DE10146752A1 - Optoelectronic device scans light beam over surface of object; receiver signals are evaluated depending on deflection position of the vibrating mirror to generate object detection signals - Google Patents
Optoelectronic device scans light beam over surface of object; receiver signals are evaluated depending on deflection position of the vibrating mirror to generate object detection signalsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung gemäß dem Ober begriff des Anspruchs 1.The invention relates to an optoelectronic device according to the Ober Concept of claim 1.
Derartige optoelektronische Vorrichtungen sind insbesondere als Lichttaster ausgebildet, bei welchen der Sendelichtstrahlen emittierende Sender und der Empfangslichtstrahlen empfangende Empfänger mit einer Ausweiteeinheit in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Ein derartiger Lichttaster ist aus der DE 35 13 671 bekannt. Die vom Sender emittierten Sendelichtstrahlen sind auf ein Objekt gerichtet. Die von dem Objekt zurückreflektierten Emp fangslichtstrahlen werden durch eine Empfangsoptik auf den Empfänger fokus siert. Der Empfänger besteht aus einem Nahelement und einem Fernelement.Such optoelectronic devices are in particular as light sensors formed, in which the transmitter light emitting transmitter and the Receiving light beams receiving receiver with an expansion unit in are housed in a common housing. Such a light scanner is known from DE 35 13 671. The transmitted light beams emitted by the transmitter are aimed at an object. The Emp reflected back from the object Catching light beams are focused on the receiver by receiving optics Siert. The receiver consists of a near element and a far element.
In der Auswerteeinheit wird insbesondere die Differenz der Empfangssignale des Nah- und Fernelements gebildet und mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen, welcher einer einen Tastbereich begrenzenden Tastweite entspricht. Damit können Objekte innerhalb des Tastbereichs erkannt und von einem Hin tergrund, der außerhalb des Tastbereichs liegt, unterschieden werden. Zur Ein stellung der Tastweite werden die Empfangslichtstrahlen mittels eines Dreh spiegels abgelenkt und zum Empfänger geführt. Dabei erfolgt die Spiegelver stellung manuell durch einen Spindelantrieb. Die Einstellung des Spiegels er folgt vor Inbetriebnahme des Lichttasters und bleibt während des anschließen den Betriebs des Lichttasters erhalten. Befindet sich ein Objekt im Abstand der eingestellten Tastweite, liegt der Empfangslichtfleck gerade zur Hälfte auf dem Nah- und Fernelement. Die Einstellung der Tastweite kann durch Drehung des Spiegels erfolgen. The difference between the received signals is in particular in the evaluation unit of the near and far element and with a predetermined threshold compared which corresponds to a scanning range limiting a scanning range. This allows objects within the scanning range to be recognized and identified by a pointer background that lies outside the sensing range. To the one Position of the scanning range are the received light beams by means of a turn deflected and led to the receiver. The mirror ver position manually by a spindle drive. The setting of the mirror he follows before the light switch is put into operation and remains during the connection receive the operation of the light button. If an object is at a distance from the set scanning range, the reception light spot is just half on the Near and far element. The range can be adjusted by turning the Mirror done.
Grundsätzlich erfolgt die Bewertung der Empfangssignale eines Lichttasters mittels zweier Schwellwerte. Insbesondere wird auch das Differenzempfangs signal eine Lichttasters mit einem Nah- und Fernelement mittels zweier Schwellwerte bewertet, woraus ein binäres Schaltsignal abgeleitet wird. Über schreitet das Differenzempfangssignal den oberen Schwellwert, so gilt das Objekt als erkannt, das heißt das Schaltsignal nimmt den Schaltzustand "ein" an. Bei Unterschreitung des unteren Schwellwerts nimmt das Schaltsignal den Schaltzustand "aus" ein, das heißt ein Objekt gilt als nicht erkannt. Liegt das Differenzempfangssignal innerhalb des Hysteresebereichs zwischen den beiden Schwellwerten, so bleibt der jeweils aktuelle Schaltzustand des Schaltsignals erhalten. Dadurch wird ein unerwünschter Wechsel des Schaltzustandes durch kleine Empfangssignalschwankungen aufgrund von Störungen oder von Rauscheffekten elektronischer Bauteile des Lichttasters verhindert.Basically, the reception signals of a light button are evaluated by means of two threshold values. In particular, the difference reception is also signal a light button with a near and far element by means of two Threshold values are evaluated, from which a binary switching signal is derived. about If the difference received signal exceeds the upper threshold, this applies Object as recognized, ie the switching signal takes the switching state "on" on. If the lower threshold is undershot, the switching signal takes the Switching state "off" on, ie an object is not recognized. Is that Differential received signal within the hysteresis range between the two Threshold values, the current switching state of the switching signal remains receive. This causes an undesirable change in the switching state small received signal fluctuations due to interference or from Noise effects of electronic components of the light button prevented.
Ein Nachteil derartiger Vorrichtungen besteht darin, dass bei der Objektdetek tion der Sendelichtfleck der Sendelichtstrahlen fest auf einen Punkt der Objekt oberfläche gerichtet ist. Durch Inhomogenitäten der lokalen Oberflächenstruk tur des Objekts wie zum Beispiel kleine Bohrungen oder Kontraständerungen kann die Detektion eines Objektes verfälscht werden.A disadvantage of such devices is that the object detection tion of the emitted light spot of the emitted light rays firmly on a point of the object surface is directed. Due to inhomogeneities in the local surface structure object such as small holes or changes in contrast the detection of an object can be falsified.
Eine Fehlfunktion des Lichttasters kann beispielsweise dann entstehen, wenn bei der Objektdetektion ein Teil des Sendelichtfleckes auf ein Oberflächenele ment des Objekts mit geringer Reflexion und der andere Teil des Sendelicht flecks auf eine Fläche höherer Reflexion fällt. Dieser Fall tritt in der Regel an der Objektkante auf. Im Vergleich zur Detektion einer homogenen Objektober fläche werden die Empfangslichtstrahlen von den Oberflächenelementen unter schiedlicher Reflektivität unterschiedlich stark reflektiert, wodurch eine Ver schiebung des Schwerpunkts des Empfangslichtfleckes auf dem von Nah- und Fernelement gebildeten Empfänger erhalten wird. Die Verschiebung des Schwerpunkts des Empfangslichtfleckes kann insbesondere zum Nahelement hin erfolgen. Dadurch kann das Schaltsignal den Schaltzustand "Objekt er kannt" einnehmen, obwohl sich das Objekt außerhalb der eingestellten Tast weite befindet. Dies bedeutet, dass in diesem Fall eine Fehldetektion des Lichttasters vorliegt.A malfunction of the light button can occur, for example, if a part of the transmitted light spot on a surface element during object detection ment of the object with low reflection and the other part of the transmitted light spot falls on a surface of higher reflection. This is usually the case the object edge. Compared to the detection of a homogeneous object surface the received light rays from the surface elements underneath different reflectivity reflected to different degrees, which means a ver shift of the center of gravity of the reception light spot on that of near and Remote element formed receiver is obtained. The shift of the The center of gravity of the reception light spot can be in particular the near element there. This enables the switching signal to switch to the "Object" state knows ", although the object is outside the set key wide. This means that in this case an incorrect detection of the Light button is present.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine optoelektronische Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass Objekte und Objektstrukturen sicher erfassbar sind.The invention has for its object an optoelectronic device of the type mentioned in the introduction so that objects and object structures are securely detectable.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin dung sind in den Unteransprüchen beschrieben.The features of claim 1 are provided to achieve this object. Advantageous embodiments and expedient further developments of the Erfin tion are described in the subclaims.
Die erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung zum Erfassen von Ob jekten in einem Überwachungsbereich weist einen Sendelichtstrahlen emittie renden Sender, einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger sowie eine Auswerteeinheit zur Auswertung der am Empfänger anstehenden Emp fangssignale auf. Nur die Sendelichtstrahlen werden über einen Schwingungs pegel periodisch in zwei Raumrichtungen abgelenkt, so dass diese auf der Oberfläche des Objekts eine Abtastfläche überstreichen. Zur Generierung eines Objektfestsstellungssignals in der Auswerteeinheit werden die Empfangssig nale in Abhängigkeit der Ablenkposition des Schwingspiegels ausgewertet.The optoelectronic device according to the invention for detecting Ob objects in a surveillance area has a transmitted light beam emittie transmitting transmitter, a receiving light beam receiving receiver and an evaluation unit for evaluating the Emp catch signals on. Only the transmitted light rays are over a vibration level periodically deflected in two spatial directions, so that this on the Paint the surface of the object over a scanning area. To generate a The object detection signal in the evaluation unit becomes the reception signal nale evaluated depending on the deflection position of the oscillating mirror.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, ein in einer bestimmten Dis tanz zur optoelektronischen Vorrichtung angeordnetes Objekt nicht statisch und punktuell mittels eines auf die Objektoberfläche abgebildeten Sendelichtflecks zu erfassen. Erfindungsgemäß überstreichen die Sendelichtstrahlen durch die Umlenkung am Schwingspiegel eine Abtastfläche auf der Oberfläche des je weiligen Objekts. Die Empfangssignale des Empfängers werden dann winkel aufgelöst, das heißt in Abhängigkeit der Ablenkposition des Schwingspiegels ausgewertet. Dadurch kann die Oberflächenbeschaffenheit des Objektes erfasst werden. Insbesondere können damit Fehldetektionen der Vorrichtung, die durch die Inhomogenitäten der Oberflächenbeschaffenheit des Objektes verur sacht sind, weitgehend vermieden werden.The basic idea of the invention consists in a particular dis object arranged to the optoelectronic device is not static and selectively by means of a transmitted light spot imaged on the object surface capture. According to the invention, the transmitted light beams sweep through the Deflection on the oscillating mirror a scanning surface on the surface of each object. The reception signals of the receiver are then angular resolved, that is, depending on the deflection position of the oscillating mirror evaluated. This enables the surface quality of the object to be recorded become. In particular, false detections of the device that caused by the inhomogeneity of the surface quality of the object are largely avoided.
Im einfachsten Fall erfolgt zur Generierung eines Objektfeststellungssignals eine Bewertung der Amplituden der Empfangssignale mittels wenigstens einer Schwellwerteinheit. Dabei erfolgt die Auswertung in Abhängigkeit der aktuel len Ablenkpositionen der Sendelichtstrahlen. Alternativ oder zusätzlich werden auch die Distanzwerte in Abhängigkeit der Ablenkpositionen ermittelt.In the simplest case, an object detection signal is generated an evaluation of the amplitudes of the received signals by means of at least one Threshold unit. The evaluation depends on the current len deflection positions of the transmitted light beams. Alternatively or additionally the distance values are also determined as a function of the deflection positions.
Ein wesentlicher Vorteil der so ausgebildeten optoelektronischen Vorrichtung besteht darin, dass neben einer bloßen Anwesenheitskontrolle von Objekten auch eine Erfassung von Strukturen von Objekten und deren Oberflächen mög lich ist. Damit eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung von Höhenprofilen, insbesondere Kantenstrukturen von Objekten. Weiterhin ist eine Erfassung von Kontrastmustern möglich.A major advantage of the optoelectronic device designed in this way is that in addition to a mere presence check of objects It is also possible to record structures of objects and their surfaces is. The device according to the invention is thus suitable for detection of height profiles, especially edge structures of objects. Still is detection of contrast patterns possible.
Weiterhin ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine äußerst präzise Ein stellung von Tastbereichen, innerhalb dessen ein Objekt erkannt wird, möglich. Damit können insbesondere Hintergrundsignale von Objekten . außerhalb des Tastbereichs mit großer Sicherheit und weitgehend unabhängig von deren Oberflächenbeschaffenheit ausgeblendet werden.Furthermore, the device according to the invention is extremely precise Touch areas within which an object is recognized can be set. In particular, background signals from objects. outside of Sensing area with great security and largely independent of their surface properties be hidden.
Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:The invention is explained below with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der optoelektro nische Vorrichtung. Fig. 1 block diagram of a first embodiment of the optoelectronic African device.
Fig. 2 Schematische Darstellung der optischen Komponenten der opto elektronischen Vorrichtung gemäß Fig. 1. Fig. 2 shows a schematic illustration of the optical components of the optoelectronic device of FIG. 1.
Fig. 3 Schematische Darstellung eines Schwingspiegels für die Vorrich tung gemäß den Fig. 1 und 2. Fig. 3 shows a schematic representation of an oscillating mirror for Vorrich processing shown in FIGS. 1 and 2.
Fig. 4a Erstes Anwendungsbeispiel der optoelektronischen Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 zur Abtastung einer gekrümmten Ob jektoberfläche. Fig. 4a first application example of the optoelectronic device according to FIGS. 1 and 2 for scanning a curved object surface.
Fig. 4b Schematische Darstellung der mit der Vorrichtung auf der Objekt oberfläche gemäß Fig. 4a erzeugten Abtastfläche. Fig. 4b Schematic representation of the scanning surface generated with the device on the object surface according to Fig. 4a.
Fig. 5 Zweites Anwendungsbeispiel der optoelektronischen Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 zur Abtastung einer schräg liegenden Objektoberfläche. Fig. 5 second application example of the optoelectronic device according to FIGS. 1 and 2 for scanning an object surface lying obliquely.
Fig. 6a Drittes Anwendungsbeispiel der optoelektronischen Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 zur Abtastung zweier aufeinander lie genden Objekte. Fig. 6a third application example of the optoelectronic device according to FIGS. 1 and 2 for scanning two objects lying on one another.
Fig. 6b Verlauf der Empfangssignale in Abhängigkeit der Ablenkpositio nen der Sendelichtstrahlen der optoelektronischen Vorrichtung für das Anwendungsbeispiel gemäß Fig. 5b. Fig. 6b course of the received signals depending on the Ablenkpositio NEN of the transmitted light beams of the optoelectronic device for the application example according to Fig. 5b.
Fig. 7a Viertes Anwendungsbeispiel der optoelektronischen Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 zur Abtastung einer Kantenstruktur. Fig. 7a Fourth application example of the optoelectronic device according to FIGS. 1 and 2 for scanning an edge structure.
Fig. 7b Verlauf der Empfangssignale in Abhängigkeit der Ablenkpositio nen der Sendelichtstrahlen für das Anwendungsbeispiel gemäß Fig. 7a. Fig. 7b the course of the received signals in dependence on the Ablenkpositio NEN the transmitted light beams for the application example according to Fig. 7a.
Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungs gemäßen optoelektronischen Vorrichtung 1. Die optoelektronische Vorrichtung 1 ist als Lichttaster ausgebildet und weist einen Sendelichtstrahlen 2 emittie renden Sender 3 und einen Empfangslichtstrahlen 4 empfangenden Empfänger 5 auf. Der Sender 3 ist von einer Laserdiode gebildet. Der Empfänger 5 besteht aus einer Fotodiode. Die Sendelichtstrahlen 2 werden durch einen Schwing spiegel 6 periodisch in zwei Raumrichtungen abgelenkt, so dass die Sendelicht strahlen 2 auf dem zu detektierenden Objekt 7 eine Abtastfläche 8 überstrei chen. Dabei werden die vom Objekt 7 reflektierten Empfangslichtstrahlen 4 nicht über den Schwingspiegel 6 geführt und gelangen direkt zum Empfänger 5. In dem Schwingspiegel 6 ist eine nicht dargestellte Ansteuereinheit integ riert. In dieser werden Ansteuerspannungen Ux, Uy generiert, mittels derer die Sendelichtstrahlen 2 in zwei Raumrichtungen x und y abgelenkt werden. Die Empfangssignale 4 am Ausgang des Empfängers 5 werden in einem Verstärker 9 verstärkt und dann auf eine Auswerteeinheit 10 geführt, die vorzugsweise von einem Mikroprozessor gebildet ist. Fig. 1 is a block diagram showing an embodiment of the fiction, modern optoelectronic apparatus 1. The optoelectronic device 1 is designed as a light scanner and has a transmitter light beam 2 emitting transmitter 3 and a receiver light beam 4 receiving receiver 5 . The transmitter 3 is formed by a laser diode. The receiver 5 consists of a photodiode. The transmitted light beams 2 are periodically deflected by an oscillating mirror 6 in two spatial directions, so that the transmitted light beams 2 sweep across a scanning surface 8 on the object 7 to be detected. The received light rays 4 reflected by the object 7 are not guided over the oscillating mirror 6 and reach the receiver 5 directly. A control unit, not shown, is integrated in the oscillating mirror 6 . In this, control voltages U x , U y are generated, by means of which the transmitted light beams 2 are deflected in two spatial directions x and y. The received signals 4 at the output of the receiver 5 are amplified in an amplifier 9 and then passed to an evaluation unit 10 , which is preferably formed by a microprocessor.
Zur Generierung des Objektfeststellungssignals werden die Amplituden der Empfangssignale mit wenigstens einem Schwellwert bewertet. Mittels des Schwellwerts wird aus den analogen Empfangssignalen ein binäres Schaltsig nal gebildet, dessen Schaltzustände angeben, ob sich ein Objekt 7 im Überwa chungsbereich befindet oder nicht. Zudem werden mit der optoelektronischen Vorrichtung 1 die Distanzen des jeweiligen Objekts 7 zur Vorrichtung 1 er mittelt. Der Sender 3 und der Empfänger 5 bilden dabei einen nach dem Licht laufzeitverfahren arbeitenden Distanzsensor. Die Distanzmessung kann nach dem Phasenmessprinzipverfahren erfolgen. Dabei wird dem vom Sender 3 emittierten Sendelichtstrahlen 2 mittels einer nicht dargestellten Modulations einheit eine Amplitudenmodulation aufgeprägt. In der Auswerteeinheit 10 wird die Phasendifferenz zwischen den vom Sender 3 emittierten Sendelichtstrahlen 2 und den vom Objekt 7 zum Empfänger 5 zurückreflektierten Empfangslicht strahlen 4 berechnet. Aus diesen Phasendifferenzen werden die Distanzwerte für die aktuellen Ablenkpositionen der Sendelichtstrahlen 2 ermittelt. Alterna tiv kann die Distanzmessung nach dem Impulslaufzeitverfahren erfolgen. In diesem Fall emittiert der Sender 3 Sendelichtstrahlen 2 in Form von vorgege benen Folgen von Sendelichtimpulsen. In der Auswerteeinheit 10 wird zur Distanzbestimmung die Laufzeit der vom Sender 3 emittierten und als Emp fangslichtimpulse zum Empfänger 5 zurückreflektierten Sendelichtimpulse ermittelt.To generate the object detection signal, the amplitudes of the received signals are evaluated with at least one threshold value. By means of the threshold value, a binary switching signal is formed from the analog received signals, the switching states of which indicate whether an object 7 is in the monitoring area or not. In addition, the distances of the respective object 7 to the device 1 are determined with the optoelectronic device 1 . The transmitter 3 and the receiver 5 form a distance sensor working according to the light transit time method. The distance measurement can be carried out using the phase measurement principle. In this case, the transmitted light beams 2 emitted by the transmitter 3 are impressed by means of a modulation unit (not shown). In the evaluation unit 10 , the phase difference between the transmitted light beams 2 emitted by the transmitter 3 and the received light beams reflected back from the object 7 to the receiver 5 is calculated 4 . The distance values for the current deflection positions of the transmitted light beams 2 are determined from these phase differences. Alternatively, the distance measurement can be carried out using the pulse transit time method. In this case, the transmitter emits 3 transmitted light beams 2 in the form of predetermined sequences of transmitted light pulses. In the evaluation unit 10 , the transit time of the emitted by the transmitter 3 and reflected as Emp received light pulses to the receiver 5 is determined to determine the distance.
Das in der Auswerteeinheit 10 generierte binäre Schaltsignal wird über einen Schaltausgang 11 ausgegeben, der an die Auswerteeinheit 10 angeschlossen ist. Die ermittelten analogen Distanzwerte werden über eine Schnittstelleneinheit 12, die eine serielle Schnittstelle bildet und ebenfalls an die Auswerteeinheit 10 angeschlossen ist, ausgegeben.The binary switching signal generated in the evaluation unit 10 is output via a switching output 11 which is connected to the evaluation unit 10 . The determined analog distance values are output via an interface unit 12 , which forms a serial interface and is also connected to the evaluation unit 10 .
In einer vorteilhaften Ausführungsform können die Distanzwerte in der Aus werteeinheit 10 mit vorgegebenen Schwellwerten bewertet werden. Dadurch sind unterschiedliche Distanzbereiche definierbar. In diesem Fall wird über die Schnittstelleneinheit 12 ausgegeben, in welchem Distanzbereich sich ein Ob jekt 7 befindet. In die Auswerteeinheit 10 können insbesondere über die Schnittstelleneinheit 12 Parameterwerte eingegeben werden. Hierzu gehören insbesondere die Schwellwerte sowie die Parameter zur Ansteuerung des Sen ders 3 und des Schwingspiegels 6. Weiterhin können als Parameterwerte Refe renzwerte in die Auswerteeinheit 10 eingegeben werden. Zur Objektdetektion werden dann die Amplituden- oder Distanzwerte, die aus den aktuellen Mes sungen gewonnen werden, mit den abgespeicherten, zugeordneten Referenz werten zur Generierung von Objektfeststellungssignalen verglichen.In an advantageous embodiment, the distance values can be evaluated in the evaluation unit 10 with predetermined threshold values. Different distance ranges can thus be defined. In this case, the interface unit 12 outputs the distance range in which an object 7 is located. In particular, parameter values can be input into the evaluation unit 10 via the interface unit 12 . These include in particular the threshold values and the parameters for controlling the sensor 3 and the oscillating mirror 6 . Furthermore, reference values can be entered into the evaluation unit 10 as parameter values. For object detection, the amplitude or distance values, which are obtained from the current measurements, are then compared with the stored, assigned reference values for generating object detection signals.
Alternativ können zur Ermittlung der Referenzwerte auch Referenzmessungen mit der optoelektronischen Vorrichtung 1 durchgeführt werden.Alternatively, reference measurements can also be carried out with the optoelectronic device 1 to determine the reference values.
Fig. 2 zeigt die optischen Komponenten der optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1. Dem Sender 3 ist ein Kollimator 13 zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen 2 nachgeordnet. Die kollimierten Sendelichtstrahlen 2 wer den durch den Schwingspiegel 6 in zwei Raumrichtungen abgelenkt, wobei der Winkelbereich in jeder Raumrichtung, welcher von dem am Schwingspiegel 6 abgelenkten Sendelichtstrahlen 2 überstrichen wird, im Bereich zwischen 5° und 15° liegt und vorzugsweise 10° beträgt. Die von dem Objekt 7 zurückre flektierten Empfangslichtstrahlen 4 werden durch eine Empfangsoptik 14 auf den Empfänger 5 abgebildet. FIG. 2 shows the optical components of the optoelectronic device 1 according to FIG. 1. The transmitter 3 is followed by a collimator 13 for beam shaping of the transmitted light beams 2 . The collimated transmitted light beams 2 who are deflected by the oscillating mirror 6 in two spatial directions, the angular range in each spatial direction, which is swept by the transmitted light beams 2 deflected on the oscillating mirror 6 , in the range between 5 ° and 15 ° and is preferably 10 °. The received light rays 4 reflected by the object 7 are imaged onto the receiver 5 by an optical receiving system 14 .
Fig. 3 zeigt eine Detaildarstellung des Schwingspiegels 6. Der Schwingspie gel 6 ist als mikromechanischer Scannerspiegel ausgebildet, welcher ein plat tenförmiges Spiegelelement 15 aufweist, an welchem die Sendelichtstrahlen 2 reflektiert werden. Das Spiegelelement 15 besteht aus einer einkristallinen Sili ziumplatte, welche mit einer Aluminiumschicht beschichtet ist. Diese bildet die Spiegelfläche, an welcher die Sendelichtstrahlen 2 reflektiert werden. Fig. 3 shows a detailed illustration of the oscillating mirror 6. The Schwingspie gel 6 is designed as a micromechanical scanner mirror, which has a plat-shaped mirror element 15 , on which the transmitted light beams 2 are reflected. The mirror element 15 consists of a single-crystalline silicon plate which is coated with an aluminum layer. This forms the mirror surface on which the transmitted light beams 2 are reflected.
Das Spiegelelement 15 ist mittels zwei ersten Torsionsstegen 16 an einem ers ten Rahmen 17 befestigt. Die Torsionsstege 16 münden an gegenüberliegenden Seitenwänden des Spiegelelements 15 aus und verlaufen entlang einer ersten Drehachse Dx. Durch eine Torsion der Torsionsstege 16 ist das Spiegelelement 15 bezüglich der Drehachse Dx im ersten Rahmen 17 drehbar gelagert.The mirror element 15 is fastened by means of two first torsion bars 16 to a first frame 17 . The torsion bars 16 open out on opposite side walls of the mirror element 15 and run along a first axis of rotation D x . The mirror element 15 is rotatably supported in the first frame 17 with respect to the axis of rotation D x by torsion of the torsion bars 16 .
Der erste Rahmen 17 liegt innerhalb eines zweiten Rahmens 18. Dabei sind die beiden Rahmen 17, 18 über zweite Torsionsstege 19 verbunden, die in einer zweiten Drehachse Dy verlaufen. Durch Torsion der zweiten Torsionsstege 19 ist der erste Rahmen 17 mit dem Spiegelelement 15 bezüglich der Drehachse Dy im zweiten Rahmen 18 drehbar gelagert.The first frame 17 lies within a second frame 18 . The two frames 17 , 18 are connected via second torsion bars 19 which run in a second axis of rotation D y . By torsion of the second torsion bars 19 , the first frame 17 with the mirror element 15 is rotatably supported in the second frame 18 with respect to the axis of rotation D y .
Das plattenförmige Spiegelelement 15 weist einen quadratischen Querschnitt auf. Der erste und zweite Rahmen 17, 18 weisen quadratische Konturen auf und sind konzentrisch zum Spiegelelement 15 angeordnet.The plate-shaped mirror element 15 has a square cross section. The first and second frames 17 , 18 have square contours and are arranged concentrically to the mirror element 15 .
In den parallel zur ersten Drehachse Dx verlaufenden Wandsegmenten des ers ten Rahmens 17 sind erste Antriebselektroden 20 vorgesehen. Durch Anlegen von Ansteuerspannungen Ux mit einer vorgegebenen Anregungsfrequenz fx wird das Spiegelelement 15 mit der entsprechenden Anregungsfrequenz fx be züglich der Drehachse Dx gedreht.First drive electrodes 20 are provided in the wall segments of the first frame 17 which run parallel to the first axis of rotation D x . By applying control voltages U x with a predetermined excitation frequency f x , the mirror element 15 is rotated with the corresponding excitation frequency f x with respect to the axis of rotation D x .
In dem parallel zur zweiten Drehachse Dy verlaufenden Wandsegmenten des zweiten Rahmens 18 sind zweite Antriebselektroden 21 vorgesehen. Durch Anlegen von Ansteuerspannungen Uy mit einer vorgegebenen Anregungsfre quenz fy wird der erste Rahmen 17 mit der entsprechenden Anregungsfrequenz fy bezüglich der zweiten Drehachse gedreht.Second drive electrodes 21 are provided in the wall segments of the second frame 18 that run parallel to the second axis of rotation D y . The first frame 17 is compared with the respective excitation frequency f y with respect to the second rotation axis rotated by applying the drive voltages U y at a predetermined Anregungsfre frequency f y.
Durch Einstellen der beiden Anregungsfrequenzen der an den Antriebselektro den 20, 21 anliegenden Ansteuerspannungen Ux, Uy sind die Geschwindigkeit und Auflösung der Abtastung der Abtastfläche 8 einstellbar.The speed and resolution of the scanning of the scanning surface 8 can be set by setting the two excitation frequencies of the drive voltages U x , U y applied to the drive electrodes 20 , 21 .
Fig. 4 zeigt ein erstes Anwendungsbeispiel der optoelektronischen Vorrich tung 1 zur Detektion eines Objektes 7 mit einer kugelförmigen spiegelnden Oberfläche. Da die Sendelichtstrahlen 2 an dieser Oberfläche gerichtet reflek tiert werden, ist diese mit einem herkömmlichen Lichtstrahler ohne Ablenkung der Sendelichtstrahlen 2 nur dann abtastbar, wenn die Sendelichtstrahlen 2 so orientiert sind, dass diese von der Oberfläche direkt in den Empfänger 5 zu rückreflektiert werden. Fig. 4 shows a first application example of the optoelectronic device 1 for the detection of an object 7 with a spherical reflecting surface. Since the transmitted light beams 2 are directed and reflected on this surface, this can only be scanned with a conventional light emitter without deflecting the transmitted light beams 2 if the transmitted light beams 2 are oriented such that they are reflected back directly from the surface into the receiver 5 .
Wie insbesondere aus Fig. 4b ersichtlich, wird durch den Einsatz des Schwingspiegels 6 bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit den in der Abtastfläche 8 geführten Sendelichtstrahlen 2 ein erheblicher Teil der Oberflä che des Objekts 7 erfasst. Damit wird insbesondere auch die Winkelposition der Sendelichtstrahlen 2 erhalten, bei der die Sendelichtstrahlen 2 so auf die Objektoberfläche gerichtet sind, dass die Empfangslichtstrahlen 4 gerichtet in den Empfänger 5 zurückreflektiert werden, so dass eine sichere Objektdetekti on gewährleistet ist. As can be seen in particular from FIG. 4b, the use of the oscillating mirror 6 in the device 1 according to the invention with the transmitted light beams 2 guided in the scanning area 8 detects a considerable part of the surface of the object 7 . Thus, in particular the angular position of the transmitting light rays 2 is obtained in which the transmitted light beams are 2 directed onto the object surface that the receiving light rays 4 addressed are reflected back into the receiver 5 so that a secure Objektdetekti on is guaranteed.
Wie aus Fig. 4b ersichtlich, verläuft der Strahlfleck der Sendelichtstrahlen 2 in der Ebene der Abtastfläche 8 entlang von Abtastlinien, welche ein Lissajou muster bilden.As can be seen from FIG. 4b, the beam spot of the transmitted light beams 2 runs in the plane of the scanning surface 8 along scanning lines which form a Lissajou pattern.
Durch Einstellung der Anregungsfrequenzen fx, fy des Schwingungsspiegels ist dieses Lissajoumuster gezielt vorgebbar.By setting the excitation frequencies f x , f y of the oscillation mirror, this Lisbon pattern can be specified in a targeted manner.
Dabei ist insbesondere die Anzahl n der Abtastlinien innerhalb der Abtastfläche
8 gemäß folgender Beziehung vorgebbar.
In particular, the number n of scanning lines within the scanning area 8 can be specified according to the following relationship.
n = ABS (1/(p-1)).n = ABS (1 / (p-1)).
Dabei bildet p das Verhältnis der Anregungsfrequenz fx, fy. Die Abkürzung ABS steht für die Bildung des Absolutbezugs.P forms the ratio of the excitation frequency f x , f y . The abbreviation ABS stands for the formation of the absolute reference.
Auch die Bildfrequenz fB, d. h. die Geschwindigkeiten der Abtastung der Ab
tastfläche 8 ist gemäß folgender Beziehung einstellbar
The frame rate f B , that is, the speeds of the scanning of the scanning surface 8 can be set according to the following relationship
fb ~ fx/n
f b ~ f x / n
d. h. die Bildfrequenz ist proportional zu der Anregungsfrequenz fx (und auch fy) und umgekehrt proportional zur Anzahl n der Abtastlinien pro Abtastfläche 8.ie the image frequency is proportional to the excitation frequency f x (and also f y ) and inversely proportional to the number n of scanning lines per scanning area 8 .
Fig. 5 zeigt als zweites Anwendungsbeispiel die Abtastung einer geneigten Objektoberfläche. Insbesondere durch Auswertung des Distanzprofils kann die Neigung der Objektoberfläche erfasst werden. Fig. 5 shows a second application example of scanning a tilted object surface. The inclination of the object surface can be detected in particular by evaluating the distance profile.
Fig. 6a zeigt als drittes Anwendungsbeispiel die Erfassung eines Objektes 7a, welches auf einem eine Unterlage bildenden Objekt 7 aufliegt. Die mittels der optoelektronischen Vorrichtung 1 erfasste Abtastfläche 8 ist auf das Objekt 7a sowie die Unterlage ausgerichtet. Durch Auswertung des Amplituden- und/oder Distanzwerte wird das in Fig. 6b dargestellte Höhenprofil erhalten. Da bei sind in Fig. 6b die mit Ue bezeichneten Empfangssignale in Abhängigkeit der Ablenkwinkel w(x), w(y) der Sendelichtstrahlen 2 aufgetragen. FIG. 6a shows the detection as a third application example of an object 7 a, which rests on a a base-forming object 7. The scanning surface 8 detected by means of the optoelectronic device 1 is aligned with the object 7 a and the base. The height profile shown in FIG. 6b is obtained by evaluating the amplitude and / or distance values. Since in Fig. 6b the received signals labeled Ue are plotted as a function of the deflection angles w (x) , w (y) of the transmitted light beams 2 .
Fig. 7a zeigt als viertes Ausführungsbeispiel die Abtastung eines quaderför migen Objektes 7a, welches auf der ebenen Oberfläche eines weiteren Objektes 7 aufliegt. Fig. 7a shows the fourth embodiment, the scanning of a cuboid object 7 a, which rests on the flat surface of another object 7 .
Durch Ermittlung des in Fig. 7b dargestellten Höhenprofils, d. h. der Emp fangssignale Ue in Abhängigkeit der Ablenkwinkel w(x), w(y) analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 6a, 6b kann die Lage der Kante des Objektes 7a bestimmt werden. By determining the height profile shown in Fig. 7b, the Emp ie fang signals Ue in dependence of the deflection angle w (x), w (y) in analogy to the embodiment according to Figs. 6a, 6b, the position can be determined of the edge of the object 7 a ,
11
Optoelektronische Vorrichtung
Optoelectronic device
22
Sendelichtstrahlen
Transmitted light beams
33
Sender
Channel
44
Empfangslichtstrahlen
Receiving light rays
55
Empfänger
receiver
66
Schwingspiegel
oscillating mirror
77
Objekt
object
77
a Objekt
a object
88th
Abtastfläche
scanning
99
Verstärker
amplifier
1010
Auswerteinheit
evaluation
1111
Schaltausgang
switching output
1212
Schnittstelleneinheit
Interface unit
1313
Kollimator
collimator
1414
Empfangsoptik
receiving optics
1515
Spiegelelement
mirror element
1616
Erster Torsionssteg
First torsion bar
1717
Erster Rahmen
First frame
1818
Zweiter Rahmen
Second frame
1919
Zweiter Torsionssteg
Second torsion bar
2020
Erste Antriebselektrode
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2121
Zweite Antriebselektrode
Second drive electrode
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