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Dokumentenidentifikation DE102004005460B4 13.07.2006
Titel Optoelektronische Vorrichtung
Anmelder Leuze electronic GmbH & Co KG, 73277 Owen, DE
Erfinder Argast, Martin, 72584 Hülben, DE;
Neuffer, Sven, 73277 Owen, DE
Vertreter Ruckh, R., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 73277 Owen
DE-Anmeldedatum 04.02.2004
DE-Aktenzeichen 102004005460
Offenlegungstag 09.09.2004
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.07.2006
IPC-Hauptklasse G01V 8/10(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01D 5/36(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   E05F 15/20(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   G06K 7/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich.

Aus der DE 44 36 597 A1 ist eine als Barcodelesegerät ausgebildete optoelektronische Vorrichtung bekannt. Das Barcodelesegerät weist einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender sowie einen einzelnen Empfänger auf. Die vom Sender emittierten Sendelichtstrahlen werden über eine Ablenkeinheit in Form eines Polygonspiegelrads abgelenkt und werden auf diese Weise periodisch innerhalb eines Erfassungsbereichs geführt. Der Überwachungsbereich ist durch ein Kontrastmuster in Form eines Barcodes begrenzt. Mit den Sendelichtstrahlen wird bei freiem Strahlengang das Kontrastmuster vollständig abgetastet. Bei einem Objekteingriff wird das Kontrastmuster nicht mehr vollständig erfasst, worauf von der optoelektronischen Vorrichtung eine Objektmeldung ausgegeben wird.

Nachteilig bei dieser optoelektronischen Vorrichtung ist, dass die Ablenkeinheit zur Strahlablenkung der Sendelichtstrahlen einen erheblichen konstruktiven Aufwand der optoelektronischen Vorrichtung bedingt, wobei zudem durch die bewegten Teile der Ablenkeinheit die Lebensdauer der optoelektronischen Vorrichtung begrenzt ist. Weiterhin ist durch die Periodendauer der Abtastbewegung der Sendelichtstrahlen die Ansprechzeit der optoelektronischen Vorrichtung bei der Objektdetektion begrenzt.

Die 199 51 557 A1 betrifft eine optoelektronische Vorrichtung zum Erfassen von Objekten in einem von einer Referenzfläche begrenzten Überwachungsbereich mit wenigstens einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger. Der Empfänger weist ein Nah- und Fernelement auf, wobei die aus großen Distanzen von Objekten zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen vorwiegend auf das Nahelement geführt sind. Während eines Einlernvorgangs sind die Sendelichtstrahlen auf die Referenzfläche gerichtet. Dabei ist oder sind die Differenz und/oder die Summe der Empfangssignale an den Ausgängen des Nah- und Fernelements auf einen Referenzwert oder auf Referenzwerte jeweils innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbandes liegend einstellbar. Nach Beendigung des Einlernvorgangs wird bei Abweichen der aktuellen Differenzen und/oder der Summen der Empfangssignale an den Ausgängen des Nahelements und Fernelements von dem Referenzwert oder den jeweiligen Referenzwerten eine Objektmeldung generiert.

Aus der DE 102 02 305 A1 ist ein optischer Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich bekannt, welcher jeweils wenigstens einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und eine Auswerteeinheit zur Auswertung der am Empfänger anstehenden Empfangssignale aufweist. Die Sendelichtstrahlen sind über ein im Überwachungsbereich angeordnetes Reflexionselement oder Transmissionselement geführt, welches eine aktive Fläche mit einem vorgebbaren Muster von Reflexionskoeffizienten oder Transmissionskoeffizienten aufweist, wodurch den auf den Empfänger geführten Empfangslichtstrahlen eine Kodierung aufgeprägt ist, welche in der Auswerteeinheit erfasst wird.

Die DE 102 11 779 A1 betrifft eine optoelektronische Vorrichtung zur Erfassung von Marken und weist einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger, Mittel zur Führung der Sendelichtstrahlen innerhalb eines Abtastbereichs und eine Auswerteeinheit zur Auswertung der am Ausgang des Empfängers anstehenden Empfangssignale auf. Die zu erfassenden Marken bilden eine Positionsmaßsystem. Durch Erfassung von Marken des Positionsmaßsystems zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten wird in der Auswerteeinheit aus der zwischen diesen Zeitpunkten registrierten Positionsänderungen der optoelektronischen Vorrichtung relativ zum Positionsmaßsystem die Geschwindigkeit der optoelektronischen Vorrichtung relativ zum Positionsmaßsystem bestimmt.

Die DE 197 30 341 A1 betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer optoelektronischen Sensoranordnung mit einer Lichtempfangseinheit zum empfang von aus einem Überwachungsbereich stammenden Licht und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit. Bei dem Verfahren wird die Lichtempfangseinheit in mehrere Empfangszonen unterteilt, die jeweils einer Objektzone im Überwachungsbereich entsprechen.

In der DE 198 46 002 A1 ist ein Verfahren zur Festlegung der Betriebsbedingungen eines Lichtkontrasttasters, der Sendelicht mit unterschiedlichen Wellenlängen emittiert, beschrieben.

Die DE 100 26 711 A1 betrifft ein Bildverarbeitungssystem mit einer Kamera zur Überwachung der Positionen von beweglichen Objekten.

Die DE 101 43 504 A1 betrifft einen Sensor, der gemäß einem strukturierten Beleuchtungsmuster Sendelicht in einen Überwachungsbereich aussendet, um dort Objekte zu erfassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine optoelektronische Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels derer bei geringem konstruktiven Aufwand eine sichere Objektdetektion mit geringer Ansprechzeit ermöglicht wird.

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

Die erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung dient zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich. Die optoelektronische Vorrichtung weist eine Empfängereinheit auf, welche aus wenigstens einer Empfängerzeile mit einer linearen Anordnung von Empfangselementen besteht. Ebenso beinhaltet die erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung eine Auswerteeinheit zur Auswertung von an den Ausgängen der Empfangselemente anstehenden Empfangssignalen. Die erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung weist ein den Überwachungsbereich begrenzendes Kontrastmuster auf, welches auf die Empfängerzeile abgebildet ist. Die dem Kontrastmuster entsprechenden Empfangssignale sind in einem Einlernvorgang in der Auswerteeinheit als Referenzsignale abgespeichert. Während einer auf den Einlernvorgang folgenden Betriebsphase wird in der Auswerteeinheit durch Vergleich von aktuell registrierten Empfangssignalen mit den Referenzsignalen ein Objektfeststellungssignal generiert.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, das den Überwachungsbereich begrenzende Kontrastmuster in einem Einlernvorgang auf die Empfangselemente der wenigstens einen Empfängerzeile abzubilden, so dass die Struktur des Kontrastmusters ortsaufgelöst in Form der Referenzsignale in der Auswerteeinheit der optoelektronischen Vorrichtung hinterlegt ist.

Dringt während der auf den Einlernvorgang folgenden Betriebsphase ein Objekt in den Überwachungsbereich zwischen Kontrastmuster und optoelektronischer Vorrichtung ein, so kann aus dem vom Objekt abgedeckten Teil des Kontrastmusters beziehungsweise aus dem noch erkennbaren, nicht abgedeckten Teil des Kontrastmusters nicht nur das Vorhandensein eines Objektes, sondern bei bekannten Geometriedaten des Kontrastmusters auch dessen Distanz ermittelt werden. Weiterhin kann auch die Bewegungsrichtung und/oder die Geschwindigkeit des Objekts im Überwachungsbereich erfasst werden. Schließlich kann auch die Lage und Orientierung eines Objekts erfasst werden. Bei einer optoelektronischen Vorrichtung mit zwei Empfängerzeilen können auch räumliche Objektstrukturen detektiert werden. Schließlich können auch die Größen und Anzahlen von Objekten im Überwachungsbereich bestimmt werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung weist die optoelektronische Vorrichtung nur eine Empfängereinheit jedoch keinen Sender auf. In diesem Fall wird allein vorhandenes Umgebungslicht zur Objektdetektion ausgenutzt. Die optoelektronische Vorrichtung weist in diesem Fall einen besonders einfachen und kostengünstigen Aufbau auf. Weiterhin ist vorteilhaft, dass die optoelektronische Vorrichtung einen äußerst geringen Energiebedarf hat und sich damit für energieautarke Anwendungen eignet.

Die Kontrastmuster können in diesem Fall von passiven Systemen wie Barcodes oder Objekten mit definierten Tiefenprofilen oder auch natürlichen Hintergrundobjekten, wie zum Beispiel Gitterrosten, Fensterreihen, Pfostenanordnungen oder dergleichen, gebildet sein.

Weiterhin können die Kontrastmuster von aktiven Elementen in Form von Lichtquellen, wie zum Beispiel Anordnungen von Lampen oder LED-Elementen, generiert werden. Besonders vorteilhaft hierbei ist, dass diese zur Generierung zeitlich variierender Kontrastmuster einzeln oder in Gruppen in vorgegebenen Taktsequenzen aktiviert werden können. Dadurch wird beispielsweise eine zyklische Tastung der optoelektronischen Vorrichtung ermöglicht.

Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung weist die optoelektronische Vorrichtung zusätzlich zur Empfängereinheit einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender auf. Wesentlich hierbei ist, dass mit dem Sender ein definierter Anteil eines diskreten Kontrastmusters aus Reflexfolien oder Reflektoren ausgeleuchtet wird, wobei die Strahlachse der Sendelichtstrahlen festliegt, das heißt es wird keine Ablenkeinheit zur Strahlablenkung der Sendelichtstrahlen benötigt. Ein Teil des von den Sendelichtstrahlen ausgeleuchteten Erfassungsbereichs wird vom Detektionsbereich der Empfängerzeile erfasst. Auf diese Weise werden als Kontrastmuster diskrete Segmente von Reflektoren oder Reflexfolien erfasst. Der Überwachungsbereich ist somit durch ein Kontrastmuster bestehend aus diskreten Abschnitten begrenzt. Die so durchgeführte Objekterfassung im Überwachungsbereich kann ohne großen Rechenaufwand durchgeführt werden.

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

1: Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der optoelektronischen Vorrichtung.

2: Geometrie der Kontrastmusterabbildung auf die Empfängerzeile der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 1 mit zugehörigem Überwachungsbereich.

3: Kontrastmuster für die optoelektronische Vorrichtung gemäß 1 mit äquidistanten Kontrastbalken.

4(a–d): Diagramme der Signalmuster auf der Empfängerzeile der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 1 bei der Auswertung durch Vergleich mit einem Referenzsignalmuster.

5: Beispielhafte Geometrie eines weiteren Kontrastmusters für die optoelektronische Vorrichtung gemäß 1.

6a–c: Kontrastmusterabbildung bei seitlicher Positionierung eines Kontrastmusters relativ zur optoelektronischen Vorrichtung gemäß 1.

7: Einstellung der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 1 auf eine Solldistanz relativ zu einem Kontrastmuster.

8a, b: Beispiele für farbempfindliche Empfängerzeilen für die optoelektronische Vorrichtung gemäß 1.

9: Erstes Beispiel einer Zusatzbeleuchtung für die optoelektronische Vorrichtung gemäß 1.

10: Ausführungsform eines Kontrastmusters für die optoelektronische Vorrichtung gemäß 1 in Form eines Oberflächenprofils.

11: Zweites Beispiel einer Zusatzbeleuchtung für die optoelektronische Vorrichtung gemäß 1.

12: Beispiel einer aktiven Beleuchtung zur Ausbildung eines Kontrastmusters für die optoelektronische Vorrichtung gemäß 1.

13: Diagramm der Lampeneinschaltphasen der Anordnung nach 12.

14: Beispiel einer Kontrastmustererzeugung durch Schattenbildung.

15: Erstes Applikationsbeispiel einer Objektdetektion mittels der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 1 in Fließprozessen durch horizontale Abtastung und horizontale Kontrastmusteranordnung.

16: Zweites Applikationsbeispiel einer Objektdetektion mittels der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 1 in Fließprozessen durch horizontale Abtastung und vertikale Kontrastmusteranordnung.

17: Drittes Applikationsbeispiel einer Objektdetektion mittels der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 1 in Fließprozessen durch vertikale Abtastung auf eine Transportauflagefläche.

18: Viertes Applikationsbeispiel einer Objektdetektion mittels der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 1 in Fließprozessen durch vertikale Abtastung auf eine Transportauflagefläche mit der Kontrastmusteranordnung quer zur Objektbewegungsrichtung.

19: Draufsicht der Anordnung gemäß 18.

20a–c: Diagramme der Signalmuster auf der Empfängerzeile der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 1 zur Bestimmung der Objektposition in x- und z-Richtung bei der Anordnung gemäß 18.

21: Diagramm des Signalmusters auf der Empfängerzeile der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 1 zur Bestimmung der Objektschräglage bei der Anordnung gemäß 18.

22: Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der optoelektronischen Vorrichtung.

23: Geometrie einer Kontrastmusterabbildung für die optoelektronische Vorrichtung gemäß 22.

24: Signalmuster auf der Empfängerzeile der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 22 für das Kontrastmuster gemäß 23.

25: Signalmuster auf der Empfängerzeile der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 22 für ein weiteres Kontrastmuster.

26: Signalmuster auf der Empfängerzeile der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 22 für ein weiteres Kontrastmuster.

27: Erstes Beispiel zur Definition von Toleranzbändern zur Objekterfassung für das Kontrastmuster gemäß 26.

28: Zweites Beispiel zur Definition von Toleranzbändern zur Objekterfassung für das Kontrastmuster gemäß 26.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Vorrichtung 1 zur Objekterfassung in einem Überwachungsbereich, der durch ein Kontrastmuster 2 begrenzt ist. Während eines Einlernvorgangs wird mittels der optoelektronischen Vorrichtung 1 das Kontrastmuster 2 bei freiem Überwachungsbereich erfasst. Dabei wird Umgebungslicht 3, welches auf das Kontrastmuster 2 auftrifft, in Form von Empfangslichtstrahlen 4 von diesem auf eine Empfängerzeile 5 als Bestandteil einer Empfängereinheit der optoelektronischen Vorrichtung 1 geführt. Die Empfängerzeile 5 weist eine lineare Anordnung von Empfangselementen auf und besteht im vorliegenden Fall aus einer CCD-Zeile oder einer CMOS-Zeile.

Wie aus 2 ersichtlich wird das Kontrastmuster 2 vollständig auf die Empfangselemente der Empfängerzeile 5 abgebildet, wobei die vom Kontrastmuster 2 zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 4 über eine Empfangsoptik 6 auf die Empfängerzeile 5 abgebildet werden.

An die Empfängerzeile 5 ist eine Auswerteeinheit 7 angeschlossen, in welcher die Empfangssignale an den Ausgängen der Empfangselemente der Empfängerzeile 5 zur Generierung eines Objektfeststellungssignals ausgewertet werden. An die Auswerteeinheit 7, die von einem Mikroprozessor oder dergleichen gebildet ist, ist ein Schaltausgang 8 zur Ausgabe eines Objektfeststellungssignals in Form eines binären Schaltsignals angeschlossen. Weiterhin ist an die Auswerteeinheit 7 eine serielle Schnittstelle 9 angeschlossen, über welche Objektfeststellungssignale in Form von Analogsignalen ausgebbar sind. Zudem können über die serielle Schnittstelle 9 Parameterwerte in die optoelektronische Vorrichtung 1 eingelesen werden.

Die bei der Erfassung des Kontrastmusters 2 während des Einlernvorganges an den Ausgängen der Empfangselemente registrierten Empfangssignale bilden Referenzsignale. Das von den Referenzsignalen gebildete Referenzsignalmuster wird in der Auswerteeinheit 7 abgespeichert.

Zur Erfassung von Objekten 10 im Überwachungsbereich während der auf den Einlernvorgang folgenden Betriebsphase der optoelektronischen Vorrichtung 1 werden die jeweiligen aktuellen Empfangssignale als Empfangssignalmuster mit dem abgespeicherten Referenzsignalmuster verglichen.

Im einfachsten Fall wird eine Objektdetektion durch ein Objektfeststellungssignal in Form eines binären Schaltsignals am Schaltausgang 8 ausgegeben. Dabei nimmt das Schaltsignal den Schaltzustand „freier Überwachungsbereich" ein, falls das Empfangssignalmuster mit dem Referenzsignalmuster übereinstimmt. Falls das Empfangssignalmuster vom Referenzsignalmuster abweicht, nimmt das Schaltsignal den Schaltzustand „Objekt erkannt" ein. Vorzugsweise erfolgt der Vergleich der Empfangssignalmuster mit dem Referenzsignalmuster innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen. Dabei liegt ein Abweichen eines Empfangssignals vom zugehörigen Referenzsignal dann vor, wenn das Empfangssignal außerhalb eines Toleranzbandes um den Referenzsignalwert liegt.

3 zeigt eine weitere Auswertemöglichkeit mit einem Kontrastmuster 2 mit äquidistanten Kontrastmusterelementen, wobei die Position einer eintauchenden Objektkante durch Zählen der noch sichtbaren Kontrastmusterelemente erfolgt. Dabei sind die Positionen der Kontrastmusterelemente in 3 mit K bezeichnet.

4 zeigt eine weitere Auswertemöglichkeit zur Objekterfassung durch den Vergleich des eingelernten Referenzsignalmusters (4b) mit dem aktuellen Empfangssignalmuster (4a). Dabei sind in 4b die das Referenzsignalmuster bildenden Referenzsignale Rn der Empfangselemente n = 1, ... N aufgetragen und in 4a die Empfangssignale En des Empfangssignalmusters. Durch Differenzbildung (4c) und anschließende Absolutwertbildung (4d) der Differenz En – Rn erscheint das Objekt 10 als positives Signal, wogegen das noch sichtbare Kontrastmuster 2 als Nullsignalpegel erscheint. Durch diese Auswertung kann die Lage und Größe des Objektes 10 im Überwachungsbereich erfasst und als analoges Objektfeststellungssignal ausgegeben werden.

5 zeigt verschiedene Bereiche eines Kontrastmusters 2. Im mittleren Bereich B1 des Kontrastmusters 2 sind die Kontrastmusterelemente bildenden Kontrastbalken 11 mit der Höhe d2 vorzugsweise schmaler als im äußeren Bereich, um die optoelektronische Vorrichtung 1 relativ zum Kontrastmuster 2 genauer positionieren zu können. Die Randbereiche 33 sind als kontrastfreie Zonen ausgeführt. Der Bereich B2 mit der Höhe d3 wird auf der Empfängerzeile 5 abgebildet.

6 zeigt das Kontrastmuster 2 gemäß 5 relativ zur Empfängerzeile 5 mit den Empfangselementen n(1 ... N) bei der Justage der optoelektronischen Vorrichtung 1 bezüglich der seitlichen Position während der Inbetriebnahme. Bei seitlichem Versatz des Kontrastmusters 2 relativ zur optoelektronischen Vorrichtung 1, wie in 6a dargestellt, überwiegen die hellen Kontrastbalken 11 und es wird eine Meldung zur Positionskorrektur des Kontrastmusters 2 nach rechts generiert. In 6c wird eine Meldung zur Korrektur in die andere Richtung ausgegeben. In 6b sind die Flächenanteile der hellen und dunklen Kontrastbalken 11 ausgeglichen und das Kontrastmuster 2 ist damit zentriert.

7 zeigt das Kontrastmuster 2 in einem Abstand d5 zur optoelektronischen Vorrichtung 1. Durch Zählen der Kontrastbalken 11, beziehungsweise des Abstandes der Kontrastbalken 11 kann die Distanz d5 zur optoelektronischen Vorrichtung 1 berechnet werden. Zur Anpassung der Fokuslage der optoelektronischen Vorrichtung 1 kann der Abstand d4 zwischen der Empfangsoptik 6 und der Empfängerzeile 5 durch mechanische Verschiebung angepasst werden. Dem Abstand d5' entspricht ein bestimmter Empfangsfokus d4, der automatisch durch einen Motor nachgeführt werden kann.

8a zeigt eine Empfängerzeile 5 für die optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß 1 mit zwei nebeneinander liegenden Zeilen, die für verschiedene Farben unterschiedliche Empfindlichkeit aufweisen und damit Farbkontraste erkennen können. Prinzipiell können auch mehr als zwei derartige Zeilen eingesetzt werden. 8b zeigt eine weitere Ausführungsform einer farbempfindlichen Empfängerzeile 5, bei der Empfangselemente mit unterschiedlicher Farbempfindlichkeit in einer Reihe angeordnet sind.

9 zeigt eine erste Möglichkeit einer Beleuchtungseinheit zur Beleuchtung des Kontrastmusters 2. Die Beleuchtungseinheit besteht im vorliegenden Fall aus einer schräg auf das Kontrastmuster 2 gerichteten Lichtquelle 12, deren Lichtstrahlen 13 durch eine Aufweitungsoptik 12a zu einem an die Geometrie des Kontrastmusters 2 angepassten Lichtkegel geformt sind.

10 zeigt ein Kontrastmuster 2, dessen vertikale Kontrastbalken 11 durch Einfräsungen erzeugt werden, in denen einfallendes Licht durch Mehrfachreflexion an den Innenflächen weitgehend absorbiert wird.

11 zeigt eine zweite Variante einer Beleuchtungseinheit zur Beleuchtung eines Kontrastmusters 2. Die Beleuchtungseinheit besteht aus einer Lichtquelle 12, die von hinten das auf einem transparenten Medium aufgebrachte Kontrastmuster 2 beleuchtet. Alternativ kann das Kontrastmuster 2 aus einem Medium mit Durchbrüchen bestehen, durch welche die Lichtstrahlen 13 zur Empfängerzeile 5 der optoelektronischen Vorrichtung 1 gelangen.

12 zeigt ein aktives Kontrastmuster 2, das durch eine Leiste mit Lampen L1, L1', ... und L2, L2', ... gebildet wird. Alternativ zu einer statischen Beleuchtung können die Lampen L1, L1', ... alternierend zu den Lampen L2, L2' geschaltet werden, so dass sich ein zeitlich wechselndes Kontrastmuster 2 ergibt.

13 zeigt den zeitlichen Verlauf der Lampeneinschaltzeiten nach 12. Dabei wird zwischen dem Wechsel von L1 zu L2 eine Pause eingefügt, in der alle Lampen L1 und L2 aus sind, so dass dann über die Empfängerzeile 5 die Umgebungslichtverhältnisse aufgenommen werden, um sie in der aktiven Beleuchtungsphase zu berücksichtigen und damit Fremdeinflüsse zu unterdrücken. Mit dieser Anordnung ist vorteilhaft eine Testung von als Sicherheitsvorrichtungen ausgebildeten optoelektronischen Vorrichtungen 1 realisierbar.

14 zeigt ein Massivteil zur Ausbildung eines Kontrastmusters 2, dessen Kontrastbalken 11 dadurch erzeugt werden, dass das Massivteil sägezahnförmige Tiefenprofile aufweist und eine im seitlichen Abstand zur optoelektronischen Vorrichtung 1 angeordnete Lichtquelle 12 das Massivteil mit Lichtstrahlen 13 schräg beleuchtet, wobei die der Lichtquelle 12 abgewandte Profilfläche einen Schatten erzeugt. Durch periodisches Ein- und Ausschalten der Lichtquelle 12 können störende Kontraste auf dem zu detektierenden Objekt 10 oder kontrasterzeugendes Fremdlicht erkannt und in der Auswertung kompensiert werden.

15 zeigt ein erstes Applikationsbeispiel einer Objektdetektion in Fließprozessen, mittels der optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß 1. In diesem Fall werden Objekte 10 auf einer Rollenbahn mit einer Anordnung von Rollen 14 gefördert. Das Kontrastmuster 2 ist dabei horizontal und damit parallel zur Förderrichtung der Rollenbahn, welche mit einem Pfeil gekennzeichnet ist, angeordnet, so dass das Objekt 10 bereits beim Eintauchen erkannt wird. Zudem kann die grobe Objektposition, die Eintauchrichtung und die Fördergeschwindigkeit des Objektes 10 durch Auswerten des noch sichtbaren, nicht vom Objekt 10 verdeckten Teils des Kontrastmusters 2 ermittelt werden.

16 zeigt ein zweites Applikationsbeispiel einer Objektdetektion in Fließprozessen mittels der optoelektronischen Vorrichtung 1. Die Anordnung gemäß 16 entspricht im Wesentlichen der Anordnung gemäß 15. Im Unterschied zur Anordnung gemäß 15 verläuft bei der Anordnung gemäß 16 die Längsachse des Kontrastmusters 2 in vertikaler Richtung und damit senkrecht zur Förderrichtung der Objekte 10. Durch diese Anordnung des Kontrastmusters 2 kann die Objektposition in Bewegungsrichtung sehr genau detektiert werden. Außerdem werden bei dieser Anordnung auch Objekte 10 erkannt, die überstehende Teile aufweisen. Des Weiteren kann mittels der optoelektronischen Vorrichtung 1 auch die grobe Objekthöhe bestimmt werden.

17 zeigt ein drittes Applikationsbeispiel einer Objektdetektion durch vertikale Abtastung über der Rollenbahn, deren Anordnung dem Ausführungsbeispiel gemäß 15 entspricht. Die optoelektronische Vorrichtung 1 ist in diesem Fall oberhalb der Rollen 14 angeordnet, welche mit dem Hintergrund 15 unterhalb der Rollen 14 das Kontrastmuster 2 bilden. Wesentlich hierbei ist, dass die Rollen 14 und der Hintergrund 15 verschiedene Reflexionskoeffizienten aufweisen.

18 zeigt ein viertes Applikationsbeispiel einer Objektdetektion, bei welcher die optoelektronische Vorrichtung 1 wiederum oberhalb einer Rollenbahn angeordnet ist. Dabei ist die Empfängerzeile 5 quer zur Objektbewegungsrichtung x angeordnet. Das Objekt 10 liegt auf einer Transportauflage 15 auf. An der Unterseite der Transportauflage 15 ist ein Keil 16 befestigt, an dessen Oberfläche das Kontrastmuster 2 angeordnet ist. Das Kontrastmuster 2 ist durch einen Spalt zwischen zwei Rollen 14 oder im vorliegenden Fall einen Schlitz 17 in der Transportauflage 15 sichtbar. Um die Verschmutzung des Kontrastmusters 2 durch herabfallende Teile zu verhindern, ist der Keil 16 mit dem Kontrastmuster 2 schräg nach unten geneigt. Zur Kontrasterhöhung ist eine Lichtquelle 12 vorgesehen, deren Lichtstrahlen 13 das Kontrastmuster 2 beleuchten. Die vom Kontrastmuster 2 reflektierten Empfangslichtstrahlen 4 sind bei freiem Überwachungsbereich zur optoelektronischen Vorrichtung 1 geführt.

19 zeigt die Anordnung nach 18 von oben. Beim Eintauchen des Objektes 10 in den Abbildungsbereich 18 der Empfängerzeile 5 wird das vom Kontrastmuster 2 gebildete Referenzsignalmuster verändert und es kann die Position des Objektes 10 in Objektbewegungsrichtung x durch die Intensität des aktuellen Empfangssignalmusters in diesem Abschnitt, beziehungsweise die seitliche Objektposition oder Objektbreite in z-Richtung bestimmt werden.

20 zeigt die Verläufe der aktuellen Empfangssignalmuster, das heißt der Empfangssignale En der Empfangselemente n = 1, ... N der Empfängerzeile 5, für die schrittweise Annäherung des Objektes 10 an eine seitliche Führungsschiene 19. 20b zeigt den Verlauf des Empfangssignalmusters, bei dem die Amplituden der Empfangssignale in dem durch das Objekt 10 teilweise abgedeckten Bereich x1 auf den Betrag z1 reduziert werden. Durch den Messwert x1 kann die Objekteindringtiefe in x-Richtung und durch z1 die Spaltbreite zwischen Objekt 10 und Führungsschiene 19 ermittelt werden.

21 zeigt die Anordnung nach 20, für den Fall, dass das Objekt 10 schräg an die Führungsschiene 19 stößt und die Schräglage des Objektes 10 ermittelt werden soll, was durch die Auswertung der unterschiedlichen Beträge z2 und z3 der entsprechenden Empfangssignale ermöglicht wird.

22 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Vorrichtung 1. Die optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß 22 weist einen im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß 1 entsprechenden Aufbau auf. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 weist die optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß 1 zusätzlich zur Empfängereinheit mit der Empfängerzeile 5 einen Sendelichtstrahlen 20 emittierenden Sender 21 auf.

Weiterhin ist im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 bei der optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß 22 ein Kontrastmuster 2 vorgesehen, welches aus einem einzelnen streifenförmigen Reflektor 22 besteht. Anstelle eines Reflektors 22 kann eine Reflexfolie eingesetzt werden.

23 zeigt die optischen Komponenten der optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß 22 bei freiem Überwachungsbereich. Die vom Sender 21 emittierten Sendelichtstrahlen 20 werden über eine Sendeoptik 23 geführt. Mittels der Sendeoptik 23 wird ein elliptischer Sendelichtfleck der Sendelichtstrahlen 20 generiert, welcher den Beleuchtungsbereich 24 definiert, der mit den Sendelichtstrahlen 20 erfasst wird.

Die vom Kontrastmuster 2 zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 4 werden mittels der Empfangsoptik 6 auf die Empfängerzeile 5 reflektiert. In 23 ist mit der Bezugsziffer 18 der Abbildungsbereich der Empfängerzeile 5 bezeichnet. Der Abbildungsbereich 18 bildet dabei als Teil des Beleuchtungsbereichs 24 den Bereich, von dem Empfangslichtstrahlen 4 auf die Empfängerzeile 5 abgebildet werden.

Wie aus 23 ersichtlich verlaufen die Längsachsen des Beleuchtungsbereichs 24 und des Abbildungsbereichs 18 jeweils senkrecht zur Längsachse des streifenförmigen Reflektors 22, der das Kontrastmuster 2 bildet.

Die Überlappungsfläche des Beleuchtungsbereichs 24 des Senders 21 und des Reflektors 22 bildet den aktiven Detektionsbereich 25, innerhalb dessen Objekte 10 vor dem Kontrastmuster 2 erfassbar sind. Das entsprechende Referenzsignalmuster in Form der bei freiem Überwachungsbereich in der Auswerteeinheit 7 eingelernten Referenzsignale Rn für die einzelnen Empfangselemente n = 1, ... N ist in 24 dargestellt. Der aktive Detektionsbereich 25 ist durch die Empfangselemente n1 ≤ n ≤ n2 definiert, für welche von dem Reflektor 22 zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 4 registriert werden.

25 zeigt das Referenzsignalmuster für ein Kontrastmuster 2, welches von einem Reflektor 22 gebildet ist, auf welchem eine Hälfte des Beleuchtungsbereichs 24 beziehungsweise Abbildungsbereichs 18 abgebildet wird. Hier liegt der aktive Detektionsbereich 25 zwischen den Empfangselementen n1 ≤ n ≤ N.

26 zeigt das Referenzsignalmuster für ein Kontrastmuster 2, welches von zwei streifenförmigen Reflektoren 22 gebildet ist, deren Längsachsen parallel zueinander und senkrecht zu den Längsachsen des Beleuchtungsbereichs 24 und des Abbildungsbereichs 18 verlaufen. Hier entstehen durch den Schnitt der Oberflächen der Reflektoren 22 mit dem Beleuchtungsbereich 24 zwei aktive Detektionsbereiche 25. Diese Detektionsbereiche 25 entsprechen den Empfangselementen n1 ≤ n ≤ n2 und n3 ≤ n ≤ n4 der Empfängerzeile 5.

27 zeigt eine erste Ausführungsform zur Auswertung von Empfangssignalen En während der Betriebsphase der optoelektronischen Vorrichtung 1. Relativ zu dem Referenzsignalmuster gemäß 26 wird ein Toleranzband definiert, welches in 27 als weißer Bereich zwischen den beiden schraffierten Bereichen gekennzeichnet ist. Die Lage der Toleranzbänder wird durch die Schwellwerte S1 und S2 definiert, wobei der Schwellwert S2 die Lage des Toleranzbandes um die Referenzsignale in den aktiven Detektionsbereichen 25 bei n1 ≤ n ≤ n2 und n3 ≤ n ≤ n4 und der Schwellwert S1 die Lage des Toleranzbandes außerhalb der aktiven Detektionsbereiche 25 definiert. Ein Objekt 10 gilt dann als erkannt, wenn während der Betriebsphase wenigstens ein Empfangssignal En außerhalb des Toleranzbandes registriert wird.

Während bei der Ausführungsform gemäß 27 sämtliche Empfangssignale En zur Objektdetektion herangezogen werden, werden bei der Auswertung gemäß 28 nur diskrete Empfangssignale En bei n = nA, nB, nC zur Objektdetektion herangezogen.

Entsprechend dem Beispiel gemäß 27 wird bei dem Beispiel gemäß 28 eine Detektion von Objekten 10 vor dem Kontrastmuster 2 gemäß 26 durchgeführt, wobei die entsprechenden Referenzsignale Rn des Referenzsignalmusters in der Auswerteeinheit 7 abgespeichert sind. Im vorliegenden Fall werden aus dem Referenzsignalmuster bei n = nA, nB, nC bezüglich der entsprechenden Referenzsignale Toleranzbänder TA, TB, TC durch die Schwellwerte S1, S2, S3 definiert. Ein Objekt 10 gilt dann während der Betriebsphase als erkannt, wenn bei n = nA, nB, nC wenigstens eines der Empfangssignale außerhalb der Toleranzbänder TA, TB, TC liegen.


Anspruch[de]
  1. Optoelektronische Vorrichtung (1) zur Erfassung von Objekten (10) in einem Überwachungsbereich mit einer Empfängereinheit, bestehend aus wenigstens einer Empfängerzeile (5) mit einer linearen Anordnung von Empfangselementen, mit einer Auswerteeinheit (7) zur Auswertung von an den Ausgängen der Empfangselemente anstehenden Empfangssignalen, und mit einem den Überwachungsbereich begrenzenden Kontrastmuster (2), welches auf die Empfängerzeile (5) abgebildet ist, wobei die dem Kontrastmuster (2) entsprechenden Empfangssignale der Empfangselemente in einem Einlernvorgang in der Auswerteeinheit (7) als Referenzsignale abgespeichert sind, und wobei während einer auf den Einlernvorgang folgenden Betriebsphase in der Auswerteeinheit (7) durch Vergleich von aktuell registrierten Empfangssignalen mit den Referenzsignalen ein Objektfeststellungssignal generiert wird.
  2. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektfeststellungssignal als binäres Schaltsignal ausgebildet ist, welches den Schaltzustand „freier Überwachungsbereich" einnimmt, falls die dem Kontrastmuster (2) entsprechenden Referenzsignale vollständig erkannt werden, und welches bei unvollständiger Erkennung der Referenzsignale den Überwachungszustand „Objekt erkannt" einnimmt.
  3. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei in der Auswerteeinheit (7) abgespeicherten Geometriedaten des Kontrastmusters (2) aus den Referenzsignalen der Abstand des Kontrastmusters (2) bestimmbar ist.
  4. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den aktuellen Empfangssignalen die Lage eines Objektes (10) innerhalb des Überwachungsbereichs bestimmbar ist.
  5. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den aktuellen Empfangssignalen die Größe und/oder die Anzahl von Objekten (10) im Überwachungsbereich bestimmbar ist.
  6. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den aktuellen Empfangssignalen die Distanz eines Objektes (10) bestimmbar ist.
  7. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus den aktuellen Empfangssignalen die Bewegungsrichtungen und/oder die Geschwindigkeiten von Objekten (10) bestimmbar sind.
  8. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrastmuster (2) von einer Anordnung von Kontrastbalken (11) unterschiedlicher Reflektivität gebildet ist.
  9. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrastbalken (11) jeweils dieselbe Größe aufweisen.
  10. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrastmuster (2) von einem Barcode gebildet ist.
  11. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrastmuster (2) von den Oberflächen von stationären, den Überwachungsbereich begrenzenden Objekten (10) gebildet ist.
  12. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Beleuchtungseinheit zur Beleuchtung des Kontrastmusters (2) aufweist.
  13. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese Lichtquellen (12) zur Generierung des Kontrastmusters (2) aufweist.
  14. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängerzeile (5) von einer CCD-Zeile oder einer CMOS-Zeile gebildet ist.
  15. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass diese mehrere Empfängerzeilen (5) zur Erfassung räumlicher Objektstrukturen aufweist.
  16. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Empfängerzeile (5) als Farbsensor ausgebildet ist.
  17. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Empfängerzeile (5) mit Empfangselementen unterschiedlicher Farbempfindlichkeiten aufweist.
  18. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass diese mehrere Empfängerzeilen (5) mit Empfangselementen unterschiedlicher Farbempfindlichkeiten aufweist.
  19. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen der Empfängereinheit zugeordneten, Sendelichtstrahlen (20) emittierenden Sender (21) aufweist, und dass das den Überwachungsbereich begrenzende Kontrastmuster (2) von einer Anordnung von Reflektoren (22) oder Reflexfolien gebildet ist, welche diskrete Segmente des von der Empfängerzeile (5) erfassten Abbildungsbereich (18) und/oder des von den Sendelichtstrahlen (20) ausgeleuchteten Beleuchtungsbereichs (24) überdecken.
Es folgen 16 Blatt Zeichnungen






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