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Dokumentenidentifikation DE10016892B4 23.03.2006
Titel Optoelektronische Vorrichtung
Anmelder Leuze electronic GmbH & Co KG, 73277 Owen, DE
Erfinder Argast, Martin, 72584 Hülben, DE
Vertreter Ruckh, R., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 73277 Owen
DE-Anmeldedatum 05.04.2000
DE-Aktenzeichen 10016892
Offenlegungstag 18.01.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.03.2006
IPC-Hauptklasse G01V 8/14(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H03K 17/78(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung (1), bei der außer dem ersten Sender (3) ein zweiter Sender (4) vorgesehen ist, wobei diese alternierend Sendelichtimpulse (2, 2') emittieren, und wobei die vom ersten Sender (3) emittierten Sendelichtimpulse (2) nicht polarisiert und die vom zweiten Sender (4) emittierten Sendelichtimpulse (2') in einer ersten Polarisationsrichtung polarisiert sind.
Die ein transparentes Objekt durchsetzenden Sendelichtimpulse (2, 2') sind über einen Polarisationsfilter (8) mit einer zweiten Polarisationsrichtung, die bezüglich der ersten Polarisationsrichtung gedreht ist, geführt und treffen als Empfangslichtimpulse (5) auf den Empfänger (6).
In einer Auswerteeinheit (9) wird während der Emission eines jeden Sendelichtimpulses (2, 2') das Empfangssignal am Ausgang des Empfängers (6) integriert.
Für jeweils zwei aufeinanderfolgende Sendelichtimpulse (2, 2') wird die Differenz Ud der integrierten Empfangssignale U1, U2 gemäß Ud = U1 - U2 gebildet und mit einem Schwellwert S'1' (S'1 > 0) verglichen.
Eine Objektdetektion liegt vor, falls Ud < S1 ist. Ansonsten liegt ein freier Strahlengang vor.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung.

Optoelektronische Vorrichtungen der in Rede stehenden Art umfassen einen Sender und Empfänger und können insbesondere als Reflexionslichttaster ausgebildet sein. In diesem Fall befinden sich der Sendelichtstrahlen emittierende Sender und der Empfangslichtstrahlen empfangende Empfänger auf einer Seite des Überwachungsbereichs und bilden mit einer Auswerteeinheit zur Auswertung der am Empfänger anstehenden Empfangssignale einen Sensor. Auf der gegenüberliegenden Seite des Überwachungsbereichs befindet sich ein Reflektor, auf welchen bei freiem Strahlengang die Sendelichtstrahlen geführt sind. Vom Reflektor werden dann die Sendelichtstrahlen als Empfangslichtstrahlen. zum Empfänger zurückreflektiert. Mit Hilfe eines Reflexionslichttasters werden Objekte in einem Überwachungsbereich zwischen Sensor und Reflektor dadurch detektiert, dass die Sende- Empfangslichtstrahlen durch das Objekt gedämpft werden. Um Fehlschaltungen durch spiegelnde Objektoberflächen zu unterdrücken, werden gekreuzte Polarisationsfilter verwendet, die vor dem Reflektor und dem Empfänger angeordnet sind.

Der Nachteil derartiger Reflexionslichttaster besteht darin, dass transparente und auch stark spiegelnde Objekte nicht sicher detektiert werden.

Eine weitere optoelektronische Vorrichtung ist aus der DE 42 38 116 bekannt. Auch diese optoelektronische Vorrichtung bildet einen Reflexionslichttaster, wobei im Unterschied zu herkömmlichen Reflexionslichttastern zwei Empfänger vorgesehen sind. Jedem Empfänger ist ein Polarisationsfilter vorgeordnet. Die Polarisationsrichtungen der Polarisationsfilter sind um 90° gegeneinander gedreht. Auch dem Reflektor ist ein Polarisationsfilter vorgeordnet. Die beiden Empfänger mit den vorgeordneten Polarisationsfiltern liefern bei freiem Strahlengang an ihren Ausgängen Empfangssignale unterschiedlicher Amplitude.

Zur Generierung eines binären Schaltsignals wird die Differenz der Empfangssignale mit einem Schwellwert bewertet.

Der Nachteil dieser Vorrichtung liegt darin, dass transparente Objekte, insbesondere Kunststofffolien nur dann sicher erkannt werden, wenn ihre depolarisierende Wirkung ausreichend groß ist. Außerdem kann durch stark spiegelnde Objekte ein freier Strahlengang vorgetäuscht werden. Schließlich können durch Fremdlichteinstrahlungen je nach Einstrahlrichtung Fehlschaltungen bewirkt werden.

Die DE 298 14 606 U1 betrifft einen optoelektronischen Sensor zum Erkennen von transparenten Gegenständen in einem Überwachungsbereich, der durch einen Reflektor begrenzt ist. Der Sensor weist vorzugsweise zwei Sender und zwei Empfänger auf, wobei jedem Sender ein Polarisator nachgeordnet und jedem Empfänger eine Analysator vorgeordnet ist. Die Polarisationsrichtung des Polarisators eines Senders ist um 90° bezüglich der Polarisationsrichtung des Analysators des jeweils zugeordneten Empfängers gedreht. Die Sender werden alternierend betrieben, so dass diese abwechselnd Sendelichtimpulse emittieren. Aus den dabei an den beiden Empfängern registrierten Empfangssignalen werden binäre Gegenstandfeststellungssignale gewonnen, die mittels eines ODER-Glieds verknüpft werden. Das so gewonnene Signal bildet das Ausgangssignal des Sensors und wird über einen Schaltausgang ausgegeben.

Die DE 197 07 417 A1 betrifft eine optoelektronische Vorrichtung zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich, bestehend aus wenigstens zwei Sensorelementen, welche an einem Rand des Überwachungsbereichs angeordnet sind, und einem Reflektor, welcher am gegenüberliegenden Rand des Überwachungsbereichs angeordnet ist. Das erste Sensorelement weist einen Sender und einen ersten und zweiten Empfänger auf. Das zweite Sensorelement weist einen Sender und einen Empfänger auf. In den Empfängern wird die Lichtmenge der auftreffenden Empfangslichtstrahlen jeweils mittels einer Schwellwerteinheit bewertet. Der zweite Empfänger ist von einem ortsauflösenden Detektor gebildet, welcher die Distanz eines im Strahlengang der Vorrichtung angeordneten Objekts oder des Reflektors zur Vorrichtung ermittelt. In einer Auswerteeinheit werden die an den Ausgängen der Empfänger anstehenden Empfangssignale zur Bewertung, ob ein Objekt im Überwachungsbereich angeordnet ist, und zur Überwachung der Anordnung der Sender, der Empfänger und des Reflektors logisch verknüpft.

Die DE 196 14 872 C1 betrifft einen Lichttaster mit zwei Sendern und zwei Empfängern und einer Auswerteeinheit. Den Sendern sind polarisierende Mittel nachgeordnet, so dass die vom ersten Sender emittierten Sendelichtstrahlen parallel zur Einfallsebene und die vom zweiten Sender emittierten Sendelichtstrahlen senkrecht zur Einfallsebene polarisiert sind. Den Empfängern sind polarisierende Mittel vorgeordnet, so dass die auf den ersten Empfänger auftreffenden Empfangslichtstrahlen senkrecht zu den auf den zweiten Empfänger auftreffenden Empfangslichtstrahlen polarisiert sind. Die Sender sind in Anstand zu den Empfängern angeordnet, so dass die Sende- und Empfangslichtstrahlen in einem Winkel &agr;, welcher im Bereich 80° < &agr; < 130° liegt, zueinander verlaufen und sich in der Ebene, in welcher die zu erfassenden Objekte angeordnet sind, schneiden. Der erste Sender ist innerhalb vorgegebener Zeitintervalle über die Auswerteeinheit aktiviert. In der Auswerteeinheit wird die Differenz der Empfangssignale gebildet und mittels eines Schwellwerts bewertet.

Die DE 19 34 321 A beschreibt eine Lichtschranke mit einem auf der einen Seite derselben angeordneten Sender-Empfängerteil, die eine Lichtquelle und wenigstens einen photoelektrischen Empfänger aufweist. Auf der anderen Seite der Lichtschranke ist ein Reflektor angeordnet, der ein von der Lichtquelle ausgehendes Lichtbündel auf den Empfänger zurückwirft. Vor dem Reflektor ist ein polarisierendes Glied angeordnet. An dem Sender-Empfängerteil sind Diskriminierungsmittel zur Unterscheidung von polarisiertem und unpolarisiertem Licht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine optoelektronische Vorrichtung der eingangs genannten An zu schaffen, die die obigen Nachteile löst und eine sichere Detektion von transparenten Objekten gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Bei der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung ist neben dem ersten Sender ein zweiter Sender vorgesehen, wobei diese alternierend Sendelichtimpulse emittieren, und wobei die vom ersten Sender emittierten Sendelichtimpulse nicht polarisiert und die vom zweiten Sender emittierten Sendelichtimpulse in einer ersten Polarisationsrichtung polarisiert sind.

Die ein transparentes Objekt durchsetzenden Sendelichtimpulse sind über einen Polarisationsfilter mit einer zweiten Polarisationsrichtung, die bezüglich der ersten Polarisationsrichtung gedreht ist, geführt und treffen als Empfangslichtimpulse auf den Empfänger.

In einer Auswerteeinheit wird während der Emission eines jeden Sendelichtimpulses das Empfangssignal am Ausgang des Empfängers integriert.

Für jeweils zwei aufeinanderfolgende Sendelichtimpulse wird die Differenz Ud der integrierten Empfangssignale U1, U2 gemäß Ud = U1 – U2 gebildet und mit einem Schwellwert S1 (S1 > 0) verglichen.

Eine Objektdetektion liegt vor, falls Ud < S1 ist. Ansonsten liegt ein freier Strahlengang vor.

Durch die Abtastung der Objekte mit vom ersten Sender emittierten nicht polarisierten Sendelichtimpulsen und mit vom zweiten Sender emittierten polarisierten Sendelichtimpulsen, deren Polarisationsrichtung bezüglich der Polarisationsfilters gedreht ist, lassen sich transparente und nicht transparente Objekte gleichermaßen sicher erfassen. Durch die Integration der an dem Ausgang des Empfängers anstehenden Empfangssignale wird dabei eine besonders hohe Nachweisempfindlichkeit erhalten, so dass transparente Objekte nahezu unabhängig davon erfasst werden können, wie stark die Polarisation der Sendelichtimpulse beim Durchgang durch diese Objekte geändert wird.

Mit der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung wird insbesondere eine sichere Detektion von Kunststofffolien und Kunststoffscheiben mit geringer Dämpfung der Transmission ermöglicht. Gleichzeitig ist auch eine sichere Detektion von spiegelnden Oberflächen sowie eine gute Fremdlichtunterdrückung gewährleistet. Vorteilhaft weist dabei die erfindungsgemäße Vorrichtung einen einfachen und kostengünstigen Aufbau mit Standardbauelementen auf, wobei keine hohen Anforderungen an die Ausrichtung der einzelnen Komponenten gestellt werden müssen.

Weiterhin kann die optoelektronische Vorrichtung auch als Winkelsensor sowie zur Drehzahlmessung verwendet werden. In diesem Fall wird das Polarisationsfilter mit dem Reflektor auf ein um eine Drehachse rotierendes Objekt aufgebracht. Vorzugsweise ist der Reflektor in der Drehachse liegend auf dem Objekt aufgebracht. Zur Bestimmung der Winkellage und/oder Drehzahl des Objekts wird neben der Differenz Ud der Empfangssignale auch deren Summe US gebildet, welche durch Regelung des Sendepegels konstant gehalten wird. Die Differenz Ud ist dann ein Maß für den Winkel zwischen dem Reflektor auf dem zu messenden Objekt und der optoelektronischen Vorrichtung.

Eine weitere Anwendung ist die Detektion von Klarglasflaschen. Beim Vorbeibewegen einer Flasche quer zur optoelektronischen Vorrichtung ergeben sich typische Verläufe der Summen- und Differenzsignale US und Ud, die dazu genutzt werden um Flaschen zu zählen auch wenn kein Abstand zur folgenden Flasche vorhanden ist. Bei Durchstrahlung am Flaschenrand sinken die Summen- und Differenzsignale US, Ud während in der Flaschenmitte eine Rückspiegelung dazu führt, dass das Summensignal US stark ansteigt und das Differenzsignal Ud negative Werte annimmt.

Eine weitere Anwendung ist die Absicherung von Durchgängen und Maschineneingriffsöffnungen für den Personenschutz. Dazu werden die Funktionen der optoelektronischen Vorrichtung zyklisch getestet, indem ein Hilfsempfänger aus dem Bereich der Randstrahlung der Sendelichtimpulse ausgekoppeltes Licht erkennt und damit die Sendefunktionen kontrolliert. Der Hilfsempfänger kann in der räumlichen Nähe der beiden Sender angebracht sein oder über eine Lichtumlenkvorrichtung, die einen Teil der Randstrahlung zum Hilfsempfänger auskoppelt versorgt werden. Der Empfänger selbst kontrolliert bei freiem Strahlengang durch das Erkennen der unpolarisiert ausgesendeten Sendelichtimpulse des ersten Senders die gesamte Lichtstrecke der optoelektronischen Vorrichtung mit sämtlichen optischen Komponenten. Da diese Kontrolle während jeder Sendepulsperiode erfolgen kann, ist ein Gerät mit Selbstüberwachung in der Systemansprechzeit realisierbar.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1: Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung.

2: Ausbau der optischen Komponenten der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 1.

3: Zweites Ausführungsbeispiel des Aufbaus der optischen Komponenten der optoelektronischen Vorrichtung.

4: Drittes Ausführungsbeispiel des Aufbaus der optischen Komponenten der optoelektronischen Vorrichtung.

5: Viertes Ausführungsbeispiel des Aufbaus der optischen Komponenten der optoelektronischen Vorrichtung.

6: Fünftes Ausführungsbeispiel des Aufbaus der optischen Komponenten der optoelektronischen Vorrichtung.

7: Erstes Ausführungsbeispiel der Diagramme der Sende- und Empfangssignale der optoelektronischen Vorrichtung.

8: Typische Pegel der Empfangssignale der optoelektronischen Vorrichtung bei der Detektion verschiedener Objekte.

9: Ausführungsbeispiel des Aufbaus der Auswerteeinheit der optoelektronischen Vorrichtung.

10: Zweites Aussführungsbeispiel der Diagramme der Sende- und Empfangssignale der optoelektronischen Vorrichtung.

1 zeigt schematisch den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung 1 zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich. Die optoelektronische Vorrichtung 1 ist in diesem Fall als Reflexionslichtschranke ausgebildet. Sie weist zwei Sendelichtimpulse 2, 2' emittierende Sender 3, 4 sowie einen Empfangslichtimpulse 5 empfangenden Empfänger 6 auf, die auf einer Seite des Überwachungsbereichs angeordnet sind.

Auf der gegenüberliegenden Seite des Überwachungsbereichs befindet sich ein Reflektor 7 mit einem diesem vorgeordneten Polarisationsfilter 8. Bei freiem Strahlengang der optoelektronischen Vorrichtung 1 gelangen die von den Sendern 3, 4 emittierten Sendelichtimpulse 2, 2' ungehindert zum Reflektor 7 und werden an diesem als Empfangslichtimpulse 5 zum Empfänger 6 zurückreflektiert. Befindet sich ein nicht transparentes Objekt im Strahlengang der optoelektronischen Vorrichtung 1 werden die Sendelichtimpulse 2, 2' vom Objekt als Empfangslichtimpulse 5 zum Empfänger 6 zurückreflektiert. Befindet sich ein zumindest teilweise transparentes Objekt im Strahlengang, so durchsetzen die Sendelichtimpulse 2, 2' das Objekt und werden am Reflektor 7 reflektiert. Die am Reflektor 7 reflektierten Empfangslichtimpulse 5 durchsetzen das Objekt nochmals und treffen dann auf den Empfänger 6.

Erfindungsgemäß emittieren die Sender 3, 4 alternierend Sendelichtimpulse 2, 2' mit einem vorgegebenen Puls-Pausenverhältnis. Der Sendetakt wird über eine Auswerteeinheit 9 vorgegeben, an welche beide Sender 3, 4 angeschlossen sind.

Die Auswerteeinheit 9 ist von einem Microcontroller oder dergleichen gebildet.

Der erste Sender 3 emittiert unpolarisierte Sendelichtimpulse 2 und ist von einer Leuchtdiode gebildet. Der zweite Sender 4 emittiert Sendelichtimpulse 2', die in einer vorgegebenen Polarisationsrichtung polarisiert sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Sender 4 von einer Leuchtdiode mit einem nachgeordneten Polarisationsfilter 10 gebildet. Alternativ kann der Sender 4 von einem polarisiertes Sendelicht emittierenden Laser gebildet sein. Der Empfänger 6 ist vorzugsweise von einer Photodiode gebildet.

Die Polarisationsrichtung der vom zweiten Sender 4 emittierten Sendelichtimpulse 2' ist gegenüber der Polarisationsrichtung des dem Reflektor 7 vorgeordneten Polarisationsfilters 8 gedreht, wobei der Winkelversatz vorzugsweise 90° beträgt.

Die auf den Empfänger 6 auftreffenden Empfangslichtimpulse 5 generieren als Empfangssignale Fotoströme Ie, die in eine Signalaufbereitungsstufe 11 eingelesen werden. Die Signalaufbereitungsstufe 11 ist an die Auswerteeinheit 9 angeschlossen. Von der Auswerteeinheit 9 wird mit dem Sendelicht der Sender 3, 4 ein periodisch veränderliches Taktsignal Ut in die Signalaufbereitungsstufe 11 eingegeben.

Mittels dieses Sendetakts Ut werden die am Ausgang des Empfängers 6 anstehenden Empfangssignale Ie jeweils während der Dauer der Emission eines Sendelichtimpulses 2 oder 2' integriert. Aus den so gebildeten integrierten Empfangssignalen U1, U2, die während der Emission jeweils eines vom ersten und zweiten Senders 3, 4 emittierten Sendelichtimpulses 2 oder 2' gewonnen werden, wird die Differenz Ud dieser integrierten Empfangssignale gemäß Ud = U1 – U2 gewonnen und in die Auswerteeinheit 9 eingelesen. Zudem wird zweckmäßigerweise auch das Summensignal US = = U1 + U2 gebildet und in die Auswerteeinheit 9 eingelesen. Dort wird zur Generierung einer Objektmeldung die Differenz Ud mit einem Schwellwert S1 (S1 > 0) verglichen. Eine Objektdetektion liegt vor, falls Ud < S1 ist. Ansonsten liegt ein freier Strahlengang vor.

Das so gebildete Schaltsignal wird über einen an die Auswerteeinheit 9 angeschlossenen Schaltausgang 12 ausgegeben. Über einen an die Auswerteeinheit 9 angeschlossenen Parametereingang 13 können Parameterwerte, wie zum Beispiel die Höhe des Schwellwerts S1 in die Auswerteeinheit 9 eingelesen werden. Diese Parameterwerte werden in einem Parameterspeicher 14 abgespeichert.

2 zeigt schematisch den Aufbau der optischen Komponenten der optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß 1. Die unpolarisierten Sendelichtimpulse 2 des ersten Senders 3 durchsetzen einen Strahlteilerspiegel 15 und gelangen so in den Überwachungsbereich. Die mittels des Polarisationsfilters 10 polarisierten Sendelichtimpulse 2' des zweiten Senders 4 werden am Strahlteilerspiegel 15 abgelenkt, so dass deren Strahlachse parallel in geringem Abstand zur Strahlachse der vom ersten Sender 3 emittierten Sendelichtimpulse 2 verläuft oder mit dieser zusammenfällt. Die von den Sendern 3, 4 emittierten Sendelichtimpulse 2, 2' durchsetzen ein transparentes Objekt, welches im vorliegenden Fall von einer transparenten Folie 16 gebildet ist. Danach werden die Sendelichtimpulse 2, 2' am Reflektor 7 mit dem vorgeordneten Polarisationsfilter 8 reflektiert und durchsetzen als Empfangslichtimpulse 5 nochmals die transparente Folie 16 bevor sie auf dem Empfänger 6 auftreffen.

In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der optischen Komponenten der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung 1 dargestellt. Während die optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß 2 eine Reflexionslichtschranke bildet, arbeitet die optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß 3 nach dem Lichtschrankenprinzip. Die Anordnung der Sender 3, 4 mit dem Strahlteilerspiegel 15 entspricht dabei der Anordnung gemäß 2. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 befindet sich der Empfänger 6 auf der gegenüberliegenden Seite des Überwachungsbereichs, wobei dem Empfänger 6 das Polarisationsfilter 8 vorgeordnet ist, dessen Polarisationsrichtung wiederum gegenüber der Polarisationsrichtung des dem zweiten Sender 4 nachgeordneten Polarisationsfilters 10 gedreht ist. Die von den Sendern 3, 4 emittierten Sendelichtimpulse 2, 2' durchsetzen die transparente Folie 16 und gelangen dann zum Empfänger 6.

4 zeigt eine weitere Anordnung der optischen Komponenten der optoelektronischen Vorrichtung 1. Bei dieser Anordnung sind die Sender 3, 4, der Empfänger 6 sowie ein Reflektor 7, welchem das Polarisationsfilter 8 vorgeordnet ist, auf einer Seite des Überwachungsbereichs angeordnet. Die vom ersten Sender 3 emittierten Sendelichtimpulse 2 durchsetzen wiederum den Strahlteilerspiegel 15, während die vom zweiten Sender 4 emittierten Sendelichtimpulse 2' am Strahlteilerspiegel 15 abgelenkt werden. Auf der gegenüberliegenden Seite ist ein Spiegel 17 angeordnet. Die von den Sendern 3, 4 emittierten Sendelichtimpulse 2, 2' durchsetzen die transparente Folie 16 und treffen auf den Spiegel 17. Von dort werden die Sendelichtimpulse 2, 2' zum Reflektor 7 geführt und von dort in derselben Richtung zum Spiegel 17 zurückreflektiert, so dass die transparente Folie 16 noch zweimal von den Sendelichtimpulsen 2, 2' durchsetzt wird. Die dann am Spiegel 17 nochmals reflektierten Sendelichtimpulse 2, 2' durchsetzen als Empfangslichtimpulse 5 die transparente Folie 16 zum vierten Mal und treffen schließlich auf den Empfänger 6. Da die transparente Folie 16 mehrmals von den Sendelichtimpulsen 2,2' durchsetzt wird, werden diese auch bei sehr großer Transparenz der Folien 16 signifikant gedämpft, was die Nachweisempfindlichkeit bei der Detektion derartiger transparenter Objekte erheblich erhöht.

Die in 5 dargestellte Anordnung der optischen Komponenten entspricht im wesentlichen der Anordnung gemäß 2. Im Unterschied zur Anordnung gemäß 2 ist bei der Anordnung gemäß 5 das Polarisationsfilter 8 nicht vor dem Reflektor 7 sondern vor dem Empfänger 6 angeordnet.

6 zeigt eine weitere Anordnung der optischen Komponenten der optoelektronischen Vorrichtung 1, bei welchen eine im wesentliche koaxiale Strahlführung der Sendelichtimpulse 2, 2' beider Sender 3, 4 sowie der Empfangslichtimpulse 5 erhalten wird. Der polarisierte Sendelichtimpulse 2' emittierende Sender 4 sitzt in einer zentralen Bohrung einer Linse 18, über welche die Sendelichtimpulse 2 des ersten Senders 3 sowie die Empfangslichtimpulse 5 geführt sind. Der Empfänger 6 mit dem vorgeordneten Polarisationsfilter 8 liegt hinter einem Strahlteilerspiegel 19, wobei die Empfangslichtimpulse 5 den Strahlteilerspiegel 19 durchsetzen und dann auf den Empfänger 6 treffen. Die vom Sender 3 emittierten Sendelichtimpulse 2 werden teilweise am Strahlteilerspiegel 19 reflektiert und über die Linse 18 in den Überwachungsbereich geführt. Ein Teil der vom ersten Sender 3 emittierten Sendelichtimpulse 2 durchsetzt den Strahlteilerspiegel 19. Damit dieser Anteil des Sendelichts nicht zu unerwünschten Rückstrahlungen führt, ist hinter dem Strahlteilerspiegel 19 eine absorbierende Fläche 20 vorgesehen.

In einer abgewandelten Ausführungsform der Anordnung gemäß 6 kann das Polarisationsfilter 8 anstelle vor dem Empfänger 6 vor dem Reflektor 7 angeordnet sein.

7 zeigt die Verläufe der Sende- und Empfangssignale für ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung 1.

Die Sendesignale US1 US2 bilden Spannungssignale, mit welchen der erste und zweite Sender 3, 4 angesteuert werden. Die zeitlichen Verläufe der Sendesignale US1 US2 entsprechen den zeitlichen Verläufen der von den beiden Sendern 3, 4 emittierten Sendelichtimpulse 2, 2'. Wie aus 7 ersichtlich emittieren die Sender 3, 4 bei jeweils gleicher Frequenz Sendelichtimpulse 2, 2' mit einem vorgegebenen Puls-Pausenverhältnis. Die Sendesignale US1 und damit die unpolarisierten Sendelichtimpulse 2 des ersten Senders 3 weisen eine geringere Signalamplitude als die vom zweiten Sender 4 emittierten Sendelichtimpulse 2' auf.

Entsprechend der Folge der von den Sendern 3, 4 emittierten Sendelichtimpulse 2, 2' wird bei freiem Strahlengang der optoelektronischen Vorrichtung 1 der im dritten Diagramm der 7 dargestellte Verlauf des Empfangssignals Ie erhalten, der am Ausgang des Empfängers 6 als Fotostrom erhalten wird.

Der Verlauf des Empfangssignals Ie ist pulsförmig, wobei die Pulsfrequenz der Sendefrequenz der Sender 3, 4 entspricht. Obwohl die vom zweiten Sender 4 emittierten Sendelichtimpulse 2' eine größere Amplitude aufweisen als die vom ersten Sender 3 emittierten Sendelichtimpulse 2, ist die Amplitude des Empfangssignals Ie, welches von einem Sendelichtimpuls 2 des ersten Senders 3 stammt, größer als das Empfangssignal Ie, das vom zweiten Sender 4 stammt. Der Grund hierfür liegt darin, dass das dem zweiten Sender 4 nachgeordnete Polarisationsfilter 10 gegenüber dem Polarisationsfilter 8 vor dem Empfänger 6 gedreht ist, so dass eine entsprechend geringe Sendelichtmenge auf den Empfänger 6 auftrifft. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Polarisationsfilter 8, 10 um einen Winkel gegeneinander gedreht, der nahe 90° liegt, so dass bei freiem Strahlengang von dem vom zweiten Sender 4 emittierten Sendelicht nur noch ein geringer Teil auf den Empfänger 6 trifft.

Weiterhin ist in 7 der zeitliche Verlauf des Taktsignals Ut dargestellt, der von der Auswerteeinheit 9 in die Signalaufbereitungsstufe 11 eingegeben wird. Innerhalb einer jeden Periodendauer T des im Sendetakt variierenden Taktsignals Ut wird von jedem Sender 3, 4 jeweils ein Sendelichtimpuls 2, 2' emittiert. Das während der Dauer der Emission des Sendelichtimpuls 2 des ersten Senders 3 generierte Empfangssignal Ie wird in der Signalaufbereitungsstufe 11 integriert und bildet das integrierte Empfangssignal U1. Entsprechend wird während der Dauer der Emission des vom zweiten Sender 4 emittierten Sendelichtimpulses 2' das dadurch generierte Empfangssignal Ie integriert und bildet das integrierte Empfangssignal U2. Dann wird in der Signalaufbereitungsstufe 11 die Differenz der integrierten Empfangssignale U1, U2 gemäß der Beziehung Ud = U1 – U2 gebildet.

Bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Integrationszeit so gewählt, dass diese nicht nur die Emission eines Sendelichtimpulses 2 oder 2' umfasst sondern auch die nachfolgende Sendepause. So wird zu dem während der Emission eines ersten Sendelichtimpulses 2 erhaltenen integrierten Empfangssignal U1 zusätzlich der während der folgenden Sendepause erhaltene Anteil des integrierten Empfangssignals Up hinzuaddiert. Entsprechendes gilt für das in der auf dem Sendelichtimpuls 2' des zweiten Senders 4 folgenden Sendepause registrierte Empfangssignal Ie. Auch dieses Empfangssignal wird integriert und als integriertes Empfangssignal Up zu dem Wert von U2 hinzuaddiert.

Daraus ergibt sich der im unteren Diagramm von 7 dargestellte Verlauf von Ud bei freiem Strahlengang („freie Strecke"). Der Wert von Ud wird in die Auswerteeinheit 9 eingelesen und dort mit dem Schwellwert S1 verglichen, der so gewählt ist, dass Ud oberhalb von S1 liegt. Dementsprechend nimmt der Schaltausgang 12 den Schaltzustand „kein Objekt vorhanden" ein. Dringt ein Objekt in den Strahlengang der optoelektronischen Vorrichtung 1 ein, so sinkt der Wert Ud unterhalb von S1 ab, so dass der Schaltausgang 12 den Schaltzustand „Objekt vorhanden" einnimmt.

Befindet sich ein nicht transparentes Objekt im Strahlengang der optoelektronischen Vorrichtung 1, so sinkt der Wert des integrierten Empfangssignals U1 auf einen Wert nahe Null, so dass Ud auf jeden Fall kleiner als S1 ist. Befindet sich ein zumindest teilweise transparentes Objekt im Strahlengang der optoelektronischen Vorrichtung 1, so wird der Pegel des integrierten Empfangssignals U1 zumindest leicht reduziert. Gleichzeitig erhöht sich der Pegel von U2 auf Grund der depolarisierenden Wirkung des transparenten Objekts, so dass auch in diesem Fall die Differenz Ud unterhalb von S1 liegt, so dass über den Schaltausgang 12 eine Objektmeldung erfolgt. Damit werden mit der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung 1 gleichermaßen transparente und nicht transparente Objekte erfasst.

8 zeigt im oberen Diagramm typische Pegel der integrierten Empfangssignale U1, U2 für unterschiedliche Objekte im Strahlengang. Im unteren Diagramm von 8 ist der aus diesen Empfangssignalen gewonnene Verlauf von Ud dargestellt.

In 8 sind die Pegelverhältnisse der integrierten Empfangssignale U1, U2 und Ud für den freien Strahlengang („freie Strecke"), für eine im Strahlengang befindliche transparente Folie 16 („Folie"), für einen im Strahlengang angeordneten Spiegel („Spiegel") sowie für ein im Strahlengang befindliches nicht transparentes, diffus reflektierendes Objekt („diff. Objekt") dargestellt. Aus 8 ist ersichtlich, dass Ud nur für den Fall eines freien Strahlengangs oberhalb von S1 liegt, wogegen für jede Art eines Objekteingriffs ein Wert von Ud kleiner als S1 erhalten wird.

Zur optimalen Einstellung von Ud kann bei freier Strecke ein Teachvorgang durchgeführt werden, wobei der Sendepegel des ersten Senders 3 so geregelt wird, dass die Differenzspannung Ud gerade einen Schwellwert S2 erreicht, wobei S2 > S1 ist. Die Regelung kann auch durch schrittweise Änderung des Sendepegels durch Inkrementieren oder durch Intervallschachtelung erfolgen. Entsprechend der gewünschten Empfindlichkeit wird der Schwellwert S1 als Bruchteil von S2 berechnet und beide Werte im Parameterspeicher 14 abgelegt. Um eine Drift durch Verschmutzung oder Temperatur zu kompensieren, kann der Sendepegel des ersten Senders 3 in größeren Zeitabständen nachgeführt werden. Dazu wird ein Zählerwert w1 mit jedem Sendepuls dekrementiert, wenn die Differenzspannung Ud den Schwellwert S2 überschreitet, bzw. inkrementiert, wenn Ud zwischen S1 und S2 liegt. Überschreitet w1 einen oberen Schwellwert (z.B. 106), wird der Sendepegel des ersten Senders 3 um einen Pegelschritt erhöht, bzw. bei Unterschreitung eines unteren Schwellwertes (z.B. –106) um einen Pegelschritt dekrementiert und der Zählerwert w1 auf null zurückgesetzt. Die Sendefrequenz der Sender 3, 4 beträgt dabei typischerweise 1 – 50 kHz. Durch den hohen Betrag des Schwellwertes für w1 wird sichergestellt, dass die Nachführung nur langsam erfolgt und nicht durch Objektbewegungen verfälscht wird. Bei Signalpegeln Ud unterhalb des Schwellwertes S1 erfolgt keine Nachführung, weil dann keine freie Strecke vorliegt. Nach einer Reinigung des nicht dargestellten Austrittsfensters der optoelektronischen Vorrichtung 1 liegt der Sendepegel des ersten Senders 3 zu hoch und wird durch die Nachführung automatisch zurückgeregelt, bis Ud den Schwellwert S2 erreicht. Soll die optoelektronische Vorrichtung 1 nach einem Reinigungsvorgang sofort verfügbar sein, kann durch ein externes Signal am Parametereingang 13 ein Teachvorgang ausgelöst werden.

9 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Signalaufbereitungsstufe 11. Die den Empfänger 6 bildende Photodiode wird in Sperrrichtung betrieben und liefert bei Beleuchtung den Fotostrom Ie, der durch den Transistor T1 fließt. Die Transistoren T1 bis T3 bilden einen Stromspiegel, wobei der Strom in T2 den Transistor T4 speist, der zusammen mit T5 einen weiteren Stromspiegel bildet. Über den Diodenschalter D1 bis D4 gelangt der Strom des Transistors T3, bzw. T5 zum Summationspunkt des Tiefpassfilters. In Abhängigkeit vom Taktsignal Ut ist das Diodenpaar D2, D3, bzw. D1, D4 leitend, wodurch der gespiegelte Fotostrom durch C1 positiv, bzw. negativ integriert wird. Durch Parallelschaltung von mehreren Transistoren T3 bis T3k' und T5 bis T5k' wird der Fotostrom um den Faktor k verstärkt. Das Tiefpassfilter 2. Ordnung sorgt dafür, dass die Restwelligkeit klein gehalten wird.

Die Schaltung bietet den Vorteil, dass die Sperrspannung an der Photodiode unabhängig vom Fotostrom konstant bleibt und dadurch die Diodenkapazität nicht umgeladen werden muss, wodurch kurze Sendelichtimpulse 2, 2', bzw. hohe Sendefrequenzen möglich sind. Außerdem befinden sich keine schaltungsbedingten Widerstände im Eingangskreis, die als Rauschquellen wirken könnten. Vorteilhaft ist auch, dass keine Koppelkondensatoren erforderlich sind, die sich bei energiereichen Lichtimpulsen als störende Energiespeicher bemerkbar machen. Da die Umsetzung des Fotostromes in eine Ausgangsspannung erst im Kondensator C1 erfolgt, ist die Schaltung weitgehend unempfindlich gegenüber Störspannungen. Eine derartige Ausbildung der Signalaufbereitungsstufe 11 ist besonders vorteilhaft, wenn diese zusammen mit der Auswerteeinheit 9 als ASIC ausgebildet ist.

10 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Sende- und Empfangspegel für ein weiteres Ausführungsbeispiel der Auswertung der am Empfänger 6 anstehenden Empfangssignale Ie. Analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 stellen US1, US2 die Sendesignale der beiden Sender 3, 4 dar, wobei die Sender 3, 4 periodisch und alternierend Sendelichtimpulse 2, 2' unterschiedlicher Amplitude emittieren.

Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel ist das Taktsignal Ut von einer periodischen Signalfolge gebildet, welches neben fest vorgegebenen Zeitintervallen t1, t2 in mehrere Zufallszeitintervalle tz1, tz2, ... tzn unterteilt ist. Jeweils innerhalb eines Zeitintervalls T1 erfolgt die Emission eines Sendelichtimpulses 2 oder 2'. Dabei wird die Integrationszeit t1 nur so groß gewählt, dass der durch einen Sendelichtimpuls 2, 2' hervorgerufene Fotostrom Ie sicher erfasst wird. Die übrigen Zeitintervalle unterteilen jeweils die nachfolgenden Sendepausen. Je nachdem, ob der Wert von Ut innerhalb eines dieser Zeitintervalle positiv oder negativ ist, wird der Wert des während dieses Zeitintervalls integrierten Empfangssignals Up mit positivem oder negativem Vorzeichen bei der Bildung von Ud berücksichtigt. Dabei wird bei der Bildung von Ud nach wie vor U1 mit positivem Vorzeichen und U2 mit negativem Vorzeichen bei der Bildung von Ud berücksichtigt.

Während der Sendepause, die groß gegenüber der Dauer des ersten Sendelichtimpulses 2 ist, wird die Integrationsrichtung fortlaufend umgeschaltet. Um Fremdlicht mit gleicher Frequenz wie die Sendefrequenz der Sender 3, 4 oder einem ganzzahligen Bruchteil hiervon zu unterdrücken, wird jedes Integrationsintervallpaar von zwei gleichen Zufallszeitintervallen tzn durch einen Zufallswert gebildet, wobei t2 < tZ < t1 ist. Zur Phasenumkehr wird nach dem Intervallpaar t1 die Zeit t2 eingefügt. Der nächste Sendelichtimpuls 2, 2' wird gestartet, wenn die Zeit t3, die der Pulspausenzeit der Sendelichtimpulse 2, 2' entspricht abgelaufen und das aktuelle Intervallpaar abgeschlossen ist. Dadurch ist gewährleistet, dass der Mittelwert von Ut über eine Sendeperiode etwa null bleibt, wodurch Gleichlichteinstrahlungen unterdrückt werden.

1Optoelektronische Vorrichtung 2erster Sendelichtimpuls 2'zweiter Sendelichtimpuls 3erster Sender 4zweiter Sender 5Empfangslichtimpuls 6Empfänger 7Reflektor 8Polarisationsfilter 9Auswerteeinheit 10Polarisationsfilter 11Signalaufbereitungsstufe 12Schaltausgang 13Parametereingang 14Parameterspeicher 15Strahlteilerspiegel 16transparente Folie 17Spiegel 18Linse 19Strahlteilerspiegel 20absorbierende Fläche

Anspruch[de]
  1. Optoelektronische Vorrichtung zur Erfassung von zumindest teilweise transparenten Objekten in einem Überwachungsbereich mit wenigstens einem Empfänger (6), einem ersten Sender (3) und einem zweiten Sender (4), die alternierend Sendelichtimpulse (2, 2') emittieren, wobei die vom ersten Sender (3) emittierten Sendelichtimpulse (2) nicht polarisiert und die vom zweiten Sender (4) emittierten Sendelichtimpulse (2') in einer ersten Polarisationsrichtung polarisiert sind, mit einem Polarisationsfilter (8) mit einer zweiten Polarisationsrichtung, die bezüglich der ersten Polarisationsrichtung gedreht ist, über welchen die ein transparentes Objekt durchsetzenden Sendelichtimpulse (2, 2') geführt sind und als Empfangslichtimpulse (5) auf den Empfänger (6) treffen, und mit einer Auswerteeinheit (9), in welcher das während der Emission eines jeden Sendelichtimpulses (2, 2') am Ausgang des Empfängers (6) anstehende Empfangssignal Ie integriert wird, wobei sich die Integrationszeit von Beginn des Sendelichtimpulses (2, 2') bis zu dessen Ende erstreckt, wobei für jeweils zwei aufeinander folgende Sendelichtimpulse (2, 2') die Differenz Ud der integrierten Empfangssignale U1, U2 gemäß Ud = U1 – U2 gebildet wird und mit einem Schwellwert S1 (S1 > 0) verglichen wird, und wobei eine Objektdetektion vorliegt, falls Ud < S1 ist und ansonsten ein freier Strahlengang vorliegt.
  2. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Sendepausen der Sender (3, 4) das am Ausgang des Empfängers (6) anstehende Empfangssignal Ie integriert wird, und dass das integrierte Empfangssignal Up mit vorgegebenem Vorzeichen zu den integrierten Empfangssignalen U1, U2 hinzuaddiert wird.
  3. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorzeichen des in einer Sendepause integrierten Empfangssignals Up jeweils dem Vorzeichen des integrierten Empfangssignals U1 oder U2 entspricht, welches bei der Emission des vor der jeweiligen Sendepause emittierten Sendelichtimpulses (2, 2') ermittelt wurde.
  4. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Sendepause in mehrere Zeitintervalle untergliedert ist, wobei die in aufeinander folgenden Zeitintervallen ermittelten integrierten Empfangssignale Upi mit alternierenden Vorzeichen gewichtet werden.
  5. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Längen der Zeitintervalle durch einen Zufallswert vorgegeben sind.
  6. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeleistung wenigstens eines Senders (3, 4) mittels eines Regelkreises geregelt ist, so dass bei freiem Strahlengang der Wert des Differenzsignals Ud einem Schwellwert S2 (S2 > S1) entspricht.
  7. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite, polarisier Sendelichtimpulse (2') emittierende Sender (4) von einem Laser gebildet ist.
  8. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem zweiten Sender (4) ein Polarisationsfilter (10) nachgeordnet ist, durch welches die von diesem Sender (4) emittierten Sendelichtimpulse (2') in der ersten Polarisationsrichtung polarisiert sind.
  9. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender (3, 4) den Überwachungsbereich auf einer ersten Seite und der Empfänger (6), welchem das Polarisationsfilter (8) vorgeordnet ist, den Überwachungsbereich auf der gegenüberliegenden Seite begrenzen.
  10. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender (3, 4) und der Empfänger (6) auf einer Seite des Überwachungsbereichs angeordnet sind, und dass der Überwachungsbereich auf der gegenüberliegenden Seite von einem Reflektor (7) begrenzt ist, welchem das Polarisationsfilter (8) vorgeordnet ist, wobei die von den Sendern (3, 4) emittierten Sendelichtimpulse (2, 2') über den Reflektor (7) als Empfangslichtimpulse (5) zum Empfänger (6) geführt sind.
  11. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Seite des Überwachungsbereichs die Sender (3, 4), der Empfänger (6) sowie ein Reflektor (7), welchem das Polarisationsfilter (8) vorgeordnet ist, angeordnet sind, und dass auf der gegenüberliegenden Seite des Überwachungsbereichs ein Spiegel (17) angeordnet ist, so dass die von den Sendern (3, 4) emittierten Sendelichtimpulse (2, 2') am Spiegel (17) reflektiert und zum Reflektor (7) geführt sind und von dort über den Spiegel (17) zum Empfänger (6) geführt sind.
  12. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender (3, 4) und der Empfänger (6), welchem das Polarisationsfilter (8) vorgeordnet ist, auf einer Seite des Überwachungsbereichs angeordnet sind, und dass ein Reflektor (7) auf der gegenüberliegenden Seite des Überwachungsbereichs angeordnet ist, so dass die von den Sendern (3, 4) emittierten Sendelichtimpulse (2, 2') über den Reflektor (7) als Empfangslichtimpulse (5) zum Empfänger (6) geführt sind.
  13. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendelichtimpulse (2, 2') und Empfangslichtimpulse (5) koaxial im Überwachungsbereich verlaufen.
  14. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz Ud in einer an die Auswerteeinheit (9) angeschlossenen Signalaufbereitungsstufe (11) gebildet wird, die eine Anordnung aus Transistoren und Dioden aufweist.
  15. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (9) und die Signalaufbereitungsstufe (11) von einem ASIC gebildet sind.
  16. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Funktionskontrolle der Sender (3, 4) ein Hilfsempfänger vorgesehen ist, wobei Sendelicht im Randbereich des Strahldurchmessers der Sendelichtimpulse (2, 2') ausgekoppelt ist und auf den Hilfsempfänger geführt ist.
Es folgen 6 Blatt Zeichnungen






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