Betrachtung der physikalisch-optischen Gegebenheiten und Einflüsse bei Distanzmessungen mit Triangulationssensoren und deren Berücksichtigung beim LASER-TWIN-SENSOR

EINLEITUNGLTS-Haupt

Der LTS (TWIN) ist ein hochwertiger optischer Distanz-Sensor, der sich zu einer Anwendung sowohl im Messlabor als auch in einer industriellen Umgebung eignet.

Die wichtigsten Zielsetzungen seiner Entwicklung waren:

Hohes Maß an Produktunabhängigkeit

Hohe Meßgeschwindigkeit

Hohe Auflösung und Messgenauigkeit

Dank der multidisziplinären Anstrengungen auf den Gebieten der Optik, Elektronik, Feinmechanik und Produktentwicklung wurde ein Sensor mit hervorragenden Eigenschaften realisiert. Der TWIN zeichnet sich vor allem durch eine zuverlässige, schnelle und genaue Abstands- oder Profilmessung bei einer Vielzahl der verschiedensten Materialien aus: Von glanzlos schwarzen Gummi bis hin zu glänzendem Metall.

GRUNDLAGEN

Das Grundprinzip des TWIN beruht auf der optischen Triangulation, bei der ein Gegenstand mit einem Laserstrahl beleuchtet wird. Das diffus reflektierende Objekt zerstreut das Licht in alle Richtungen. Ein Teil davon wird von der Linse aufgefangen, so daß der Lichtpunkt auf dem Gegenstand auf einem positionsempfindlichen Detektor abgebildet werden kann. Die Lage des abgebildeten Punktes ist für den Abstand zwischen Sensor und Objekt bestimmen.
Abb1
Abbildung1
Vorzugsweise sollte der Laserstrahl senkrecht auf den Gegenstand gerichtet werden, damit zwischen der zu messenden Höhe und der Stelle, an der die Höhe bestimmt werden soll, kein Übersprechen (Beeinflussung) stattfindet. Durch diese Wahl der optischen Abbildung tritt jedoch eine unvermeidliche Nicht-Linearität zwischen der Position auf dem Sensor und der wirklichen Distanz auf, welche elektronisch recht einfach korrigiert werden kann.

Der bei dieser Methode häufig verwendete Detektor ist der PSD (Position Sensing Detector), der auf dem Prinzip des lateralen Foto-Effekts basiert. Dieser Detektor liefert zwei Ströme welche beide proportional sowohl zu der Lichtmenge auf dem Detektor als auch zu dem Schwerpunkt der Lichtpunktposition sind. Damit die richtige Position - unabhängig von den Reflektionseigenschaften des Gegenstands bestimmt werden kann - ist eine Normung der Summe der beiden Ströme notwendig. Dadurch ist die Messung weitgehend nicht mehr abhängig von der Remissioneigenschaft und der Farbe des Objekts.

EIGENSCHAFTEN

Jedes Meßinstrument hat typische Eigenschaften, die die Zuverlässigkeit der Meßwerte beeinflussen. Das gilt auch für optische Triangulationssysteme. Bevor Optik und Elektronik des TWIN beschreiben, werden zuerst die wichtigsten Parameter erwähnt, die bei der endgültigen Qualität der Abstandsbestimmung durch den TWIN eine wesentliche Rolle spielen.

Der Anwender eines optischen Distanz-Sensors wird sich hauptsächlich für technische Daten wie Genauigkeit, Auflösung und Meßgeschwindigkeit interessieren. Diese Eigenschaften werden größtenteils durch die Wahl von Optik und Elektronik bestimmt. Da aber die Oberfläche des zu messenden Objekts zum optischen Weg vom Laser bis zum PSD gehört, sind die Einflüsse der optischen Eigenschaften der Oberfläche eines Produkts nie völlig auszuschließen.

Diese beeinflussen deshalb auch die endgültige Qualität der Messung.

3.1 SENSOREIGENSCHAFTEN

Die wichtigsten Begriffe für den Anwender kurz zusammengefaßt:

1) Genauigkeit

Eine der schwer zu definierenden Eigenschaften eines Triangulationssensors ist die absolute Genauigkeit. Das Meßsystem muß die Distanz anhand des vom Objekt reflektierten Lichts bestimmen. Daher ist es schwer von Genauigkeit zu sprechen, wenn die Reflexionsparameter des Produkts nicht oder kaum bekannt sind. Viele Fabrikanten spezifizieren diese Eigenschaft dann auch nicht, oder definieren diese für ein mehr oder weniger ideales, rein weißes, diffus reflektierendes Material wie z.B. weiße Keramik. Ein realistisches Objekt ist aber oft nicht ideal und wird sich daher bei der Messung auch nicht verhalten, wie ein Normobjekt.

2) Auflösung

Die Auflösung, ausgehend von der kleinsten wahrnehmbaren Höhenänderung bei einem Gegenstand ist vor allem ein elektronisches Problem. Es ist trotz einer ungenauen Optik sehr gut möglich, eine sehr hohe Auflösung zu realisieren. Auch bei einem in qualitativer Hinsicht weniger guten optischen System, wird eine sehr kleine Änderung der Höhe ebenfalls eine kleine Verschiebung des Lichtpunkts auf dem PSD bewirken. Es gibt demnach keine feste Beziehung zwischen Genauigkeit und Auflösung, so daß ein hoher Auflösungswert absolut keine Garantie für eine große Genauigkeit ist. Viele Fabrikanten nennen trotzdem häufig nur die maximale Auflösung ihrer Sensoren.

Die Auflösung wird als Effektivwert (quadratischer Mittelwert) des Ausgangsrauschens des verwendeten Sensors ausgedrückt. Dieser Wert ist deshalb auch unmittelbar abhängig von der Bandbreite des gemessenen Signals. Ein Tiefpaßfilter im Ausgang kann eine beträchliche Verbesserung der Auflösung herbeifuhren.

Neben dem Auflösungsgrad für die Höhe gibt es auch noch eine Auflösung, mit der der Unterscheidungsgrad für kleine Einzelheiten in der Oberfläche des Produkts gemeint wird. Die Spotgröße des Sensors und nicht so sehr die Elektronik ist hierfür ausschlaggebend. Höhenunterschiede am Objekt bewirken ein Signal, das mit der durchschnittlichen Höhe im Lichtpunkt korrespondiert. Es wird ein Durchschnittswert gebildet, der von der Spotgröße auf dem Objekt abhängig ist. Im allgemeinen kann gesagt werden, daß ein kleinerer Spot eine Messung mit einer höheren lateralen Auflösung ermöglicht, da die Umrisse von Objekten mit kleinen Einzelheiten viel genauer wiedergegeben werden.

3) Geschwindigkeit

Für einen weiten Anwendungsbereich, bei dem auch eine Inspektion von Produkten, die zum Beispiel auf einem Transportband laufen, ist eine kurze Reaktionszeit des Sensors Voraussetzung. Sie wird durch Begriffe wie Bandbreite oder auch Abtastfrequenz und Einstellzeit charakterisiert.

Die Bandbreite ist oft eine irreführende Angabe, weil sie nur umschreibt bei welcher Frequenz einer sinusförmigen Amplitudenmodulation das Ausgangssignal um 30% (-3 db) gedämpft wird. Das heißt, daß bei der angegebenen Grenzfrequenz ein Fehler von 30% in der Amplitudenhöhe entsteht. Wenn die verlangte Genauigkeit jedoch 1% beträgt, dann liegt diese Frequenz um einen Faktor 7 niedriger! Auch diese Tatsache verbirgt sich oft in den Spezifikationen, die von den Fabrikanten angegeben werden, weil der Eindruck erweckt wird, daß die angegebene Genauigkeit auch noch bei der genannten Bandbreitenfrequenz erreicht wird.

Die Abtastfrequenz eines Meßsystems sagt grundsätzlich nichts über die höchstzulässige Geschwindigkeit der Höhenänderungen aus. Bei einem solchen System können theoretisch nur Höhenänderungen mit einer Frequenz, die niedriger liegt als die halbe Abtastfrequenz, bestimmt werden. In die Praxis ist das sehr schwer zu erreichen. Eine bessere Aussage ergäbe vielleicht die Beschreibung des Einstellverhaltens des Sensors bei einer stufenförmigen Höhenänderung. Dazu müßte dann ein Kriterium wie zum Beispiel ein Fehlerband um den Endwert erstellt werden.

Die Einstellzeit ist die Zeit, die benötigt wird, um einen stationären Wert als Reaktion auf eine sprunghafte stufenförmige Änderung der Höhe oder der Intensität zu erreichen.

3.2 TYPISCHE EIGENSCHAFTEN

Eine Anzahl typischer Effekte, die unmittelbar mit der Interaktion des Laserlichts auf dem Produkt zusammenhängen und die deshalb die Messungen ungünstig beeinflussen kennen, sind:

1) Intensitätsverteilung

Die räumliche Intensitätsverteilung des reflektierten Lichts über den Öffnungswinkel des Objektivs kann zu grossen Messfehlern führen. Im allgemeinen ist das Reflexionsvermögen eines Produkts unbekannt. Häufig wird es sich nachteilig verhalten. Siehe Abbildung 2a und 2b. Ein Lichtstrahl, der am Linsenrand auf dem PSD abgebildet wird, kann auf dem PSD eine völlig andere Stelle erreichen als ein Strahl, der durch die Linsenmitte geht. Durch diese Optikfehler wird die Höhenmessung von dem Reflexionsvermögen des Objekts abhängig und ist deshalb nicht mehr eindeutig.



Intensitätsverteilung von Papier/Kunststoff Abbildung 2aAbb2a
Intensitätsverteilung eines Metalls Abbildung 2bAbb2b




2) Absolute Lichtmenge

Die Menge des reflektierten Lichts, die von dem Objektiv aufgefangen wird, spielt sowohl bei der Auflösung als auch bei der Geschwindigkeit des Sensors eine Rolle. Es dürfte deutlich sein, daß ein nicht in die Richtung des Objektivs reflektierendes Objekt unmöglich gemessen werden kann.

3) Intensitätsunterschiede im Lichtfleck

Dieser Effekt verursacht eine ungenaue Messung, weil die einzelnen Lichtanteile aus den verschiedenen Bereichen des Spots vom Sensor nicht als eine einzige Höhe wahrgenommen werden. Der Lichtfleck, der auf dem Gegenstand endliche Abmessungen zeigt, wird auf dem PSD auch mit endlichen Abmessungen abgebildet werden. Intensitätsvariationen im Spot werden deshalb auch fälschlicherweise als Höhenvariationen interpretiert.

Auch hier gilt als Regel: Kleinere Spotgröße - besseres Ergebnis.

4) Transparenz des Produkts

Bei Produkten, die für die verwendeten Wellenlängen mehr oder weniger transparent sind, wird das Licht in gewissem Maße eindringen. Das kommt vor allem bei einer Anzahl Kunststoffsorten vor.

Interne Streuung sorgt letztendlich dafür, daß das Licht dennoch von dem Objektiv aufgefangen wird: Jedoch mit einer falschen Höhe. Dieser Effekt weist eine starke Analogie zu der Verformung eines weichen Produkts auf, das mit einem mechanischen Taster gemessen wird.

5) Mehrfach-Reflexionen an der Produktoberfläche

Bei komplexen Oberflächenstrukturen kann es zu einem Effekt kommen, bei welchem die Reflexion eines anderen -außerhalb des Spots liegenden- Teiles des Produkts widergespiegelt wird. (Siehe Abbildung 3). Wenn diese sekundäre Reflexion auch von dem Objektiv aufgefangen wird, wird dieses zu einem falschen Meßergebnis führen, denn es entsteht eine Verschiebung des Schwerpunkts des Lichts auf dem PSD.



Abbildung 3Abb3



Im allgemeinen zeigt sich, daß alle diese Produkteigenschaften die Genauigkeit der Messung beeinflussen können. Die Maßnahmen, die getroffen wurden, um diese Einflüsse auf ein Minimum zu reduzieren, werden im nächsten Kapitel besprochen.

4 Der TWIN

4.1 DIE DOPPELOPTIK

Abbildung 4 stellt das optische Schema des TWIN dar



Abbildung 4Abb4


Der auffallenste Unterschied zu konventionellen Triangulationssystemen ist, daß zwei Abbildungssysteme angewandt werden. Der wichtigste Vorteil, der damit erreicht wird, ist die Zunahme der Sichtbarkeit und dadurch ebenfalls ein besseres Folgen der Konturen bei steilen Höhenänderungen des Objekts. Durch die Schattenwirkung einer steilen Stufe, kann das reflektierte Licht teilweise blockiert werden. Der zweite Objektivzweig auf der anderen Seite verringert diese Problematik.

Das TWIN - Ausgangssignal bezogen auf die Höhe des Objekts ist die auf die Intensität bezogene Summe der Antwortsignale der beiden PSD. Dazu werden die PSD parallelgeschaltet. Dabei werden sowohl die äußeren als auch die inneren Kontakte miteinander verbunden. Die endgültige Signalgröße entsprechend der Höhe wird deshalb vor allem von dem PSD bestimmt, der die größere Menge Licht empfangt. Die kombinierten Signale der beiden PSD können für die weitere Signalbearbeitung wie ein einzelner PSD betrachtet werden.

Ein anderer wichtiger Vorteil wird durch diese Konfiguration erreicht: Die Unterdrückung der lateralen Empfindlichkeit des Sensors.

Normalerweise bewegt sich der Spot auf dem Objekt unter Einfluß der Höhenänderungen ausschließlich senkrecht. Es ist jedoch auch möglich, daß der effektive Lichtfleck sich scheinbar in der lateralen Fläche fortbewegt, d.h. nach links oder rechts abweicht.

Dieser Effekt kann auftreten, wenn:

-Der Spot auf einem halbtransparenten Gegenstand asymmetrisch verformt wird. -Reflexionsunterschiede innerhalb des Spots vorhanden sind. -Sekundäre Reflexionen auftreten.

In diesen Fällen empfängt das Objektiv eine Reflexion, welche neben der Achse des Lichtstrahls entstanden ist. Zum Beispiel als Folge einer sekundären Reflexion. Siehe in Abb. 5 den gestrichelten Strahlengang.




Abb 5Abb5


An der Position des Lichtspunktes auf den beiden PSD's und der Polarität der Ströme ist zu erkennen, daß eine Höhenänderung den gleichen Einfluß auf beide PSD's hat, während eine laterale Verschiebung durch die beiden PSD's unterschiedlich interpretiert wird.

PSD I misst einen zu hohen 'Wert, während PSD einen zu niedrigen Wert erhält. Es tritt also eine starke Empfindlichkeitsreduktion für das Licht auf, welches neben dem Spot widerspiegelt wird und das Obj ektiv erreicht.

Diese Kompensation eignet sich auch zum messen solcher Produkte, bei denen die Spotform signifikant gestört wird, wie z.B durch Eindringeffekte bei halbtransparenten Objekten.

Übrigens kann sekundäre Reflexion auch in der anderen Richtung auftreten, senkrecht zur Fläche der Zeichnung. In der Richtung entstehen jedoch grundsätzlich keine Abweichungen. weil der PSD in dieser Richtung keine Empfindlichkeit besitzt.

Wenn diese Kompensationstechnik erfolgreich arbeiten soll, dann muß die Menge des sekundär reflektierten Lichts, das von beiden Objektiven aufgefangen wird, gleich groß sein. Das ist natürlich nicht immer der Fall, in der Praxis wird dieser Effekt nicht völlig eliminiert, sondern lediglich unterdrückt.

4. 2 SCHEIMPFLUG - KONDlTION

Ein anderer auffallender Unterschied im Gegensatz zu vielen anderen Sensoren ist der, das die PSD's des TWIN nicht lotrecht zur Achse des Objektivs stehen. Es ist nachweisbar, daß in der TWIN- Konfiguration der Spot auf dem Objekt für jede Höhe innerhalb des Meßbereichs sehr scharf im Brennpunkt auf dem PSD abgebildet wird. Dieser Umstand sorgt immer für eine minimale Sporgröße auf dem PSD. Diese Konfiguration ist als "Scheimpflug-Kondition" (Abbildung 6) bekannt.

Auf dem ersten Blick scheint das nicht nötig zu sein, da der PSD ja auf den Schwerpunkt des Lichtflecks reagiert. Weil aber die räumliche Intensitätsverteilung des reflektierten Lichts nicht bekannt ist, ist diese innerhalb des Lichtflecks ebenfalls unbekannt. Dadurch entsteht eine Unsicherheit des Spotschwerpunktes auf dem PSD und damit eine Ungenauigkeit.



Abbildung 6Abb6


Mit der in der Abbildung 4 gewählten Konfiguration kann ein sehr kleiner Lichtfleck auf der PSD Oberfläche generiert werden, um so die Streuung der Schwerpunktposition unter Einfluß der Intensitätsverteilung im Spot auf ein Minimum zu reduzieren.

4.3 Spotgrösse

Ein weitverbreiteter Irrtum ist die Annahme, daß bei der Höhenmessung ein verhältnismäßig großer Spot auf der Fläche durch eine Mittelwertbildung eine höhere Genauigkeit erzielen würde. Die Messung findet auf Oberflächen statt, von denen die räumliche Intensitätsverteilung a priori unbekannt ist. Abbildung 7 illustriert dies mittels einer Ausschnittvergrößerung im Umfeld des Spots mit dem Diameter s.



Abbildung 7Abb7


Eine Betrachtung der Abbildung 7 zeigt, daß das Licht, das den Spot auf der linken Hälfte verlaßt, einen anderen Messwert (+Æh) ergibt, als das Licht auf der rechten Hälfte -Æh). Der maximale zu erwartende Fehler ist im ungünstigsten Fall: Æh = s/(2tan(alpha)). Dieses spricht fur einen möglichst kleinen Lichtfleck und einem möglichst großen Betrachtungswinkel. Im TWIN wurde dieses Phänomen berücksichtigt, indem ein relativ großer Observationswinkel (43 °) und ein möglichst kleiner Spot (30µm) gewählt wurde. In Wirklichkeit ist diese Betrachtungsweise recht pessimistisch und dieser Effekt spielt nur dann eine Rolle, wenn erwartet werden kann, daß das Abstrahlverhalten innerhalb des Spots sehr große Variationen aufweist, zum Beispiel bei kontrastreichen Übergängen. Außerdem wird wegen der 'zweiäugigen' Optik des TWIN dieser Effekt sehr stark unterdrückt, da das Vorzeichen des Fehlers Æh für beide Hälften verschieden ist, und deshalb eine Kompensation auftritt. Die absolute Genauigkeit wird damit wesentlich verbessert. Wie durch diese Betrachtung deutlich wurde, führt eine kleine Lichtfleckgröße ebenfalls zu einer hohen lateralen Auflösung, so daß auch sehr kleine Details wahrgenommen werden können.

4.4 ABBILDUNGSQUALITÄT

Eine hohe Qualitat der Abbildung und somit ebenfalls eine genaue Positionierung der Komponenten ist für die gewählte Konfiguration eine Grundbedingung. Verformungen des Spots auf dem PSD, welche die Folge von Linsenfehlern (z.B. sphärische Aberration oder Bildfeldkrümmung) sind, oder Defokussierung führen unwiderruflich zu Ungenauigkeiten bei der Höhenmessung. Deshalb wurde für jedes Objektiv ein Linsensystem gewählt, das aus zwei Achromaten (randscharfe Linsensystemen) besteht. Eine Blende verkleinert dabei den totalen Öffnungswinkel, so daß die Randfehler der Linse unterdrückt werden. Auf diese Art und Weise wird nach einer sorgfaltigen Justierung der durch die Optik erzeugte totale Fehler Vernachlässigbar klein.

Die Anforderungen an die Qualität des Lichtfleckes auf dem Gegenstand sind hoch. Vor allem seine Abmessungen müssen möglichst klein dimensioniert werden. Um eine kleine Spotgrößen zu realisieren, wird eine speziell von Philips entwickelte Replikatlinse benutzt, die das Laserlicht kollimiert. Ein Achromat sorgt danach für die Fokussierung zu einem ablenkungsbegrenzten Lichtleck.

DIE TWIN - ELEKTRONIK

ÜBERLEGUNGEN ZUM ENTWURF

Die Elektronik muß die Signale der PSDs in für die Außenwelt verständliche Distanzinformationen mit minimalem Qualitätsverlust umwandeln. Für die Signalverarbeitung der PSDs im TWIN werden folgende Bedingungen gestellt:

* Hohe Auflösung

Es ist selbstverständlich daß nach einer hohen Auflösung gestrebt werden sollte, denn die PSD's sind eigenrauscharme Detektoren, die eine kontinuierliche Darstellung des Spots auf der Oberfläche erlauben. Es wurde angestrebt das totalen Systemrauschen dem Eigenrauschen des PSDs unterzuordnen.

* Hohe Genauigkeit

Die Genauigkeit der Elektronik muß ausreichen, um die Qualität der Optik zur Geltung kommen zu lassen. Ein typischer Wert ist 0,05% des vollen Messbereichs.

* Hohe Geschwindigkeit

Das verfolgte Ziel war, einen Sensor zu realisieren, der erheblich schneller als die die bestehenden optischen Distanzsensoren ist. Nur so ist eine Anwendung zur schnellen "In-line"Inspektion in Produktionsprozessen möglich. Eine Einstellzeit von 10 µsek ist erstrebenswert.

* Großer dynamischer Bereich

Diese Forderung ist wünschenswert, da der Sensor in der Lage sein sollte, ohne Umprogrammierung eine große Bandbreite von Produkten mit gut als auch mit schlecht reflektierenden Eigenschaften zu messen. In die Praxis können Reflexionsunterschiede von 1:1000 oder noch größer erwartet werden.

Ein wichtiger Punkt ist die Entscheidung, ob das Laserlicht moduliert werden soll oder nicht, um somit von dem Umgebungslicht des Sensors unabhängig zu sein. Um eine Bandbreite von 100 kHz zu realisieren, muß jedoch die Modulationsfrequenz ungefähr l MHz betragen, damit eine ausreichende Genauigkeit und Dynamik erreicht wird. Unter normalen Umständen war der Einfluß des Umgebungslichts im Vergleich zu der hohen Intensität des Laserspots derart niedrig, daß eine modulierte Signalverarbeitung nicht notwendig war. Die Vorraussetzung war jedoch, daß die Offsets und die Drift der PSD-Signale und der Elektronik auf ein Minimum reduziert wurden. Mit modernen Operations-Verstärkern und einer stabilen Offset-Kompensationsschaltung ließ sich diese Problem lösen. Außerdem sorgt ein selektiver Infrarot-Filter für eine weitgehende Unterdrückung des Umgebungslichts. So wurde es möglich, eine hohe Geschwindigkeit, einen grossen dynamischen Bereich und eine ausgezeichnete Genauigkeit zu realisieren.

Die Position des Lichtfleckes auf dem PSD wird bestimmt, indem der Quotient berechnet wird, der sich aus der Differenz und der Summe der beiden PSD-Ströme ergibt. Die Division ist das Hauptproblem. Vor allem die Forderung eines hohen dynamischen Bereichs (bzw. die Variationen im Nenner) bergen eine schwierige Aufgabe.

Abstand = (I1 - I2)/ (Il + I2)

I1 und I2sind die beiden PSD-Ströme.

Es gibt eine Anzahl Verfahren, um eine derartige Division auszuführen:

1 ) Analog dividieren

Eine Division mit einer Analogschaltung ist die einfachsteLösung. Die Resultate mit handelsüblichen Komponenten sind im allgemeinen jedoch sehr entäuschend.

2) Laser-Rückkopplung

Bei dieser Verfahrensweise wird die Laser-Ausgangsleistung kontinuierlich so geregelt, daß der Nenner der Formel konstant bleibt und dadurch eine Division überflüssig wird. Dieses erfordert einen großen dynamischen Einstellbereich des Lasers. Der größte Nachteil dieser Methode ist, daß bei gut reflektierenden Objekten die Laserleistung dermaßen reduziert wird, daß das Signal/Rausch- Verhältnis sich verschlechtert.

3) Digital dividieren

Direkte AD-Umsetzung der PSD-Ströme bedeutet eine sehr hohe Auflösung des AD Konverters. Hieraus kann abgeleitet werden, daß der dynamische Bereich des AD-Konverters minimal gleich dem Produkt aus dem höhendynamischen Bereich und dem intensitätsdynamischen Bereich sein muß.

In diesem Fall ergibt das: 2000 t 1000 = 2*10 6 (Das sind 21 bit!)

5.2 DIE TWIN-ELEKRONIK



Abb.8Abb8


Wie dem Schema zu entnehmen ist, wird für den TWIN eine Kombination von zwei verschiedenen Techniken angewendet: Ein analoger Kreis für die Division und eine Art Laserrückkopplung.

Die Division in der TWIN- Elektronik wird mit einem speziellen, patentierten Norrnungsschaltkreis durchgeführt. Dieser Kreis berechnet ohne die Zwischenrechnung für die Addition und Subtraktion das genormte Ergebnis von I1 und I2. Gleichzeitig wird die Summe der beiden Ströme und ihr Logarithmus berechnet. Diese stehen dem Anwender als Ausgangssignale zur Verfügung. Sie bilden ein Maß fur die Lichtintensität auf dem PSD.

Die Laser-Rückkopplung des TWIN korrigiert die Laserleistung nur, wenn die Lichtmenge ein Maximum, das im voraus bestimmt wurde und das in der Nähe der Sättigungsgrenze der Komponenten liegt, überschreitet. So wird optimal von dem zu Verfugung stehendem Licht profitiert und ein möglichst gutes Signal/Rausch- Verhältnis erreicht.

5.3 DIE ERGEBNISSE

Abbildung 9 zeigt eine Graphik von Bandbreite und Auflösung als Funktion des Reflexionsvermagens des Objekts. Dabei wurde als Norm das Reflexionsvermögen auf weißen Karton genommen. Der dazugehörige Strom der PSDs beträgt dabei ca.32µA, das entspricht einer empfangenen Gesamtlichtleistung von 50µW.

Abbildung 9 Graphik der Bandbreite versus Reflexionsvermögen



Abbildung 9Abb9


Eine typische Eigenschaft der gewählten Techniken ist, daß sowohl Bandbreite als auch Auflösung von der Lichtmenge auf den PSDs abhängig geworden sind. Ist viel Rauschen vorhanden, wird sich bei zunehmender Intensität das Signal/Rauschverhältnis und somit die Auflösung verbessern. Die Bandbreitenbegrenzung bei niedrigen Intensitäten ist eine direkte Folge des Einstellverhaltens des Normung-Schaltskreises. Dieser erreicht seinen Endwert umso schneller, als der Eingangskreis mehr Strom empfängt. Wie aus der Graphik ersichtlich, ist eine Bandbreite von 500 kHz erreichbar. Diese wird jedoch meistens absichtlich auf 100 kHz begrenzt um die Auflösung zu erhöhen. Für viele Anwendungen reicht sie völlig aus. In der Praxis stellte sich heraus, daß der Produkttransport und nicht der Sensor die Meßgeschwindigkeit einschränkt. Mit einem Abtastabstand von 30mm ist eine Objektgeschwindigkeit von 3 m/s (180 m/min) noch erlaubt. Diese Berechnung wurde unter dem Vorbehalt gemacht, daß das Objekt sich während einer Meßperiode nicht mehr als einmal in der Spotgröße fortbewegt. Bei größeren Objektgeschwindigkeiten wird der Durchschnittswert des Effekts der vorbeigeglittenen Höhen ermittelt.

Abbildung 10 zeigt das Einstellverhalten des Normungs-Schaltkreises. Bei jedem Schritt wird die Anstiegs- und Abfallzeit angegeben. Wie zu ersehen ist, wird die Einstellzeit hauptsächlich von dem Endwert der PSD-Ströme bestimmt. Der kritische Aspekt bei diesen Messungen ist die Zeit, die das Positions-Ausgangssignal benötigt, um von 0,5% eines Messbereichs den Endwert zu erreichen.



Abb10
Abb. 10 Einstellverhalten des Normungs-Schaltkreises


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