EP1290464A1 - Verfahren und vorrichtung zur optoelektronischen positionsbestimmung eines gegenstandes - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur optoelektronischen positionsbestimmung eines gegenstandes

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EP1290464A1
EP1290464A1 EP01940480A EP01940480A EP1290464A1 EP 1290464 A1 EP1290464 A1 EP 1290464A1 EP 01940480 A EP01940480 A EP 01940480A EP 01940480 A EP01940480 A EP 01940480A EP 1290464 A1 EP1290464 A1 EP 1290464A1
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EP
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radiation
radiation sources
measuring
evaluation unit
sensor
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EP01940480A
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Gerd Reime
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    • G01S5/16—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using electromagnetic waves other than radio waves
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    • G01S7/497—Means for monitoring or calibrating

Definitions

  • the invention relates to a method for optoelectronic position determination of an object according to the preamble of claim 1 and a device for carrying out the method according to the preamble of claim 3.
  • the device there is preferably used for the detection of water drops on a glass pane, it being possible for a windshield wiper to be controlled as a function of the drops determined.
  • two measuring sections are set up between a radiation source and a radiation receiver. While the radiation source emits the radiation, the radiation receiver determines the reflection reflected on surfaces or objects. The two measuring sections are operated periodically and alternately via a clock generator. The detection signals determined by the radiation receiver are filtered and broken down again into the detection signals assigned to the individual measuring sections in a synchronous demodulator controlled by the clock generator. A useful signal is determined from this in a comparator and used as a measure of the wetting that has taken place.
  • a useful signal U (t) of zero results.
  • the useful signal is fed to a signal centering stage. Depending on whether there is a control voltage at the output or not, this control voltage is then used to regulate the amount of radiation radiated into the measuring sections, so that the detection signal is readjusted as a function of a time constant. This makes it possible to to detect cal changes in the sensor-active area of the measuring arrangement, while at the same time reliable extraneous light compensation takes place.
  • a method for optoelectronic detection of the angular position of a measurement object is known from DE 43 32 022 C2.
  • the angle refers to the rotation about an axis that is perpendicular to the plane in which the optical axis of the receiver and the at least two light sources lie.
  • the present invention seeks to provide a method and a device that can easily and inexpensively detect the position and / or movement of an object in an optoelectronic manner.
  • optoelectronic measuring sections are provided, into which a certain radiation is radiated, with the retroreflection from a radiation receiver likewise being used here is recorded.
  • External light compensation can preferably be provided so that the method and device can also be operated under any external light conditions.
  • the initial values from the measurement sections should be separately detectable and the spatial relationships between radiation sources and radiation receivers should be fixed. It is thus possible to use the measured values of individual measuring sections for determining the position as well as for determining the movement of an object which is moving in the sensor-active area of the measuring arrangement. Due to the spatially separated arrangement of the radiation sources, the object always has clearly defined ratios of the retroreflection retroreflected from the two measurement sections to determine the position and / or the movement of the object. This ratio is initially independent of how strongly the object reflects the radiation. In addition, the location of the object that generates the strongest retroreflection, which is usually the closest to the measuring arrangement, is always determined.
  • a corresponding device for determining a clear result can be improved by providing at least one further radiation source. If there are over-determined equations, the solutions drop out in which the object should be inside the measuring arrangement or below or behind the measuring arrangement.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a device according to the invention
  • Fig. 3.2 the course of the useful signal when, for example, a cloth on the
  • FIG. 4b the course of the differentiated movement signal U ⁇ t) when the first sensor-active area is tapped
  • 4c the course of the useful signal U (t) when a finger is removed from the first sensor-active area
  • FIG. 4d the course of the differentiated movement signal U ⁇ t) when a finger is removed from the first sensor-active area
  • FIG. 4e the course of the useful signal U ( t) when tapping the second sensor-active
  • FIG. 4f the course of the differentiated movement signal U ⁇ t) when the second sensor-active area is tapped
  • FIG. 4g the course of the useful signal U (t) when a finger is removed from the second sensor-active area
  • FIG. 4h shows the course of the differentiated movement signal U ⁇ (t) when a finger is removed from the second sensor-active area
  • FIG. 5a shows the course of the measurement signal when the first sensor-active area is swept
  • 5b shows the curve of the output signal of the first threshold switch in the in
  • FIG. 5a shows the situation
  • FIG. 6 shows the course of the values U 20 (t), U R (t), and U B (t 0 ),
  • the exemplary embodiments show different configurations of an optoelectronic device for determining the position of an object 50 by means of a measuring arrangement which is separated from the object 50 by a medium 31, 52 which is transparent to at least one specific radiation.
  • the device is equipped with at least two light-emitting radiation sources 1, 3, 57 and at least one radiation receiver 2.
  • the radiation receiver 2 transmits its signals, the value of which depends on the amount of light received, to an evaluation unit 55.
  • Radiation sources 1, 3, 57 and radiation receiver 2 can be arranged in such a way that the light coming from the transmission element is scattered or reflected by objects which are within a specific sensor-active region S in such a way that at least a part of the latter is scattered or reflected.
  • tated light reaches the radiation receiver 2 as retroreflection 53.
  • the change in the amount of reflected or scattered light received by the radiation receiver caused by a movement of the object thus causes a change in the state of the output values.
  • At least two light-emitting diodes 1, 3 are arranged as a radiation source under a glass plate 31, the radiation of which, here light, can at least partially be reflected on the glass plate 31 as a transmission element, also penetrate it and, after reflection or scattering, partially on the object 50 the photodiode 2 strikes as a radiation receiver.
  • the glass plate 31 and the ambient air 52 are therefore two media that are permeable to a specific radiation. Basically, only a medium is sufficient, which can not only be solid or gaseous, but also a liquid. However, a plurality of media can also be provided which are transparent to the respective radiation.
  • the light of the light emitting diodes 1,3 is reflected on a finger as the object 50.
  • a photodiode or a correspondingly connected light-emitting diode can serve as radiation source 2.
  • the glass plate or another surface should be transparent to light or radiation at least in a certain wavelength range.
  • the light from the light-emitting diode 1 is only partially reflected on the glass plate 31 and thus emerges into the outside space, whereby it is again reflected by an object 50, here a finger, and can thus be partially scattered back into the photodiode 2.
  • the two light-emitting diodes 1, 3 are supplied with voltage by means of a clock generator 13, the signal of one of the two light-emitting diodes being inverted. If the light output of the LEDs is uniform and if the reflection is exactly symmetrical, or if the brightness of at least one of the two LEDs is suitably regulated (see below), a DC voltage signal is present at the output of photodiode 2, which, in order to eliminate DC voltage and low-frequency AC components, has a high pass 32 is supplied.
  • the high pass 32 whose cut-off frequency lies below the frequency of the clock generator 13, only allows alternating components to pass through, so that with a corresponding output power of the light-emitting diodes 1, 3, the signal fed to the amplifier 4 becomes “0”. With this arrangement, influences from extraneous light sources become locked out.
  • This signal, filtered in this way, is fed to a synchronous demodulator 5 after the amplifier 4.
  • the synchronous demodulator 5 receives its clock signal from the frequency generator 13, this clock signal by the delay element 15 for adaptation to the signal delay times can be delayed accordingly in the high pass 32 and in the amplifier 4.
  • the synchronous demodulator 5 divides the signal of the light sources 1 and 3 common in the signal path of the light receiver 2, the high-pass filter 32 and the amplifier 4 again into two separate paths corresponding to the respective measuring paths x, y.
  • the signal sections cut out by the synchronous demodulator 5 are cleaned of interfering spectral ranges in the low-pass filters 6 and 7 and fed to the comparator 9.
  • the comparator 9 consists of a simple operational amplifier.
  • the useful signal U (t) can also be fed to the signal centering stage 11 via a low pass 10 for dynamic measurement.
  • the output of the signal centering stage 11, at which the voltage U R (t) is present, is connected to the controller 12, or, via the inversion stage 61, to the inverted controller 12 ' .
  • only one of the two radiation sources can be controlled, but this is at the expense of eliminating temperature and aging influences on the useful signal U R (d).
  • This arrangement ensures that the useful signal changes when the reflection of the light beam emitted by the light-emitting diode 1 changes, but is always returned to the zero value.
  • the time constant for this feedback is determined in the exemplary embodiment by the low-pass filter 10. This allows the dynamic movement of an object to be determined.
  • the device thus forms a measuring arrangement that can determine the position and / or movement of the object 50. If the object is or is moving in the sensor-active area S, it produces a more or less strong retroreflection 53. This retroreflection is more or less strong, depending on the reflection properties of the object 50, the initial value U R (t), that is to say the ratio The two measuring sections to one another and their difference value U R (d) are not affected by this.
  • the position of the object can be determined from the initial value U R (t) or the difference value U R (d) the family of curves g ⁇ g, g " (FIG. 7) can be determined.
  • the movement of the object in relation to the radiation sources 1, 3 can also be detected by means of the circuit 60 to be described. If the dynamic detection is not required, the low-pass filter 10, the signal centering stage 11 and the signal evaluation in the form of the circuit 60 can be omitted; consequently U (t) becomes U R (t).
  • the useful signal U R (d) results in zero if the object 50 is located in front of the receiver in such a way that the same reflection from both measurement sections is scattered back.
  • this is a position on the straight line g in FIG. 7 by the radiation receiver 2.
  • the straight line g is part of a plane, whose normal is that straight line and which is also the plane of symmetry with respect to the radiation sources 1, 3.
  • the useful signal U (t) changes briefly depending on the direction of movement toward positive or negative values with respect to the reference voltage 19.
  • a one-dimensional movement can be detected, for example in a horizontal version for the position detection of bottles on a running rail in a bottling plant.
  • at least one third radiation source 57 can be provided according to FIG. Together with another radiation source
  • the second measuring arrangement could be constructed completely independently of the first measuring section and have two separate radiation sources and a separate radiation receiver.
  • the measuring sections can be sequential or at the same time, e.g. with different wavelengths. Both measuring arrangements each deliver an angle curve (eg g, g ⁇ g "), at the intersection of which the object 50 is located in a plane projection.
  • the second measuring arrangement for detecting the spatial position of an object 50 can be at almost any distance that is> 0 , up to the measurement range limit for the first measurement arrangement, namely with two measurement arrangements, whether they are nested or not, the angles of the object can be calculated, in which the object is in relation to the straight line through the radiation source and radiation receiver at least one further radiation source or measuring arrangement is to be provided, which, however, could also be formed in FIG. 2 by appropriate wiring using the measuring path z and the other measuring paths y or x.
  • the third radiation source 57 is arranged outside the plane e ⁇ e, in which the first two radiation sources 1, 3 and the radiation receiver
  • the third radiation source or the further measuring arrangement can be at any angle from 0 ° to 360 ° to the first measuring arrangement; in some circumstances, only an angle of 180 ° provides no further usable results. If at least this third radiation source 57 is arranged such that its main radiation component is not emitted normally to the plane e-e in which the first two radiation sources 1, 3 and the radiation receiver 2 are arranged, the measurement result can be clearly determined. In principle, further radiation sources and / or radiation receivers can also be provided.
  • the angular curve of the object with respect to at least two straight lines, which are each laid through the radiation receiver and radiation source is determined as follows: Emitting the determined radiation by means of the radiation sources 1, 3.57,
  • the evaluation unit 55 determining the position of the object by the evaluation unit determining a specific angular curve of the object with respect to the radiation sources 1, 3 from the output values and thus from the ratio of the measured values determined and / or their difference value, 57 determined with a known spatial ratio of the radiation sources to one another.
  • Certain measured value ratios can also be stored in a database 56 in order to convert non-linear angular relationships into position-corrected initial values.
  • U (t) is additionally used, for example in order to recognize whether an object is approaching, for example, the glass surface 31 and thus initially activating the measuring arrangement, or, for example, activating an illumination device .
  • the position or movement is then detected and as soon as the object 50, such as a finger, for example, moves away from the glass surface, the device is switched off again.
  • This object can be achieved with the circuit 60 described below, which is known per se, but not for this purpose, from the earlier patent application 100 01 955.2. Further embodiments are also explained there, for the sake of simplicity, however, only one embodiment of this type for detecting a movement pattern corresponding to a switching operation is described, a distinction being made again between U (t) and U R (t):
  • Figs. 3.1, 3.2, 4 the useful signal U (t) emitted by the sensor device described above is shown in different situations. 4a, the useful signal U (t) is plotted when the sensor-active area S is tapped. A switching operation is to be triggered by such a signal. In Figs. 3.1 and 3.2, useful signal curves are plotted, as they occur when sweeping once or wiping back and forth across the sensor-active area S. Such signal profiles should not trigger a switching process. This goal is achieved as follows (Fig. 1):
  • the useful signal U (t) is fed to the high-pass filter 16, which acts here as a differentiating element, so that the value U ⁇ t) of the differentiated motion signal is present at its output.
  • the value U (t) of the useful signal increases analogously to move slowly and stops abruptly when the finger is braked on the glass plate 31, see FIG. 4a. If the finger remains motionless, the value U (t) of the useful signal is slowly returned to U 0 .
  • the abrupt change in the value of the useful signal leads to a jump in the movement signal value U ⁇ (t) at the output of the high-pass filter 16, see FIG. 4b.
  • the cut-off frequency of the high-pass filter 16 is selected such that tapping at a moderate speed still leads to a signal that is easy to detect.
  • the cut-off frequency could, for example, be in the range of 10 Hertz.
  • a signal generated from the useful signal namely the motion signal obtained by differentiation, is used, which triggers a first process when its value U ⁇ (t) exceeds a certain limit value U G1 .
  • the useful signal is used directly and triggers a process - change in the state of the flip-flop - when the value U (t) of the useful signal exceeds or falls below a certain value.
  • the output of the threshold switch 34 is connected to the reset input of the flip-flop 82, so that in the event of an overwipe or the like which has set the flip-flop 82 to active, it is reset to zero a short time later.
  • the output signal of the flip-flop 82 is fed to the time detection circuit 33.
  • This circuit is set so that its output is only set to active when the flip-flop 82 is on. less than a predetermined time ⁇ t ⁇ , for example 100 ms, was active.
  • This predetermined first time period ⁇ ti corresponds approximately to the usual minimum dwell time of a finger, a hand or another part of the body when a switch designed as an electrical switching element is tapped.
  • the output of the time detection circuit 33 is connected to the set input of the second flip-flop 18. If the sensor-active surface is deliberately tapped, the output of the second flip-flop 18 is thus set to active, since here the time between setting the first flip-flop 82 and resetting this flip-flop is greater than ⁇ ti, in other words: the finger remains longer than ⁇ t 1 on the sensor-active surface 26. However, in the case of movements which are not intended to trigger a switching operation - for example wiping with a cloth - the time between setting and resetting the first flip-flop 82 is less than ⁇ ti, so that these movements are therefore not for setting the second flip-flop 18 lead. By tapping the sensor-active surface, the state of the second flip-flop 18 is changed in a controlled manner.
  • the output of the flip-flop 18 can also be connected to a switching output 23, for example a relay, which, for example; used in conjunction with the value at output 59 to control or operate a device.
  • the circuit 60 thus recognizes the following movement pattern: approaching an object - abrupt braking of the object r persistence of the object for a period of time which exceeds a predetermined period of time. If this movement pattern is recognized, the switching state of a switching element, here of the second flip-flop 18, is changed. The movement of the object can then be detected with the circuit explained at the beginning on the basis of the output values U (t), U R (t), for example in order to achieve an adjustment movement of a device - for example temperature setting of a hotplate.
  • the second flip-flop 18 set by tapping the sensor-active surface 26 will be reset by deliberately removing the finger. This then results in the function of a button.
  • the instantaneous value of the control signal U R (t) present at the output of the signal centering stage 11 is sampled and stored at a point in time at which the approximate object is still just in front of the user interface. In order to achieve this in the exemplary embodiment, this signal is fed to the delay circuit 20.
  • the voltage value U 20 present at the output of the delay circuit 20 is stored in the memory 21 at the point in time t 0 at which a signal is present at the output of the first threshold switch 17, that is to say at the point in time at which the first threshold switch 17 taps recognized.
  • the signal present at the output of the signal centering stage 1 1 can be multiplied by a value less than 1 and this value can be stored.
  • the circuit 60 thus has the following advantages:
  • the measured values U (t) and thus the initial value 23 and the measured value U R (d) can be through a glass plate - a plate made of another material can of course also be used here, it only has to be transparent for the selected spectral range - Be obtained when the transmitting and receiving elements located behind the glass plate. The movement or the approaching or tapping of an object, for example a finger, on the plate side opposite the transmitting elements is then detected.
  • the position - relative to the light emitting diodes serving as radiation sources and the photodiode serving as radiation receiver - and the shape of the radiation-transmissive plate can be freely selected in a wide range.
  • the measured values U (t) and thus the initial value 23 and the measured value U R (d) can also be obtained without an insulating glass pane, even if, for example, the radiation sources radiate almost parallel to a plate or surface.
  • the approaching or tapping of this surface is detected by means of the evaluation 60, the local position of the object, for example the finger, is represented by the measured value U R (d).
  • the arrangement is "blind" to extraneous light, so that the arrangement can be operated under strongly changing external lighting conditions.
  • the evaluation unit 55 and / or the circuit 60 determine the distance of the object 50 from the measuring arrangement. If the distance is less than a specified distance, e.g. Illumination of a switch or a display switched on. If the item is e.g. around a person's finger or hand, a switching operation can now be activated in the following - as just described - by tapping the now illuminated surface, which is deactivated again when the finger is lifted off. In addition, between activation and deactivation, a certain movement can be detected as above.
  • a specified distance e.g. Illumination of a switch or a display switched on.
  • the radiation sources A / C / A / D and B / C / B / D together with the radiation receivers E1 or E2 or E1 together with E2 can form a first measurement arrangement.
  • a second measuring arrangement is formed from the radiation sources A / C / B / C and A / D / B / D together with the radiation receiver E2 or E1 or E2 together with E1.
  • Both measurement arrangements can now work sequentially, so that the four radiation sources together with their radiation receivers already form two measurement arrangements nested inside one another.
  • This measuring arrangement is particularly suitable for vertical measurement through a glass plate, whereby the following arrangement can be selected in the case of a measuring arrangement without an insulating glass plate: radiation sources A / C and B / C form a measuring arrangement together with the radiation receiver E1 between them, the second measuring arrangement is made with the radiation sources A / C and A / D are formed together with the radiation receiver E2 located between them.
  • the position or the movement e.g. of a finger can be detected on any surface, provided that the finger is in the detection range of the measuring arrangements.
  • first and second measuring arrangement are arranged offset by 90 ° to one another, as in FIG.
  • the only important thing is that they are offset from one another by a certain amount, or are arranged rotated, except for the position in which they are exactly rotated by 180 °.
  • FIG. 9 A further embodiment of a measurement arrangement is shown in FIG. 9: the radiation transmitters A / C / A / D and B / C / B / D together with the radiation receiver E form a first measurement arrangement, the second measurement arrangement is carried out by the radiation transmitters A / C / B / C and A / D / B / D formed together with the radiation receiver E.
  • the radiation receiver E is therefore used in common for both measuring arrangements, which is not a problem due to a corresponding clocking of the radiation sources and corresponding synchronous demodulation of the signal of the radiation receiver E.

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Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung dienen zur optoelektronischen Positionsbestimmung eines Gegenstands (50) mittels einer Messanordnung, die vom Gegenstand (50) durch ein für wenigstens eine bestimmte Strahlung durchlässiges Medium (31, 52) getrennt ist. Die Messanordnung umfasst zumindest einen sensoraktiven Bereich (S) im Medium mit wenigstens zwei Messstrecken (x, y), die durch wenigstens zwei die bestimmte Strahlung abstrahlende Strahlungsquellen (1, 3) und wenigstens einen den Strahlungsquellen zugeordneten Strahlungsempfänger (2) aufrecht erhalten sind, der die vom Gegenstand (50) reflektierte Rückstrahlung (53) zur Erzeugung eines der empfangenen Strahlung entsprechenden Detektionssignal ermittelt. Mittels der Strahlungsquellen (1, 3) wird eine bestimmte Strahlung ausgesandt und die vom Gegenstand (50) reflektierte Rückstrahlung (53) wird erfasst, um daraus den einzelnen Messstrecken Ausgangswerte (U(t), UR(d)) zuzuordnen. Dadurch dass eine Auswerteeinheit (55) die Position und/oder Bewegung des Gegenstandes (50) dadurch bestimmt, dass sie aus dem Ausgangswert (UR(t), UR(d)) eine bestimmte Winkelkurve des Gegenstands gegenüber den Strahlungsquellen (1, 3, 57) bei bekanntem räumlichen Verhältnis der Strahlungsquellen zueinander ermittelt, kann auf optoelektronische Weise einfach und günstig die Position und/oder Bewegung eines Gegenstandes erfasst werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur optoelektronischen Positionsbestimmung eines Gegenstandes.
Beschreibung
Bezug zu verwandten Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 100 24 156.5, hinterlegt am 19.05.2000, deren Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optoelektronischen Positionsbestimmung eines Gegenstandes nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruches 3.
Stand der Technik
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der EP 0 706 648 B1 bekannt. Die dortige Vorrichtung wird vorzugsweise zur Detektion von Wassertropfen auf einer Glasscheibe eingesetzt, wobei in Abhängigkeit der ermittelten Tropfen ein Scheibenwischer angesteuert werden kann. Zu diesem Zweck werden zwei Messstrecken zwischen einer Strahlungsquelle und einem Strahlungsempfänger aufgebaut. Während die Strah- lungsquelle die Strahlung aussendet, ermittelt der Strahlungsempfänger die an Oberflächen oder Gegenständen reflektierte Rückstrahlung. Die beiden Messstrecken werden über einen Taktgenerator zeitabschnittsweise und wechselweise betrieben. Die vom Strahlungsempfänger ermittelten Detektionssignale werden gefiltert und in einem vom Taktgenerator angesteuerten Synchrondemodulator wieder in die den einzelnen Messstrecken zugeord- neten Detektionssignale zerlegt. In einem Komparator wird daraus ein Nutzsignal ermittelt, das als Maß für die erfolgte Benetzung herangezogen wird. Findet auf beiden Messstrek- ken eine gleichmäßige Reflexion statt, so ergibt sich ein Nutzsignal U(t) zu Null. Das Nutzsignal wird einer Signalzentrierstufe zugeführt. Je nachdem, ob an deren Ausgang eine Regelspannung anliegt oder nicht, wird mit dieser Regelspannung dann die in die Mess- strecken eingestrahlte Strahlungsmenge geregelt, so dass sich in Abhängigkeit einer Zeitkonstante eine Rückregelung des Detektionssignals ergibt. Damit ist es möglich, dynami- sche Änderungen im sensoraktiven Bereich der Messanordnung zu erfassen, wobei gleichzeitig eine zuverlässige Fremdlichtkompensation stattfindet.
Aus der älteren Patentanmeldung 100 01 955.2 ist es ferner bekannt, das Nutzsignal so auszuwerten, dass sich daraus ein Bewegungsmuster erkennen lässt, wie es z.B. bei einer Schaltbewegung stattfindet. Zum Beispiel kann als Bewegungsmuster erkannt werden, dass ein Finger eine Schaltfläche antippt, dort abbremst und innerhalb einer bestimmten Zeit die Schaltfläche wieder verlässt. Auch hierzu wird das Nutzsignal U(t) herangezogen.
Aus der DE 43 32 022 C2 ist ein Verfahren zum optoelektronischen Erfassen der Winkellage eines Messobjekts bekannt. Der Winkel bezieht sich auf die Drehung um eine Achse, die senkrecht auf der Ebene steht, in der die optische Achse des Empfängers und die wenigstens zwei Lichtquellen liegen. Bei dieser Anordnung kann also nur eine bestimmte Winkellage gemessen werden, wobei ferner Voraussetzung ist, dass das Objekt eine be- stimmte Anordnung zur optischen Achse des Empfängers einnimmt. Damit lässt sich die Bewegung und/oder Position des Objekts nicht frei bestimmen.
Aus den DE 35 26 992 C2 und DE 198 05 959 A1 sind Lichtschrankenanordnungen bekannt, die unter anderem mit Signallängendiskriminatoren ausgestattet sind. Diese Diskri- minatoren besitzen jedoch verhältnismäßig lange Verzögerungszeiten (10 Sekunden, bzw. 0,1 bis 0,6 Sekunden), da zwar eine Art Fremdlichkompensation vorgesehen ist, das Eingangssignal jedoch nicht vollständig vom Fremdlicht befreit werden kann. Daher muss zur Sicherheit eine längere Verzögerungszeit gewählt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die auf optoelektronische Weise einfach und günstig die Position und/oder Bewegung eines Gegenstandes erfassen kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 3 gelöst.
Hierzu sind optoelektronische Messstrecken vorgesehen, in die eine bestimmte Strahlung eingestrahlt wird, wobei hier ebenfalls die Rückstrahlung von einem Strahlungsempfänger erfasst wird. Vorzugsweise kann eine Fremdlichtkompensation vorgesehen sein, damit Verfahren und Vorrichtung auch bei beliebigen Fremdlichtverhältnissen betrieben werden können. Im übrigen sollten die aus den Messstrecken stammenden Ausgangswerte für sich gesondert erfassbar sein und die räumlichen Verhältnisse zwischen Strahlungsquellen und Strahlungsempfänger sollten feststehend sein. So ist es möglich, die Messwerte einzelner Messtrecken zur Positionsbestimmung als auch zur Bestimmung der Bewegung eines Gegenstandes einzusetzen, der sich im sensoraktiven Bereich der Messanordnung bewegt. Durch die räumlich getrennte Anordnung der Strahlungsquellen ergeben sich für den Gegenstand damit stets eindeutig bestimmte Verhältnisse der aus den beiden Messstrecken vom Gegenstand rückgestrahlten Rückstrahlung zur Bestimmung der Position und/oder der Bewegung des Gegenstands. Dieses Verhältnis ist zunächst davon unabhängig, wie stark der Gegenstand die Strahlung reflektiert. Ergänzend wird stets die Stelle des Gegenstandes ermittelt, die die stärkste Rückstrahlung erzeugt, die also meist am nächsten an der Messanordnung liegt.
Insbesondere nach den Ansprüchen 5 und 6 kann eine entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung eines eindeutigen Ergebnisses noch dadurch verbessert werden, dass wenigstens eine weitere Strahlungsquelle vorgesehen wird. Sollte es dabei zu überbestimmten Gleichungen kommen, so fallen die Lösungen heraus, bei denen sich der Gegenstand in- nerhalb der Messanordnung oder unterhalb bzw. hinter der Messanordnung befinden sollte.
Kurzbeschreibung der Figuren
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels an den beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2a ein zweites Ausführungsbeispiel der Messanordnung,
Fig. 3.1 den Verlauf des Messsignals beim Überstreichen des ersten sensoraktiven Bereichs,
Fig. 3.2 den Verlauf des Nutzsignals, wenn beispielsweise ein Tuch auf der
Glasplatte rasch hin und her bewegt wird, Fig. 4a den Verlauf des Nutzsignals U(t) beim Antippen des ersten sensoraktiven
Bereichs, Fig. 4b den Verlauf des differenzierten Bewegungssignals U^t) beim Antippen des ersten sensoraktiven Bereichs, Fig. 4c den Verlauf des Nutzsignals U(t) beim Wegnehmen eines Fingers vom ersten sensoraktiven Bereichs, Fig. 4d den Verlauf des differenzierten Bewegungssignals U^t) beim Wegnehmen eines Fingers vom ersten sensoraktiven Bereichs, Fig. 4e den Verlauf des Nutzsignals U(t) beim Antippen des zweiten sensoraktiven
Bereichs, Fig. 4f den Verlauf des differenzierten Bewegungssignals U^t) beim Antippen des zweiten sensoraktiven Bereichs, Fig. 4g den Verlauf des Nutzsignals U(t) beim Wegnehmen eines Fingers vom zweiten sensoraktiven Bereichs,
Fig. 4h den Verlauf des differenzierten Bewegungssignals Uι(t) beim Wegnehmen eines Fingers vom zweiten sensoraktiven Bereichs, Fig. 5a den Verlauf des Messsignals beim Überstreichen des ersten sensoraktiven
Bereichs, Fig. 5b den Verlauf des Ausgangssignals des ersten Schwellwertschalters in der in
Fig. 5a dargestellten Situation, Fig. 6 den Verlauf der Werte U20(t), UR(t), sowie UB(t0),
Fig. 7 Linien gleicher Signalstärke bei zwei Strahlungsquellen,
Fig. 8, 9 verschiedene, schematische Messanordnungen in Draufsicht.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird jetzt beispielhaft unter bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Allerdings handelt es sich bei den Ausführungsbeispielen nur um Beispiele, die nicht das erfinderische Konzept auf eine bestimmte Anordnung beschränken sollen.
Die Ausführungsbeispiele zeigen verschieden Ausgestaltungen einer optoelektro-nischen Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Gegenstands 50 mittels einer Messanordnung, die vom Gegenstand 50 durch ein für wenigstens eine bestimmte Strahlung durchlässiges Medium 31 ,52 getrennt ist. Die Vorrichtung ist mit wenigstens zwei Licht emittierenden Strahlungsquellen 1 ,3,57 und wenigstens einem Strahlungsempfänger 2 ausgerüstet. Der Strahlungsempfänger 2 gibt seine Signale, deren Wert von der empfangenen Lichtmenge abhängt, an eine Auswerteeinheit 55 weiter. Strahlungsquellen 1 ,3,57 und Strahlungsempfänger 2 können so angeordnet sein, dass das vom Sendeelement kommende Licht von Gegenständen, die sich innerhalb eines bestimmten sensoraktiven Bereichs S befinden, derart gestreut oder reflektiert wird, dass zumindest ein Teil dieses gestreuten oder reflek- tierten Lichtes als Rückstrahlung 53 in den Strahlungsempfänger 2 gelangt. Damit verursacht die durch eine Bewegung des Gegenstands verursachte Änderung der vom Strahlungsempfänger empfangenen Menge an reflektiertem oder gestreuten Licht eine Zustand- sänderung der Ausgangswerte.
In Figur 1 sind unter einer Glasplatte 31 wenigstens zwei Leuchtdioden 1 ,3 als Strahlungsquelle angeordnet, deren Strahlung, hier Licht, zumindest teilweise an der Glasplatte 31 als Transmissionselement reflektiert werden kann, diese auch durchdringt und nach Reflexion bzw. Streuung am Gegenstand 50 teilweise auf die Photodiode 2 als Strahlungsempfänger auftrifft. Damit sind die Glasplatte 31 als auch die Umgebungsluft 52 zwei für eine bestimmte Strahlung durchlässige Medien. Grundsätzlich genügt nur ein Medium, das nicht nur fest oder gasförmig, sondern auch eine Flüssigkeit sein kann. Es können aber auch mehrere Medien vorgesehen sein, die für die jeweilige Strahlung durchlässig sind.
In Fig. 1 wird das Licht der Leuchtdioden 1,3 an einem Finger als Gegenstand 50 reflektiert. Als Strahlungsquelle 2 kann eine Photodiode oder eine entsprechend beschaltete Leuchtdiode dienen. Die Glasplatte oder eine andere Oberfläche sollte für Licht, bzw. Strahlung zumindest in einem bestimmten Wellenlängenbereich durchlässig sein. Das Licht der Leuchtdiode 1 wird an der Glasplatte 31 nur teilweise reflektiert und tritt im übrigen somit in den Außenraum aus, wobei es wiederum von einem Gegenstand 50, hier einem Finger, reflektiert wird und somit teilweise in die Photodiode 2 zurückgestreut werden kann.
Die beiden Leuchtdioden 1 ,3 werden mittels eines Taktgenerators 13 mit Spannung versorgt, wobei das Signal einer der beiden Leuchtdioden invertiert wird. Bei gleichmäßiger Leuchtleistung der Leuchtdioden und bei genauer symmetrischer Reflektion, beziehungsweise bei geeigneter Regelung der Leuchtstärke mindestens einer der beiden Leuchtdioden (s. unten) steht am Ausgang der Photodiode 2 ein Gleichspannungssignal an, welches, um Gleichspannungs- und niederfrequente Wechselanteile zu beseitigen, einem Hochpass 32 zugeführt wird. Der Hochpass 32, dessen Grenzfrequenz unterhalb der Fre- quenz des Taktgenerators 13 liegt, läßt nur Wechselanteile durch, so dass bei entsprechender Ausgangsleistung der Leuchtdioden 1 ,3 das dem Verstärker 4 zugeführte Signal zu „0" wird. Mit dieser Anordnung werden Einflüsse von Fremdlichtquellen ausgeschlossen.
Dieses so gefilterte Signal wird nach dem Verstärker 4 einem Synchrondemodulator 5 zu- geführt. Der Synchrondemodulator 5 erhält sein Taktsignal vom Frequenzgenerator 13, wobei dieses Taktsignal durch das Laufzeitglied 15 zur Anpassung an die Signallaufzeiten im Hochpass 32 und im Verstärker 4 entsprechend verzögert werden kann. Der Synchrondemodulator 5 teilt das im Signalweg des Lichtempfängers 2, des Hochpassfilters 32 und des Verstärkers 4 gemeinsame Signal der Lichtquellen 1 und 3 wieder auf zwei den jeweiligen Messstrecken x, y entsprechende getrennte Wege auf. Die vom Synchrondemodulator 5 herausgeschnittenen Signalabschnitte werden in den Tiefpassfiltern 6 und 7 von störenden Spektralbereichen bereinigt und dem Vergleicher 9 zugeführt. Im dargestellten Fall besteht der Vergleicher 9 aus einem einfachen Operationsverstärker. An den Ausgängen der jeweiligen Tiefpassfilter 6 und 7 stehen die den Lichtsendern und damit bei zwei Messstrecken den Messstrecken x, y entsprechende Ausgangswerte an. Im abgestimmten Zu- stand also zwei mal der Wert Null. Diese beiden Signale werden dem Vergleicher 9 zugeführt. Am Ausgang dieses Vergleichers liegt der Spannungswert U(t), das Nutzsignal an. Für eine reine Positionsbestimmung, hier mit den Messstrecken x,y eindimensional kann dieses Nutzsignal verwendet werden.
Das Nutzsignal U(t) kann zur dynamischen Messung noch über einen Tiefpass 10 der Signalzentrierstufe 11 zugeführt werden. Der Ausgang der Signalzentrierstufe 11 , an dem die Spannung UR(t) ansteht, ist mit dem Regler 12, bzw. über die Invertierungsstufe 61 mit dem invertiert arbeitenden Regler 12' verbunden. Alternativ kann auch nur eine der beiden Strahlungsquellen geregelt werden, dies geht jedoch zu Lasten der Eliminierung von Tem- peratur- und Alterungseinflüssen auf das Nutzsignal UR(d). Durch diese Anordnung wird erreicht, das sich das Nutzsignal zwar bei einer Änderung der Reflektion des von der Leuchtdiode 1 ausgesandten Lichtstrahls ändert, jedoch stets wieder auf den Nullwert zurückgeführt wird. Die Zeitkonstante für dieses Zurückführen wird im Ausführungsbeispiel durch den Tiefpassfilter 10 bestimmt. Damit lässt sich die dynamische Bewegung eines Gegenstands bestimmen.
Die bisher beschriebene Anordnung ist auch aus der WO 95/01561 bzw. der EP 0 706 648 B1 bekannt. Sie wurde dort insbesondere zur Detektion von Wassertropfen auf der Glasscheibe vorgeschlagen und bildet im Wesentlichen hier eine Vorrichtung 54 zur Fremdlicht- kompensation, die grundsätzlich auch auf andere Art und Weise gebildet werden kann.
Gemäß Fig. 7 ergeben sich ausgehend von den Strahlungsquellen S1 ,S2 zunächst bei ebener Betrachtung konzentrische Kreise. Befindet sich nun ein Gegenstand auf der Geraden g, die im Wesentlichen - bei symmetrischer Anordnung der Strahlungsquellen zum Strahlungsempfänger E - durch den Strahlungsempfänger E geht, so ergibt sich auf beiden Messstrecken der selbe Messwert UR(t) und UR(f )und damit ein Ausgangswert UR(d) von Null. Dies ist in einem bestimmten Umfang unabhängig vom Abstand des Gegenstandes zum Strahlungsempfänger E und von den Reflexionseigenschaften des Gegenstands. Bewegt sich der Gegenstand aber z.B auf der Winkelkurve g' oder g", so ist entlang dieser Linien der Ausgangswert ebenfalls gleichbleibend, er unterscheidet sich jedoch vom Aus- gangswert entlang der Linie g in die eine (g1) oder andere (g") Richtung. Dadurch lässt sich eine feste Winkelkurve einem bestimmten Ausgangswert zuordnen.
Die Vorrichtung bildet damit eine Messanordnung, die die Position und/oder Bewegung des Gegenstands 50 bestimmen kann. Befindet sich oder bewegt sich der Gegenstand im sen- soraktiven Bereich S erzeugt er eine mehr oder weniger starke Rückstrahlung 53. Diese Rückstrahlung ist zwar je nach den Reflexionseigenschaften des Gegenstandes 50 mehr oder weniger stark, der Ausgangswert UR(t), also das Verhältnis der beiden Messstrecken zueinander bzw. deren Differenzwert UR(d) wird dadurch nicht beeinflusst. Da ferner die Messstrecken x, y zumindest hinsichtlich ihres Anfangspunktes (Strahlungsquellel ,3) und Endpunktes (Strahlungsempfängers 2) räumlich bestimmt sind, kann aus dem Ausgangswert UR(t), bzw. dem Differenzwert UR(d) die Position des Gegenstandes auf der Kurvenschar g\ g, g" (Fig.7) bestimmt werden.
Aufgrund der dynamischen Erfassung kann auch die Bewegung des Gegenstandes im< Verhältnis zu den Strahlungsquellen 1 ,3 mittels der noch zu beschreibenden Schaltung 60 erfasst werden. Wird die dynamische Erfassung nicht benötigt, kann das Tiefpassfilter 10, die Signalzentrierstufe 11 sowie die Signalauswertung in Form der Schaltung 60 entfallen; folglich wird dann U(t) zu UR(t).
Bei der in Fig. 1 dargestellten Messanordnung zur eindimensionalen Positionsbestimmung - lässt man zunächst die dynamische Auswertung außer Betracht - ergibt sich das Nutzsignal UR(d) zu Null, wenn sich der Gegenstand 50 so vor dem Empfänger befindet, dass aus beiden Messstrecken dieselbe Rückstrahlung rückgestreut wird. Bei gleichem Abstand der Strahlungsquellen 1 ,3 ist dies eine Position auf der Geraden g in Fig. 7 durch den Strah- lungsempfänger 2. Liegen zudem die Strahlungsquellen 1 ,3 und der Strahlungsempfänger auf einer Geraden, so ist die Gerade g Teil einer Ebene, deren Normale jene Gerade ist und die zugleich die Symmetrieebene bezüglich der Strahlungsquellen 1 ,3 ist. Wandert jetzt der Gegenstand in Fig. 1 von dieser Geraden g weiter nach links oder rechts, so ändert sich das Nutzsignal U(t) kurzfristig je nach Bewegungsrichtung hin zu positiven oder nega- tiven Werten gegenüber der Referenzspannung 19. Mit den zwei Messstrecken x, y ist eine eindimensionale Bewegung zu erfassen, zum Beispiel in einer waagerechten Ausführung für die Positionserkennung von Flaschen auf einer Laufschiene in einer Abfüllanlage. Zur Erfassung einer weiteren Dimension, zum Beispiel der Ortslage der Flasche auf einem planen Laufband, kann gemäß Fig.2 wenigstens eine dritte Strahlungsquelle 57 vorgesehen sein. Zusammen mit einer weiteren Strahlungsquelle
1 oder 3 bildet sie eine zweite eindimensionale Messanordnung mit der Messstrecke z. Ebenso könnte jedoch die zweite Messanordnung vollkommen autark von der ersten Messstrecke aufgebaut sein und zwei eigene Strahlungsquellen und einen eigenen Strahlungsempfänger aufweisen. Die Messstrecken können zeitsequentiell, beziehungsweise zeit- gleich, z.B. mit unterschiedlichen Wellenlängen, betrieben werden. Beide Messanordnungen liefern je eine Winkelkurve (z.B. g, g\ g"), an deren Schnittpunkt sich der Gegenstand 50 bei einer ebenen Projektion befindet. Die zweite Messanordnung zur Erfassung der räumlichen Lage eines Gegenstandes 50 kann in nahezu jedem Abstand, der > 0 ist, bis hin zur Messbereichsgrenze zur ersten Messanordnung angeordnet werden. Mit zwei Mes- sanordnungen, ob sie jetzt ineinander geschachtelt sind oder nicht, sind nämlich die Winkel des Gegenstands berechenbar, in dem der Gegenstand zu den Geraden durch Strahlungsquelle und Strahlungsempfänger steht. Zur dreidimensionalen Bestimmung ist wenigstens eine weitere Strahlungsquelle oder Messanordnung vorzusehen, die allerdings in Fig. 2 auch durch entsprechende Beschaltung unter Verwendung der Messstrecke z und der an- deren der Messstrecken y oder x gebildet sein könnte.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist die dritte Strahlungsquelle 57 außerhalb der Ebene e~ e angeordnet, in der die ersten beiden Strahlungsquellen 1 ,3 und der Strahlungsempfänger
2 angeordnet sind. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Grundsätzlich kann die dritte Strahlungsquelle oder die weitere Messanordnung in einem beliebigen Winkel von 0° bis 360° zur ersten Messanordnung stehen, lediglich ein Winkel von 180° liefert unter Umständen keine weiteren verwertbaren Ergebnisse. Wird zumindest diese dritte Strahlungsquelle 57 so angeordnet, dass ihr Hauptstrahlungsanteil nicht normal zu der Ebene e-e abgestrahlt wird, in der die ersten beiden Strahlungsquellen 1 ,3 und der Strahlungsemp- fänger 2 angeordnet sind, kann das Messergebnis eindeutig bestimmt werden. Grundsätzlich können auch weitere Strahlungsquellen und/oder Strahlungsempfänger vorgesehen werden.
Verfahrensgemäß wird die Winkelkurve des Gegenstands gegenüber wenigstens zwei Ge- raden bestimmt, die jeweils durch Strahlungsempfänger und Strahlungsquelle gelegt sind, wie folgt bestimmt: - Aussenden der bestimmten Strahlung mittels der Strahlungsquellen 1 ,3,57,
- Erfassen der vom Gegenstand 50 reflektierten Rückstrahlung 53,
- Bestimmen des Ausgangswerts und dessen Auswertung, wobei die Auswerteeinheit 55 die Position des Gegenstandes dadurch bestimmt, das die Auswerteeinheit aus den Ausgangswerten und damit aus dem Verhältnis der ermittelten Messwerte und/oder deren Differenzwert eine bestimmte Winkelkurve des Gegenstands gegenüber den Strahlungsquellen 1 ,3,57 bei bekanntem räumlichen Verhältnis der Strahlungsquellen zueinander ermittelt.
Bestimmte Messwertverhältnisse können auch in einer Datenbank 56 abgelegt sein, um nicht lineare Winkelbeziehungen in lagekorrigierte Ausgangswerte umzuwandeln.
Fig. 1 zeigt auch eine Weiterbildung, bei der ergänzend das Nutzsignal U(t) genutzt wird, um z.B. zu erkennen, ob sich ein Gegenstand z.B. der Glasfläche 31 nähert und damit zu- nächst die Messanordnung aktiv schaltet, bzw. z.B. eine Beleuchtungseinrichtung aktiviert. Sodann wird die Position bzw. Bewegung erfasst und, sobald sich der Gegenstand 50 wie z.B. ein Finger wieder von der Glasfläche entfernt, wird die Vorrichtung wieder abgeschaltet. Diese Aufgabe kann mit nachfolgend beschriebener Schaltung 60 gelöst werden, die an sich, jedoch nicht zu diesem Zweck aus der älteren Patentanmeldung 100 01 955.2 be- kannt ist. Dort sind auch weitere Ausführungsformen erläutert, der Einfachheit halber wird hier jedoch nur eine derartige Ausführungsform zur Erkennung eines einem Schaltvorgang entsprechenden Bewegungsmusters beschrieben, wobei auch wieder zwischen U(t) und UR(t) unterschieden wird:
In den Fign. 3.1 , 3.2, 4 ist das von der oben beschriebenen Sensoreinrichtung abgegebene Nutzsignal U(t) bei verschiedenen Situationen dargestellt. In Fig. 4a ist das Nutzsignal U(t) beim Antippen des sensoraktiven Bereichs S aufgetragen. Durch ein solches Signal soll ein Schaltvorgang ausgelöst werden. In den Fign. 3.1 bzw. 3.2 sind Nutzsignalverläufe aufgetragen, wie sie beim einmaligen Überstreichen bzw. beim Hin- und Herwischen über den sensoraktiven Bereich S auftreten. Solche Signalverläufe sollen keinen Schaltvorgang auslösen. Dieses Ziel wird wie folgt erreicht (Fig. 1):
Das Nutzsignal U(t) wird dem Hochpassfilter 16 zugeführt, der hier als Differenzierglied wirkt, so dass an dessen Ausgang der Wert U^t) des differenzierten Bewegungssignals ansteht. Bei einer Bewegung eines Gegenstands 50, beispielsweise eines Fingers, auf den sensoraktiven Bereich S der Glasplatte 31 hin, steigt der Wert U(t) des Nutzsignals analog zur Bewegung langsam an und bleibt abrupt stehen, wenn der Finger auf der Glasplatte 31 abgebremst wird, siehe Figur 4a. Bleibt der Finger unbewegt liegen, wird der Wert U(t) des Nutzsignals langsam wieder auf U0 zurück gerqgelt. Die abrupte Wertänderung des Nutzsignals führt am Ausgang des Hochpassfilters 16 zu einem Sprung des Bewegungssignal- werts Uι(t), siehe Fig. 4b. Dieses wird vom Schwellwertschalter 17 bei Überschreitung eines vorgegebenen im Beispiel negativen Wertes UG1 erkannt und der mit dem Set-Eingang des ersten FlipFlop 82 verbundene Ausgang des ersten Schwellwertschalters 17 wird auf aktiv gesetzt und somit das erste FlipFlop 82 gesetzt. Die Grenzfrequenz des Hochpassfilters 16 wird so gewählt, dass ein Antippen mit mäßiger Geschwindigkeit noch zu einem gut zu detektierenden Signal führt. Die Grenzfrequenz könnte beispielsweise im Bereich von 10 Hertz liegen.
In diesem Fall wird also ein aus dem Nutzsignal erzeugtes Signal, nämlich das durch Differentiation gewonnene Bewegungssignal verwendet, das einen ersten Vorgang auslöst, wenn dessen Wert Uι(t) einen bestimmten Grenzwert UG1 überschreitet. Es sind jedoch auch Schaltungsanordnungen und Anwendungsfälle denkbar, bei denen das Nutzsignal direkt herangezogen wird und einen Vorgang - Zustandsänderung des FlipFlops - auslöst, wenn der Wert U(t) des Nutzsignals einen bestimmten Wert über- oder unterschreitet.
Jede Bewegung, die schnell genug ist und den sensoraktiven Bereich S überstreicht, löst diesen Vorgang aus, d.h. der Ausgang des ersten FlipFlops 82 wird zunächst auf aktiv gesetzt. Dazu reicht auch ein Überwischen oder ähnliche Bewegungen aus, die jedoch nicht als willentlicher Schaltvorgang erkannt werden sollen (s. Fign. 3.1 und 3.2). Deshalb wird das Nutzsignal einem zweiten Schwellwertschalter 34 zugeführt, welcher aktiv wird, wenn der Wert U(t) des Nutzsignals einen bestimmten zweiten Schwellwerts UG2 unterschreitet. Hier wird ausgenutzt, dass die Entfernung eines Gegenstands (Wegnahme eines Fingers) zu einem Absinken von U(t) in entgegengesetzter Richtung im Verhältnis zur Annäherung führt, im Beispiel in den negativen Bereich (Fig. 3.1). Bei Überschreitung des zweiten Schweilwertes UG2 des zweiten Schwellwertschalters 34 wird dessen Ausgang U34(t) auf aktiv gesetzt (s. Figur 5).
Der Ausgang des Schwellwertschalters 34 ist mit dem Reset-Eingang des FlipFlops 82 verbunden, so dass bei einem Überwischen oder ähnlichem, welches das FlipFlop 82 auf aktiv gesetzt hat, dieses kurze Zeit später wieder auf Null zurückgesetzt wird. Das Ausgangs- signal des FlipFlops 82 wird der Zeitdetektionsschaltung 33 zugeführt. Diese Schaltung ist so eingestellt, dass ihr Ausgang nur dann auf aktiv gesetzt wird, wenn das FlipFlop 82 län- ger als eine vorbestimmte Zeit Δt^ beispielsweise 100 ms, aktiv war. Diese vorbestimmte erste Zeitspanne Δti entspricht etwa der übliche Mindestverweilzeit eines Fingers, einer Hand oder eines anderen Körperteil beim Antippen eines als elektrisches Schaltelement ausgebildeten Schalters.
Der Ausgang der Zeitdetektionsschaltung 33 ist mit dem Set-Eingang des zweiten FlipFlops 18 verbunden. Bei einem willentlichen Antippen der sensoraktiven Fläche wird somit der Ausgang des zweiten FlipFlops 18 auf aktiv gesetzt, da hier die Zeit zwischen Setzen des ersten FlipFlops 82 und Rücksetzen dieses FlipFlops größer ist als Δti, mit anderen Wor- ten: Der Finger bleibt länger als Δt1 auf der sensoraktiven Fläche 26. Bei Bewegungen jedoch, die keinen Schaltvorgang auslösen sollen - beispielsweise Überwischen mit einem Tuch -, ist die Zeit zwischen Setzen und Zurücksetzen des ersten FlipFlops 82 kleiner als Δti, so dass diese Bewegungen deshalb nicht zum Setzen des zweiten FlipFlops 18 führen. Durch Antippen der sensoraktiven Fläche wird also der Zustand des zweiten FlipFlops 18 kontrolliert verändert. Der Ausgang des FlipFlop 18 kann noch mit einem Schaltausgang 23, beispielsweise einem Relais, verbunden sein, der z.B; in Verbindung mit dem Wert am Ausgang 59 zur Steuerung oder Bedienung eines Geräts verwendet wird,.
Von der Schaltung 60 wird also folgendes Bewegungsmuster erkannt: Annähern eines Ge- genstands - abruptes Abbremsen des Gegenstands r Verharren des Gegenstands für eine Zeitspanne, die eine vorgegebene Zeitspanne übersteigt. Wird dieses Bewegungsmuster erkannt, wird der Schaltzustand eines Schaltelements, hier des zweiten FlipFlops 18, geändert. Anschließend kann nun die Bewegung des Gegenstands mit der eingangs erläuterten Schaltung aufgrund der Ausgangswerte U(t), UR(t) erfasst werden, um z.B. eine Ver- Stellbewegung eines Geräts - z.B. Temperatureinstellung einer Herdplatte - zu erreichen.
Ein Wegnehmen des Fingers wird vom Schwellwertschalter 17 nicht erkannt, da die Änderung des Wertes U(t) des Nutzsignals in anderer Richtung erfolgt und nach der Differentiation zu gering ist (Fig. 4c) und somit der Wert U^t) des durch Differentiation gewonnenen Bewegungssignals den ersten Grenzwert UG1 nicht überschreitet.
In vielen Anwendungsfällen wird es erwünscht sein, dass das durch das Antippen der sensoraktiven Fläche 26 gesetzte zweite FlipFlop 18 durch gezielte Wegnahme des Fingers wieder zurückgesetzt wird. Dies ergibt dann die Funktion eines Tasters. Es ist jedoch vor- teilhaft, wenn das Löschen des FlipFlops 18 erst dann erreicht wird, wenn der Finger einige Millimeter von der Glasplatte entfernt ist, um ein versehentliches Löschen des FlipFlops durch eine minimale Bewegung zu verhindern. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird dieses Problem wie folgt gelöst:
Der Momentanwert des am Ausgang der Signalzentrierstufe 1 1 anliegenden Steuersignales UR(t) wird zu einem Zeitpunkt abgetastet und gespeichert, an dem sich das annähernde Gegenstand noch kurz vor der Bedienoberfläche befindet. Um dies im Ausführungsbeispiel zu erreichen, wird dieses Signal der Verzögerungsschaltung 20 zugeführt. Der am Ausgang der Verzögerungsschaltung 20 anliegende Spannungswert U20 wird im Speicher 21 zu dem Zeitpunkt t0 gespeichert, zu dem am Ausgang des ersten Schwellwertschalters 17 ein Si- gnal ansteht, also zu dem Zeitpunkt, zu dem der erste Schwellwertschalter 17 den Zeitpunkt des Antippens erkannt hat. Alternativ kann auch eine Multiplikation des am Ausgang der Signalzentrierstufe 1 1 anstehenden Signals mit einem Wert kleiner 1 erfolgen und dieser Wert gespeichert werden. In beiden Fällen ergibt sich damit eine Abhängigkeit von UR(t), so dass der so gespeicherte Wert UR(t0) weder vom alterungsabhängigen Zustand z.B. der Glasplatte, von der Temperatur oder anderen Umständen abhängig ist. Der so gespeicherte Wert UR(t0) wird einem ersten Eingang des Komparators 22 zugeführt. Am zweiten Eingang des Komparators liegt das Steuersignal mit dem Wert UR(t) an. Solange der Wert des Steuersignals über dem Ausgangswert des Speichers 21 liegt, liefert die Komparatorschaltung 22 kein Ausgangssignal. Wenn jedoch der Wert des Steuersignals, zum Zeitpunkt t-i unter den gespeicherten Wert sinkt, wird der Ausgang des Komparators auf aktiv gesetzt. Die Signale U2o, UR(t) und UR(t0) sind in Fig. 6 dargestellt. Mit diesem Signal wird das zweite FlipFlop 18 zurückgesetzt.
Es ist auch denkbar, nicht alle Schwellwerte, Zeitkonstanten usw. der verwendeten Bauteile unveränderlich festzulegen, sondern zumindest teilweise Bauteile zu verwenden, bei denen die entsprechenden Werte mittels eine Steuereingangs von außen verändert werden können. Somit könnte das zu erkennende Bewegungsmuster bedarfsweise, beispielsweise durch die Software eines Gesamtsystems, in dem der Schalter eingebaut ist, vorgegeben werden.
Die Schaltung 60 hat damit folgende Vorteile:
- Die Messwerte U(t) und somit der Ausgangswert 23 und der Messwert UR(d) können durch eine Glasplatte - es kann hier selbstverständlich auch eine Platte aus einem an- deren Material verwendet werden, es muss lediglich für den gewählten Spektralbereich durchlässig sein - gewonnen werden, wenn sich die Sende- und Empfangselemente hinter der Glasplatte befinden. Die Bewegung bzw. das Annähern oder Antippen eines Gegenstandes, z.B. eines Fingers auf der den Sendeelementen gegenüberliegenden Plattenseite wird dann erfasst.
- Die Lage - relativ zu den als Strahlungsquellen dienenden Leuchtdioden und der als Strahlungsempfänger dienenden Photodiode - und die Form der strahlungsdurchlässigen Platte kann dabei in einem weiten Bereich frei gewählt werden.
- Ein Zerkratzen/Verschmutzen der Glasplatte ist für die Messwerterfassung 60 unschädlich, da die daraus resultierenden statischen Änderungen des Reflexionsverhaltens vom System ausgeglichen werden. - Selbstverständlich können die Messwerte U(t) und somit der Ausgangswert 23 und der Messwert UR(d) auch ohne eine isolierende Glasscheibe gewonnen werden, auch z.B. wenn die Strahlungsquellen nahezu parallel zu einer Platte oder Oberfläche strahlen. Auch hierbei wird das Annähern, bzw. das Antippen dieser Oberfläche mittels der Auswertung 60 erfasst, die örtliche Lage des Gegenstandes, z.B. des Fingers wird durch den Messwert UR(d) repräsentiert.
- Die Anordnung ist „blind" für Fremdlicht, so dass die Anordnung unter stark wechselnden äußeren Lichtverhältnissen betrieben werden kann.
Ergänzend kann auch folgende Vorgehensweise verwirklicht werden: Zunächst wird durch die Auswerteeinheit 55 und/oder die Schaltung 60 der Abstand des Gegenstands 50 von der Messanordnung bestimmt. Wird ein vorgegebener Abstand unterschritten, wird z.B. eine Beleuchtung eines Schalters oder ein Display eingeschaltet. Handelt es sich bei dem Gegenstand z.B. um den Finger oder die Hand eines Menschen, so kann jetzt im folgenden - wie soeben beschrieben - beim Antippen der jetzt beleuchteten Fläche ein Schaltvorgang aktiviert werden, der beim Abheben des Fingers wieder deaktiviert wird. Zudem kann zwischen Aktivieren und Deaktivieren wie oben ein bestimmter Bewegungsvorgang delektiert werden.
Die eingangs erläuterten Messanordnungen können z.B. gemäß der Fig. 8 angeordnet werden. So können z.B. die Strahlungsquellen A/C / A/D und B/C / B/D gemeinsam mit den Strahlungsempfängern E1 bzw. E2 oder E1 zusammen mit E2 eine erste Messanordnung bilden. Eine zweite Messanordnung wird aus den Strahlungsquellen A/C / B/C und A/D / B/D zusammen mit dem Strahlungsempfänger E2 bzw. E1 oder E2 zusammen mit E1 gebildet. Beide Messanordnungen können nun sequentiell arbeiten, so dass die vier Strah- lungsquellen zusammen mit ihren Strahlungsempfängern bereits zwei ineinander geschachtelte Messanordnungen bilden. Diese Messanordnung eignet sich besonders zur senkrechten Messung durch eine Glasplatte hindurch, wobei bei einer Messanordnung ohne isolierende Glasplatte folgende Anordnung gewählt werden kann: Strahlungsquellen A/C und B/C bilden gemeinsam mit dem zwischen ihnen liegenden Strahlungsempfänger E1 eine Messanordnung, die zweite Messanordnung wird mit den Strahlungsquellen A/C und A/D zusammen mit dem zwischen ihnen liegenden Strahlungsempfänger E2 gebildet.
Die Hauptstrahlrichtung der Strahlungssender A/D, A/C und B/C liegt in diesem Falle in Richtung des gemeinsamen geometrischen Mittelpunktes der Messanordnung, der Strahlungssender B/D mit den zugehörigen Strahlungsempfängern E1 und E2 kann entfallen. Bei der letztgenannten Messanordnung kann die Position, bzw. die Bewegung z.B. eines Fingers auf einer beliebigen Oberfläche erfasst werden, sofern sich der Finger im Erfassungsbereich der Messanordnungen befindet.
Dabei ist es nicht notwendig, das die erste und zweite Messanordnung wie in der Fig.8 um 90° zueinander versetzt angeordnet sind. Wichtig ist ausschließlich, das sie zueinander um einen gewissen Betrag versetzt, bzw. gedreht angeordnet sind, ausgenommen die Position, in der sie sich genau um 180° gedreht gegenüberstehen.
Eine weitere Ausführung einer Messanordnung zeigt Fig.9: die Strahlungssender A/C / A/D und B/C / B/D bilden zusammen mit dem Strahlungsempfänger E eine erste Messanordnung, die zweite Messanordnung wird durch die Strahlungssender A/C / B/C und A/D / B/D zusammen mit dem Strahlungsempfänger E gebildet. Der Strahlungsempfänger E wird also gemeinsam für beide Messanordnungen genutzt, was durch ein entsprechendes Takten der Strahlungsquellen und entsprechender synchroner Demodulation des Signals des Strahlungsempfängers E kein Problem darstellt.
Es versteht sich von selbst, dass diese Beschreibung verschiedensten Modifikationen, Änderungen und Anpassungen unterworfen werden kann, die sich im Bereich von Äquivalenten zu den anhängenden Ansprüchen bewegen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur optoelektronischen Positionsbestimmung eines Gegenstands (50) mittels wenigstens einer Messanordnung, die vom Gegenstand (50) durch ein für wenigstens eine bestimmte Strahlung durchlässiges Medium (31 ,52) getrennt ist, wobei die Messanordnung zumindest umfasst
- einen sensoraktiven Bereich (S) im Medium mit wenigstens zwei Messstrecken (x, y), die durch wenigstens zwei die bestimmte Strahlung abstrahlende Strahlungs- quellen (1 ,3,57) und wenigstens einen den Strahlungsquellen zugeordneten Strahlungsempfänger (2) aufrecht erhalten sind, der die vom Gegenstand (50) reflektierte Rückstrahlung (53) zur Erzeugung eines der empfangenen Strahlung entsprechenden Detektionssignal ermittelt, wobei der Anfang der Messstrecke durch die Strahlungsquelle (1 ,3,57) und das Ende der Messstrecke durch den Strahlungsempfän- ger (2) räumlich bestimmt ist, einer Einrichtung zur Bestimmung eines den einzelnen Messstrecken (x,y) zugeordneten Ausgangswerts (U(t), UR(t), UR(d)),
- einer Auswerteeinheit (55,60) zur Auswertung des Ausgangswerts (U(t), UR(t), UR(d)), mit den Schritten:
- Aussenden der bestimmten Strahlung mittels der Strahlungsquellen (1 ,3), Erfassung der vom Gegenstand (50) reflektierten Rückstrahlung (53), Bestimmung des Ausgangswerts (U(t), UR(t), UR(d)) und dessen Auswertung, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (55,60) die Position und/oder Be- wegung des Gegenstands (50) dadurch bestimmt, dass die Auswerteeinheit aus dem
Ausgangswert eine bestimmte Winkelkurve (g,g',g") des Gegenstands gegenüber den Strahlungsquellen (1 ,3,57) bei bekanntem räumlichen Verhältnis der Strahlungsquellen zueinander ermittelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (55) eine Datenbank (56) aufweist, in der bestimmte Messwertverhältnisse bestimmten Winkelbeziehungen zugeordnet sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Winkel- kurven (g, g\ g") mittels der Auswerteeinheit und der als Auswerteeinheit ausgebildeten
Schaltung (60) folgendes Bewegungsmuster erkannt wird: - Annähern eines Gegenstands 50 an den wenigstens einen sensoraktiven Bereich (S),
Erkennen des Antippens des Gegenstands an einer Schaltfläche (80) im sensoraktiven Bereich (S), - Erkennen einer Bewegung im sensoraktiven Bereich,
- Erkennen der Entfernung des Gegenstands von der Schaltfläche (80).
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Annäherung des Gegenstands (50) eine Beleuchtungseinrichtung (81) betätigt wird, sobald ein vorgegebe- ner Abstand zwischen Gegenstand (50) und der Messanordnung unterschritten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltfläche (80) erst sichtbar wird, wenn die Beleuchtungseinrichtung (81) betätigt ist.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Messanordnung aufweist, die von dem Gegenstand (50) durch ein für wenigstens eine bestimmte Strahlung durchlässiges Medium (31 ,52) getrennt ist sowie mit einem sensoraktiven Bereich (S) im Medium mit wenigstens zwei hinsichtlich ihres Anfangs- und Endpunkts räumlich bestimmten Messstrecken (x,y), die durch wenigstens zwei die bestimmte Strahlung abstrahlende Strahlungsquellen (1 ,3,57) und wenigstens eine den Strahlungsquellen zugeordneten Strahlungsempfänger (2) aufrecht erhalten sind, der die vom Gegenstand (5) reflektierte Rückstrahlung (53) zur Erzeugung eines der empfangenen Strahlung entsprechenden Detektionssignal er- mittelt, einer Einrichtung zur Bestimmung eines den einzelnen Messstrecken (x,y) zugeordneten Ausgangswerts (U(t), UR(t)), einer Auswerteeinheit (55, 60), die die Position und/oder Bewegung des Gegenstands (50) dadurch bestimmt, dass sie aus dem Ausgangswert (U(t), UR(t), UR(d)) eine bestimmte Winkelkurve des Gegenstands gegenüber den Strahlungsquellen
(1 ,3,57) bei bekanntem räumlichen Verhältnis der Strahlungsquellen (1 ,3) zueinander ermittelt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (54) zur Fremdlichtkompensation einen Taktgenerator (13) zum wechselweisen Wirksamschalten der einzelnen Strahlungs-Messstrecken (x,y) sowie einen vom Taktgenerator (13) angesteuerten Synchrondemodulator (5) zur Zuordnung des Detektionssignals als Messwert zu den einzelnen Messstrecken (x,y) zur Bildung des Ausgangswerts (U(t), UR(t), UR(d)) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Strahlungsquelle (57) oder eine weitere Messanordnung in einem beliebigen Winkel, vorzugsweise unter Ausnahme eines Winkels von 180°, zur der Ebene (e-e) angeordnet ist, in der die ersten beiden Strahlungsquellen (1 ,3) und der Strahlungsempfänger (2) angeordnet sind.
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