DE10254888B4

DE10254888B4 - Reflexionslichttaster

Info

Publication number: DE10254888B4
Application number: DE10254888A
Authority: DE
Inventors: Steffen Walz; Rainer BÖNICK
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2022-11-22
Also published as: DE10254888A1

Abstract

Reflexionslichttaster mit Hintergrundausblendung zur Detektion von Objekten unter Ausnutzung der diffusen Reflexion an der Objektoberfläche mit einem Lichtsender (1) und mit zwei oder mehreren Lichtempfangselementen (6, 7), von denen mindestens eines Strahlung aus dem Nahbereich und mindestens eines Strahlung aus dem Fernbereich empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtempfangselemente (6, 7) für den Nah- und den Fernbereich räumlich getrennt voneinander in voneinander getrennten Tuben (16, 17) angeordnet sind und die Gesichtfelder der Lichtempfangselemente (6, 7) durch für jedes Empfangselement separate Blenden (13, 14) bestimmt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Reflexionslichttaster mit Hintergrundausblendung zur Detektion von Objekten unter Ausnutzung der diffusen Reflexion an der Objektoberfläche mit einem Lichtsender und mit mehreren Lichtempfangselementen für den Nah- und Fernbereich, von denen mindestens eines Strahlung aus dem Nahbereich und mindestens eines Strahlung aus dem Fembereich empfängt. Die Signale dieser beiden Elemente werden zum Zwecke der Hintergrundausblendung, d.h. zur gezielten Unterdrückung der Signale von Objekten außerhalb einer gewissen Entfernung, miteinander geeignet verknüpfte.
Wesentliche Leistungsparameter solcher Reflexionslichttaster mit Hintergrundausblendung sind u.a. die Güte der Hintergrundausblendung, d.h. die Abstandsdifferenz zwischen der Entfernung, in der ein Objekt gerade noch sicher erkannt wird und der Entfernung, in welcher das Objekt sicher nicht mehr erkannt wird, sowie die Schwarz-Weiß-Differenz, d.h. die Abstandsdifferenz bei der Erkennung von Objekten mit unterschiedlichen Remissionsgraden.
Verschiedene Anwendungen erfordern spezielle Schaltcharakteristik bezüglich Abstand bzw. Remissionsgrad des zu detektierenden Objekts, z.B. in der Druckindustrie, wo der Eintritt eines Papierbogens in den Detektionsbereich erkannt werden muß, unabhängig davon, ob der Bogen weiß, schwarz oder farbig bedruckt ist, und gleichzeitig aufgrund der räumlichen Enge Maschinenelemente im Hintergrund sicher nicht erkannt werden dürfen.
Ein dem Stand der Technik entsprechender Reflexionslichttaster ist schematisch in 1 dargestellt. Das von einem Senderelement 1 ausgehende Licht wird durch eine Senderoptik 2 geformt und trifft gegebenenfalls auf ein näher oder weiter entferntes Objekt 3 bzw. 4. Ein Teil der von dem Objekt 3 bzw. 4 zurückgeworfenen Strahlung gelangt auf die Empfängeroptik 5, welche gemeinsam von einem Empfänger-Nahelement 6 und einem Empfänger Fernelement 7 genutzt wird und das gesammelte Licht auf diese Elemente wirft. Je nach Position des Objekts 3 bzw. 4 variiert das Verhältnis zwischen den Lichtmengen, welche auf das Empfänger-Nahelement 6 bzw. das Empfänger-Fernelement 7 gelangen. Dieser Zusammenhang zwischen Objektentfernung und Verhältnis der Lichtmengen auf Nah- bzw. Fernelement wird durch die den Empfängerelementen nachgeordnete Schaltung ausgewertet und zur gezielten Unterdrückung der Signale von Objekten außerhalb einer gewissen Entfernung genutzt.
Die 2a u. 2b zeigen dem Stand der Technik entsprechende, in der Draufsicht schematisch dargestellte benachbarte Empfängerelemente 6, 7. Diese werden (vergl. 1) durch eine gemeinsame Optik 5 in benachbarte Gesichtsfelder abgebildet. Die Lücke 8 zwischen den Empfängerelementen wird im gleichen Maßstab als Lücke zwischen den Gesichtsfeldern abgebildet. Licht aus diesem Entfernungsbereich gelangt also nicht in gleichem Maße auf die Empfängerelemente. Deshalb wird z.B. wie in 2b durch entsprechende Formung der Öffnung 9 einer Blende 10 über den Empfängerelementen versucht, die Strahlungsmengen entsprechend anzupassen.
Die Form der in 2b dargestellten Blende wird im Wesentlichen durch die Anpassung des Gesichtsfelds an die mögliche Position des vom Sender 1 erzeugten Lichtflecks auf dem Objekt 3, 4 bestimmt. Damit wird die unerwünschte Abbildung von fremden Lichtquellen außerhalb dieses Lichtflecks auf dem Empfängerelement unterdrückt.
Entsprechend dem Stand der Technik werden Blenden vorwiegend zur Begrenzung der Gesichtsfelder zu diesem Zwecke der Fremdlichtunterdrückung genutzt. Die Gesichtsfeld-Formung zum Zwecke der Hintergrundausblendung wird. nicht durch Blenden, sondern durch die Lage des Übergangs 8 vom Fernelement auf das Nahelement erreicht.
Ein anderer Weg, die durch den Übergang 8 bedingte Lücke so gering wie möglich zu gestalten, ist – wie in 2c dargestellt – eine überlappende Positionierung der Empfängerelemente. Hiermit kann die Lücke – bis auf Abschaffungseffekte – nahezu vermieden werden. Eine vollständig nahtlose Gestaltung des Gesichtsfeld- und damit des Signalverlaufs in diesem Übergangsbereich oder gar eine Überlappung der Gesichtsfelder ist mit den beschriebenen Anordnungen jedoch nicht möglich.

Bei einem aus EP 0 527 326 A1 bekannten Reflexionslichttaster der gattungsgemäßen Art ist den in einem einzigen Tubus untergebrachten Lichtempfangselementen ein sich über deren empfangsseitige Frontebene hinaus in Richtung der optischen Achse der Empfangsoptik erstreckendes und mit den Lichtempfangselementen zusammenwirkendes Element mit spiegelnder Oberfläche zugeordnet, um einerseits eine Erweiterung des Nahbereichs zu erreichen, so daß auch näher am Lichttaster befindliche Objekte sicher und zuverlässig erkennbar sind und zum anderen auch die Ausblendung des Nahbereichs ermöglicht wird. Dieses spiegelnde Element beeinflußt nicht die Hintergrundausblendung, sondern erweitert nur das Gesichtsfeld des Nahelements zu kürzeren Enffernungen hin und wirkt somit im Sinne eines energetischen Tasters.

DE19629396 benutzt ein zusätzliches Empfängerelement zur Detektion des Nahbereichs, ist damit aber nicht in der Lage, in diesem Bereich eine Hintergrundausblendung zu realisieren. Diese ist nur im Gesichtsfeld der zwei "Hauptelelemente" gegeben. Das dritte, separate Empfängerelement erweitert nur den Detektions-Nahbereich nach unten, ohne direkt zur Hintergrundausblendung beizutragen und ist somit im Wesentlichen nur ein in dasselbe Gehäuse zusätzlich integrierter energetischer Taster.

In US 5668366 ist ein Lichttaster mit Hintergrundausblendung beschrieben, welcher wie in DE19629396 mit einem zusätzlichen Empfängerelement den Nahbereich detektiert, hier aber unter Nutzung der gemeinsamen Empfängerlinse. Das ebenfalls erwähnte zusätzliche Empfängerelement mit eigener Linse dient nur zur Erhöhung der Spiegelfestigkeit durch Austastung der Signale von spiegelnden Oberflächen aus beliebiger Entfernung und leistet somit keinen Beitrag zur Hintergrundausblendung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reflexionslichttaster der gattungsgemäßen Art hinsichtlich der Erweiterung des Erfassungsbereichs sowie der Ausblendung des Hintergrunds noch wirkungsvoller zu gestalten.

Diese Aufgabe wirdmit dem Reflexionslichttaster gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die weitere Ausbildung des Erfindungsgegenstandes geht aus den Merkmalen der Unteransprüche hervor.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile, die sich aus der klaren Trennung von Nah- und Fernbereich und durch separate Blenden und/oder Linsen für jedes Empfängerelement ergeben, sind insbesondere dann zu sehen,

– dass sich die Gesichtsfelder der Empfängerelemente nahtlos aneinanderfügen bzw. sogar überlappen können,
– dass sich die Signalcharakteristik der einzelnen Empfängerelemente bezüglich der Entfernung und damit die Güte der Hintergrundausblendung sowie der Schwarz-Weiß-Differenz in bestimmten Entfernungen willkürlich gestalten läßt und sich somit zusätzliche Gestaltungsmöglichkeiten bei der gezielte Optimierung auf den angestrebten Arbeitsbereich ergeben,
– dass sich für die beiden Linsen verschiedene Brennweiten verwenden lassen, mit denen man die Optiken für den Nahbereich und den Fernbereich getrennt optimieren kann,
– dass die Fläche der Empfängerlinsen unterschiedlich groß gestaltet werden kann, so dass das energetisch benachteiligte Fernelement durch eine größere Fläche seiner zugeordneten Empfangslinse mehr Strahlung empfangen kann, was den Dynamikbereich des Systems hinsichtlich Tastweite verbessert,
– dass sich die beiden Empfangselemente separat positionieren lassen, wobei diese individuelle Positionierung nicht nur durch Verwendung separater Einzeldioden möglich ist, sondern auch durch Verwendung einer großen Doppel-Fotodiode in Verbindung mit Blenden,
– dass sich die Oberflächenbeschaffenheit der beiden Tuben für den Nahbereich bzw. Fernbereich getrennt optimieren läßt. Speziell der Tubus für den Nahbereich kann Licht absorbierend, streuend oder spiegelnd gestaltet werden, um maximale Lichtausbeute im extremen Nahbereich zu erreichen, womit der Blindbereich des Sensors erheblich verringert wird,
– dass man die Abstände der optischen Achsen für den Nahbereich und den Fernbereich unterschiedlich wählen kann, womit man Einfluß auf die verschiedenen charakteristischen Kurven und damit auf das Verhalten des Sensors hat, und dass sich die Größe der beiden Empfangslinsen für den Nahbereich und den Fernbereich unterschiedlich wählen lassen, so dass sich für die beiden Optiken individuell die Empfangsleistung und damit die elektronische Verstärkung optimieren läßt.

Ausführungbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung in den 3 und 4 dargestellt und werden nachstehend beschrieben. Die 1 und 2a – 2c dienen der Darstellung des Standes der Technik und sind eingangs in der Beschreibungseinleitung beschrieben.
Es zeigen:
3: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Reflexionslichttasters mit linearer Anordnung des Lichtsenders und der Lichtempfangselemente für den Nah- und den Fernbereich und
4: eine perspektivische Darstellung eines zylindrisch ausgebildeten Reflexionslichttasters.
Bei dem in 3 nur schematisch dargestellten Reflexionslichttaster befindet sich ein Lichtsender 1 zwischen Lichtempfangselementen 6, 7 für den Nah- und den Fernbereich.
Die Lichtempfangselemente 6, 7 sind jeweils Einzeldioden oder Mehrfachdioden in Differential- oder Parallelschaltung und bilden jeweils gemeinsam mit einem Tubus 16, 17 und Linsen 11, 12 räumlich voneinander getrennte Empfangseinheiten 18, 19.
Bei dem Lichtsender 1 handelt es sich um eine Sendediode, die gemeinsam mit einem Tubus 15 und einer Linse 2 eine Sendeeinheit 20 bildet.
Die Linsen 2, 11 und 12 können je nach Auslegung des Reflexionslichttasters sowohl unterschiedliche Größen als auch unterschiedliche Brennweiten aufweisen.
Die 4, in welcher der 3 entsprechende Bezugszeichen verwendet sind, zeigt ein zylindrisches Reflexionslichttastergehäuse 21 mit einer abgenommenen einstückigen Linseneinheit 22, welche drei Linsen 2, 11 und 12 aufweist für im Gehäuse 21 in räumlich getrennten Gehäuseteilen angeordnete Tuben 18, 19 und 20 mit den darin jeweils integrierten Blenden 13 und 14.
Auf die Darstellung der elektronischen Ausrüstung des Gehäuses 21 ist verzichtet worden.

Claims

Reflexionslichttaster mit Hintergrundausblendung zur Detektion von Objekten unter Ausnutzung der diffusen Reflexion an der Objektoberfläche mit einem Lichtsender (1) und mit zwei oder mehreren Lichtempfangselementen (6, 7), von denen mindestens eines Strahlung aus dem Nahbereich und mindestens eines Strahlung aus dem Fernbereich empfängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtempfangselemente (6, 7) für den Nah- und den Fernbereich räumlich getrennt voneinander in voneinander getrennten Tuben (16, 17) angeordnet sind und die Gesichtfelder der Lichtempfangselemente (6, 7) durch für jedes Empfangselement separate Blenden (13, 14) bestimmt sind.
Reflexionslichttaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tuben (16, 17) mit einer gemeinsamen Linse versehen sind.
Reflexionslichttaster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tuben (16, 17) mit separaten Linsen (11, 12) versehen sind.
Reflexionslichttaster nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtempfangselemente (6 bzw. 7) in Blickrichtung senkrecht auf die Lichteintrittsflächen mit dem Lichtsender (1) nicht auf einer Linie liegen.
Reflexionslichttaster nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtempfangselemente (6, 7) in unterschiedlichen durch die Lichteintrittsflächen definierten Ebenen liegen.
Reflexionslichttaster nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtempfangselemente (6, 7) jeweils Einzeldioden oder Mehrfachdioden sind und jeweils gemeinsam mit einem Tubus (16, 17) und einer Linse (11, 12) eine Empfangseinheit (18, 19) bilden.
Reflexionslichttaster nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Linsen und/oder Blenden gebildeten, den Lichtempfangselementen (6, 7) zugeordneten Optiken derart gestaltet sind, dass sich die Gesichtsfelder der Empfängerelemente überlappen.
Reflexionslichttaster nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtempfangselemente (6, 7) jeweils aus einer Doppel-Fotodiode bestehen, deren vom Licht beaufschlagte Fläche mittels Blenden definiert ist und die gemeinsam mit einem Tubus und einer Linse eine Empfangseinheit bilden.
Reflexionslichttaster nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen (11, 12) der Empfangseinheiten (18, 19) in Form und/oder in Brennweite unterschiedlich ausgebildet sind.
Reflexionslichttaster nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Tubus (16) der Empfangseinheit (19) für den Nahbereich mindestens teilweise verspiegelt ist.