der Phasenver­ schiebung ermitteln. Vorteilhaft ist hierfür der Einsatz von kostengünstigeren Lichtleitfasern aus Kunststoffen (z. B. Poly­ meren).

c) Richtungsselektion durch winkelabhängige Lichtreflexion

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 4 wird davon aus­ gegangen, daß Oberflächen mit sehr feinen Rauhigkeitsstrukturen eine starke Abhängigkeit der Lichtreflexion vom Einfallswinkel ϕ1, ϕ2 der Lichtstrahlung haben. So kann z. B. bei senkrechtem Lichteinfall eine nahezu diffuse Lichtreflexion (Lambert′scher Strahler) erfolgen, während bei flachem bzw. streifendem Licht­ einfall eine spiegelnde Reflexion auftritt; eine gemischte Re­ flexion, bestehend aus Glanzlicht und Streulicht, entsteht dann im Winkelbereich dazwischen.

Zur Nutzung dieser winkelabhängigen Lichtreflexion wird eine Aufnehmeranordnung entsprechend Fig. 4 vorgeschlagen. Sie besteht aus einem Hohlzylinder HZ mit rauher Innenfläche und wiederum aus zwei Fotodetektoren F1 und F2. Fotodetektor F1 erfaßt hier nur Streulicht, während Fotodetektor F2 sowohl Streulicht als auch Glanzlicht empfängt. Die Entfernungs­ information ergibt sich aus dem Verhältnis von Glanzlicht zu Streulicht, welches sich aus den Fotoströmen der Fotodetektoren ableiten läßt.

Auch eine Lösungsvariante für den optoelektronischen Aufnehmer A als faseroptischer Sensor mit einer Stufenindexfaser SF ist möglich, wenn die Fotodetektoren in Fig. 2 oder 4 beispiels­ weise durch fluoreszierende Lichtleiterstücke ersetzt und an weiterführende Lichtleitfasern gekoppelt werden.

Der optoelektronische Aufnehmer A nach Fig. 4 ist prinzipiell auch direkt als einfacher Abstandssensor ohne vorgeschaltete Optik einsetzbar.

d) Richtungsselektion durch ein Prisma mit Gradientenindex- Profil (GRIN-Prisma)

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 dargestellt. Sogenannte Gradientenindex-Linsen (GRIN-Linsen) als Bestandteil eines optischen Systems sind im Prinzip stabförmige Linsen. Sie haben einen parabolischen Brechzahlverlauf mit abnehmendem Bre­ chungsindex von der optischen Achse bis zur Mantelfläche. Ein GRIN-Prisma GP als Bestandteil des optischen Systems läßt sich aus einer GRIN-Linse durch Abschneiden eines keilförmigen Stückes erzeugen. Kreisringförmige Lichtstrahlbündel, welche das GRIN-Prisma GP in einem Abstand von der optischen Achse verlassen, werden in einem bestimmten Winkel gebrochen, der vom Brechungsindex des Prismas GP abhängig ist. Weil der Brechungs­ index mit zunehmendem Abstand abnimmt, werden Lichtstrahlbündel mit größerem Abstand weniger stark abgelenkt. Daher ist es mög­ lich, gemäß Fig. 5 Kreisringe mit unterschiedlichem Durchmes­ ser jeweils in verschiedenen, seitlich gegeneinander versetzten Punkten abzubilden. Dort übernimmt das GRIN-Prisma GP zusammen mit weiteren Linsen K als Kollimator und FL als Fokussierungs­ linse und einem Fotodioden-Array AA die Funktion des richtungs­ selektiven, optoelektronischen Aufnehmers A für die Optikanord­ nung, wie sie prinzipiell in Fig. 1 dargestellt ist. Wenn grö­ ßere Abstände gemessen werden sollen (z. B. im Bereich 1 cm bis 1 m), dann ist eine Linse VL zur Verkleinerung erforderlich, da bekannte GRIN-Linsen nur einen Durchmesser von etwa 2 mm haben.

Ein optoelektronischer Aufnehmer A für kleine Abstände (im Bereich von etwa 1 µm bis einige mm) kann beispielsweise entsprechend Fig. 6 in Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 5 aufgebaut sein.

Die drei optischen Elemente Axicon AX, GRIN-Prisma GP und Linse FL lassen sich in vorteilhafter Weise auch mit nur einem Bau­ element realisieren. Hierzu wird ein stabförmiges GRIN-Bauele­ ment GB an der einen Seite konusförmig oder sphärisch geschlif­ fen, um die Funktion des Axicons AX nachzubilden, sowie an der anderen Seite abgeschrägt, um das GRIN-Prisma GP zu realisie­ ren. Diese Lösungsvarianten sind in Fig. 7 dargestellt.

Das GRIN-Bauelement GB kann gleichzeitig dazu verwendet werden, die beleuchtenden Lichtstrahlen (z. B. von einem Halb­ leiterlaser oder von einer LED) zu kollimieren oder auf die Oberfläche des Objekts OB zu fokussieren, wie es in Fig. 8 detailliert dargestellt ist. Die Möglichkeit der Einkopplung des beleuchtenden Lichtes über die gleiche Optik besteht bei­ spielsweise auch für die in der Fig. 6 dargestellte Anordnung. Bei Beleuchtung mit einem Laser als Lichtquelle LQ können hier in vorteilhafter Weise die Interferenzeffekte nach Lichtdurch­ tritt durch das Axicon AX genutzt werden, welche ein dünnes Lichtstrahlbündel über größere Entfernungsbereiche zur Folge haben. Für nicht kohärente Beleuchtung kann der Lichtdurch­ trittsbereich im zentralen Bereich des Axicons zur besseren Fokussierung auch abgeflacht werden.

Der Abstandssensor nach Fig. 7 kann in vorteilhafter Weise sehr klein und unkompliziert aufgebaut werden. Der Einsatz erscheint sinnvoll bei der berührungslosen Erfassung von Ober­ flächenprofilen, Welligkeiten, Rauhigkeiten, Schichtdicken sowie von kleinen Abständen. Anstelle eines GRIN-Bauelementes GB kann beispielsweise auch ein Stück aus einer Gradientenfaser mit jeweils einer konusförmigen und abgeschrägten Stirnfläche verwendet werden. Wegen des kleineren Durchmessers ist dieser Aufnehmer für einen entsprechend kleineren Meßbereich bestimmt.

In den Fig. 9 und 10 sind weitere Ausführungsformen des op­ tischen Sensors dargestellt, bei denen kreisringförmige Orts­ informationen über Punkte in den Abständen R1 und R2 auf der Oberfläche des zu untersuchenden Objekts OB ausgewertet werden können. Auch hier werden die Lichtstrahlen über das Axicon AX und eine Linse L auf eine Lichtleitfaser SF geführt. Bei der Variante nach der Fig. 9 ergibt sich bei zunehmendem Radius R (R1, R2) ein zunehmender Winkel ϕ (ϕ1, ϕ2) am Eingang der Lichtleitfaser SF; bei der Variante nach der Fig. 10 ergibt sich bei zunehmendem Radius R (R1 = 0, R2) ein abnehmender Winkel ϕ (ϕ2, ϕ1).

In der Fig. 11 ist eine Ausführungsform des optischen Sensors zur linearen Bildabtastung gezeigt, bei der im oberen Teil ein GRIN-Prisma mit einer Linse kombiniert ist und im unteren Teil diese beiden Elemente in einem Bauelement GB integriert sind. Die zu untersuchenden Punkte auf dem Objekt OB sind den Koordinaten X1 und X2 zugeordnet.

Diesen Ausführungsformen nach den Fig. 9 bis 11 liegt fol­ gendes Prinzip zugrunde: Mittels der Elemente des optischen Systems (Axicon, Linsen oder GRIN-Prisma) werden die vom Ob­ jekt OB ausgehenden Lichtstrahlen auf eine oder mehrere weiterführende Lichtleitfasern SF gerichtet. Dabei werden die Ortsinformationen einzelner Punkte oder Linien auf der Ober­ fläche des Objekts OB umgesetzt in entsprechende Richtungs­ informationen der auf die Eintrittsfläche der Lichtleitfaser SF treffenden Lichtstrahlen. Diese Lichtstrahlrichtungen ent­ sprechen unterschiedlichen Moden, die sich in der Lichtleit­ faser SF mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ausbreiten. Bei Kurzzeitbelichtung der Oberfläche mittels Blitzlampe, Laser oder LED als Lichtquelle LQ erscheinen somit die Bild­ informationen in serieller Folge am Ende der Lichtleitfaser SF. Zur weiteren Signalaufbereitung ist beispielsweise ein opto­ elektronischer Aufnehmer mit nachgeschalteter Zeitquantisierung erforderlich. Vorteilhaft ist hier der Einsatz von Stufenindex­ fasern, weil diese die höchste Modendispersion haben. Um Moden­ mischung zu vermeiden, dürfen dabei jedoch nur vergleichsweise kurze Fasern mit Längen bis etwa 1 km eingesetzt werden.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Die Erfindung ist im Zusammenhang mit optischen Sensoren in Handhabungsautomaten anwendbar.

Claims (11)

1. Optischer Sensor zur Untersuchung der Lage und/oder der Kontur eines Objekts, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die vom Objekt (OB) reflektierten Lichtstrahlen einer Licht­ quelle (LQ) über ein optisches System (AX, L; GP; GB) auf einen optoelektronischen Aufnehmer (A) geführt sind, wobei
  • - die Stärke der auftretenden Lichtstrahlen unabhängig von der Lage und der Kontur des Objekts (OB) ist und die In­ formation über das Objekt (OB) richtungsselektiv aus dem Einfallswinkel der Lichtstrahlen auf den optoelektronischen Aufnehmer (A) gewonnen wird.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• - das optische System (AX, L; GP; GB) ein Axicon (AX) in Form eines Kegels, dessen Kegel-Mantelflächen zum untersuchten Objekt (OB) zeigen, enthält.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß

• - der optoelektronische Aufnehmer (A) aus zwei in der Richtung der Lichtstrahlen hintereinandergeschalteten Fotodetektoren (F1, F2) mit zwischengeschalteter Strahlenteilerplatte (ST) besteht.

4. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß

• - der optoelektronische Aufnehmer (A) mindestens eine licht­ leitende Stufenindexfaser (SF) ist, in der sich Laufzeit­ unterschiede aufgrund des Einfallswinkels der Lichtstrahlen ergeben.

5. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß

• - der optoelektronische Aufnehmer (A) eine Fotodiodenzeile bzw. ein CCD-Zeilensensor ist, dem ein optisches System, bestehend aus
  • - einer Linse (L),
  • - einer Verkleinerungslinse (VL),
  • - einem Kollimator (K)
  • - einem GRIN-Prisma (GP) und
  • - einer Fokussierungslinse (FL),

vorgeschaltet ist.

6. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß

• - der optoelektronische Aufnehmer (A) eine Fotodiodenzeile bzw. ein CCD-Zeilensensor ist, dem ein optisches System, bestehend aus
  • - einem Axicon (AX),
  • - einem GRIN-Prisma (GP) und
  • - einer Fokussierungslinse (FL),

vorgeschaltet ist.

7. Optischer Sensor nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß

• - die Linsen und Prismen des optischen Systems Bestandteil eines einstückigen GRIN-Bauelementes (GB) sind.

8. Optischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• - zur Ermittlung von Ortsinformationen auf der Kontur des zu untersuchenden Objekts (OB) die Lichtquelle (LQ) Licht­ impulse aussendet und daß
• - dem optoelektronischen Aufnehmer (A) eine Elektronik zur zeitquantisierten Auswertung der empfangenen Lichtströme nachgeschaltet ist.

9. Optischer Sensor nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• - die Lichtquelle ein Laser ist.