CN104678451B - 光学传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测监视区域中的物体的光学传感器(1)，其具有设置在壳体(3)内的、可绕旋转轴线旋转的发射/接收单元(6)。所述发射/接收单元(6)包括发射发射光束(7)的发射器(8)和接收接收光束(9)的接收器(10)。所述发射光束(7)和/或所述接收光束(9)穿过所述壳体(3)的窗(12)。所述发射/接收单元(6)形成根据光传播时间方法工作的距离传感器。所述发射器(8)发射发射光脉冲形式的发射光束(7)，所述发射光脉冲到待探测的物体(13)的传播时间被检测。

Description

光学传感器

本案为申请日为2011年5月20日、申请号为201110135581.6、发明名称为“光学传感器”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种光学传感器。

背景技术

这种光学传感器通常用于检测监视区域中的物体。这些光学传感器尤其用在安全技术领域中，其中，借助光学传感器进行监视的监视区域形成由机器、工作设备(如机器人等)构成的设备的危险区域。

用于这样的监视任务的光学传感器尤其可以被构造为平面距离传感器()。例如，由DE 103 26 848 A1公开了一种这样的平面距离传感器。

在以上文献中描述的传感器用于检测监视区域中的物体，并且具有发射发射光束的发射器；接收接收光束的接收器，所述接收器具有分配给它的接收光学系统，所述接收光学系统具有预给定的、由接收光束加载的视野；以及用于在预给定的、定义监视区域的角度范围内周期性地偏转发射光束的偏转单元。在分析处理单元中，根据接收信号在接收器的输出端上生成物体确定信号。在接收光学系统的视野中设置有近区光学系统，其中，可借助于调整单元来调节接收光学系统的视野的由近区光学系统包括的部分。

这种光学传感器通常如此构造，使得发射器和接收器是位置固定地设置的，即静止地设置的。为了在平面的监视区域内引导发射光束，仅仅偏转单元形成集成在壳体中的光学传感器的可旋转且因此可运动的部件。所述偏转单元在此通常包括至少一个电机驱动的镜，在所述镜上发射光束并且(优选地)接收光束被偏转。

对于这种平面距离传感器，不利的是，偏转单元需要较大的空间，使得所述平面距离传感器总体上具有不期望的较大结构。

此外不利的是，发射光束从发射器经由偏转单元到壳体中的窗的路径非常长，其中，发射光束通过所述窗从光学传感器射出。这同样适用于通过所述窗射到壳体中并且通过偏转单元偏转到接收器的接收光束。这导致发射光束和接收光束在壳体内的内部反射，由此降低光学传感器的探测灵敏度(Nachweisempfindlichkeit)。

此外不利的是，偏转单元(发射光束和接收光束在所述偏转单元上被偏转)通常相对发射光束和接收光束的光束轴倾斜，从而使得发射光束和接收光束的光束横截面在由偏转单元反射时发生变形。所述光束横截面变化也会导致光学传感器的探测灵敏度的下降。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种开头部分所述类型的光学传感器，其在尽可能简单的构造下具有更高的功能性。

为了解决所述任务，提出权利要求1的特征。在从属权利要求中描述了本发明的有利的实施方式和符合目的的扩展构型。

光学传感器用于检测监视区域内的物体并且包括设置在壳体内的、可绕旋转轴线旋转的发射/接收单元。发射/接收单元包括进行发射的发射器和接收接收光束的接收器。发射光束和/或接收光束穿过壳体的窗，所述窗形成用于发射光束和/或接收光束的射束成形的光学装置。发射器发射发射光脉冲形式的发射光束，所述发射光脉冲到待探测的物体的传播时间被检测。

根据本发明的光学传感器的重要优点在于，旋转的发射/接收单元可以以其发射器和接收器延伸到贴近壳体的窗。因此，发射光束与接收光束在发射/接收单元与窗之间不受镜筒(Tubus)或者类似物保护的光路可以如此小，使得几乎不出现由于发射光束和接收光束在壳体内的内部反射导致的损失。此外有利地，可以省去单独的偏转单元。由此可以一方面显著地减小光学传感器的结构大小。此外，避免了发射光束和接收光束的光束横截面在偏转单元处反射时出现的不期望的变形。

最后，还避免了接收器由于发射器的组件而导致的、如在具有偏转单元的系统中产生的不期望的阴影。

另一个重要优点在于，壳体的窗本身具有光学特性，所述窗可以形成单独的部件或者可以与壳体一体地构造。原则上，对于发射/接收光束的穿透而言，也可以设置单独的窗。由此一方面可以简化地实现或者甚至省略用于发射光束和/或接收光束的射束成形的、单独的、形成射束的光学元件。另一方面，可以如此优化壳体内发射光束和/或接收光束的光路，使得避免壳体中的光束损失或者发射光束直接反向散射到接收器中。此外，通过壳体的窗的光学作用，可以在尽可能高的探测灵敏度方面单独优化发射光束和接收光束在壳体外的射束导向。

此外，通过窗的合适材料选择，可以如此实现带通效果作为另一个光学特性，使得所述窗虽然基本上对于发射光束的波长而言是可穿透的，但是滤除其他波长的干扰光。

根据本发明，发射/接收单元形成根据光传播时间方法工作的距离传感器。发射器发射发射光脉冲形式的发射光束，在分析处理单元中检测所述发射光束到待探测物体的传播时间。

借助于所实施的距离测量可以实现监视区域中的物体的位置确定，其中，由距离测量的分别求得的距离值和发射/接收单元的当前旋转位置得出物体的位置，发射/接收单元的所述当前旋转位置借助合适的测量传感器确定。根据窗的构造，在其内进行物体探测的监视区域在360°角度范围上或者仅仅在所述360°角度范围的子范围上延伸。

根据本发明的光学传感器如此构造，使得发射/接收单元是旋转的测量头的组成部分，所述测量头设置在位置固定地设置的壳体内。

在此，集成在测量头中的发射/接收单元被有利地如此构造，使得发射器和/或分配给所述发射器的发射光学系统在轴向上与接收器和/或分配给所述接收器的接收光学系统错开。

通过这种错开的设置，仅仅当物体在远区中时，由所述物体反射回的接收光束才基本上沿着接收光学系统的光轴射到接收光学系统上，从而接收光学系统的效率在此是最优的：接收光束由接收光学系统完全接收。相反，在探测近区中的物体时，如此实现接收光学系统的有意的失调，使得接收光束的入射方向与光轴不一致，也就是说，接收光束不完全由接收光学系统检测。以此方式，可以在探测近区中的物体时减小并且限制接收信号的振幅，由此避免了接收器的否则出现的超调()。因此不需要较昂贵的电子组件，例如对数放大器，以便通过电子方式限制接收信号。

通过发射光学系统和接收光学系统的错开的设置，可以因此在根据本发明的光学传感器中以简单的方式限制接收信号的动态性，即接收振幅在整个覆盖的距离范围内以及待探测物体的反射率范围内的变化范围。因此不仅可以使用具有简化结构的接收器，而且还由此降低了对用于分析处理接收信号的电子装置的要求，由此实现进一步的成本降低。

还可以特别有利地通过如下方式改进近区中的物体的物体探测：发射光束划分成一个主射束和从主射束分离出的、相对于主射束以不同的角度传播的一些卫星射束。借助主射束可以特别良好地探测远区中的物体，而借助卫星射束尤其检测近区中的物体，其中，为此适当地选择其相对于主射束的倾斜角。在此，主射束和卫星射束穿过同一个窗或者穿过分开的窗。所述实施方式特别良好地适用于形成根据脉冲传播时间方法工作的距离传感器的发射/接收单元。随后，作为发射光脉冲发射发射光束。分析处理单元被如此构造，使得其可以单独地并且时间分辨地检测源自发射光脉冲的多个接收光脉冲，所述多个接收光脉冲相应于发射光束划分成一个主射束和多个卫星射束由不同距离上的物体反射回来并且在不同的时刻射到接收器上。

在一种在结构上特别简单并且高效的实施方式中，发射光学系统和/或接收光学系统可以被构造成旋转的光学系统的形式。

在一种特别紧凑并且成本有利的实施方式中，发射光学系统和接收光学系统可以由一个光学系统部件形成。

根据本发明的光学传感器优选用于安全技术领域，尤其是人员保护领域。为了满足所述领域中存在的安全要求，光学传感器具有冗余的信号分析处理装置，特别是双通道分析处理单元形式的信号分析处理装置。

为了对于借助发射/接收单元实施的距离测量达到所需的安全水平，有利地在窗处设置参考物体，所述参考物体是用于发射/接收单元的功能检测的参考测量的目标。

根据所实施的优选由至少一个振幅测量和一个距离测量形成的参考测量，可以检测发射/接收单元是否无故障地工作。

根据一个有利的实施方式，参考物体是部分透明的物体。为了实施参考测量，由发射器发射的发射光束的一部分反射回到发射/接收单元的接收器上。

在这种情形中，仅仅借助发射/接收单元本身来检测其无故障的功能。

替换地，为了实施参考测量，设有附加的发射元件，所述附加的发射元件的光束由参考物体引导到接收器上，其中，所述发射元件是测量头的组成部分。在这种情形中，所述发射元件构成用于检查接收器的附加的光学元件。

为了实施参考测量，同样可以设置附加的接收元件，由发射器发射的并且由参考物体反射回的发射光束引导到所述附加的接收元件上。所述发射元件是测量头的组成部分。在这种情形中，所述接收元件形成用于检查发射器的附加的光学元件。

有利地，借助这些附加的光学元件进行振幅测量形式的参考测量，而借助发射/接收单元的发射器和接收器实施距离测量形式的参考测量。

例如可以被构造成光栅结构形式的参考物体如此设置在壳体的内侧上，使得测量头每转一周便实施一次参考测量。在此，参考物体有利地是部分透明的，使得由发射器发射的发射光束的仅仅一部分被参考物体反射回以实施参考测量，而发射光束的绝大部分穿过壳体射到监视区域中并且可以用于实施物体探测。

特别有利地，在测量头中集成了用于窗监视的传感器元件。在此优选地，由传感器元件发射的光束穿过窗射到固定在壳体上的反射器上并且从所述反射器穿过窗回到所述传感器元件。利用窗监视满足了另一个安全相关的监视功能，因为污染的窗可能会损害光学传感器的探测可靠性。

所述窗监视的重要优点在于，为此使用的传感器元件与实施物体探测的发射/接收单元一起旋转并且因此在测量头的旋转过程中在窗的整个圆周上对窗进行测试，无需为此在整个圆周上分散地设置传感机构。

在本发明的一个有利构型中，在测量头中集成了用于控制和/或分析处理发射/接收单元的信号的电子组件。特别地，借助集成在测量头中的电子组件进行信号预处理以抑制由窗的污染导致的错误信号。

通过在测量头中如此实施的信号预处理实现显著的数据减少，使得仅须向静止地设置的分析处理单元传输简明的数据量，在所述分析处理单元中进行最终的分析处理。

特别有利地，在旋转的测量头与光学传感器的固定部件之间进行可靠的或不可靠的、非接触的能量和/或数据传输。

由此，借助无磨损地工作的组件来实现光学传感器的静止组件与旋转组件之间的传输。

本发明的一个符合目的的构型提出，光学传感器具有用于使发射光束可视化的装置。

由此例如可以使发射光束在监视区域中如何传播和/或发射光束在哪个位置射到物体上可视化。可以通过以下方式显示相应的区域：通过在测量头中一起旋转的发光元件激活可见光束。替换地，可以使窗处的或者设置在所述区域中的反射器环处的可见光斑成像。

根据本发明的光学传感器可以一般性地如此扩展，使得发射/接收单元具有多对发射器与接收器。利用各对的穿过壳体中的一个或多个窗的发射/接收光束可以同时在多个位置进行物体探测，也就是说，由此扩大了可借助光学传感器检测的监视区域。

附图说明

以下根据附图来说明本发明。附图示出：

图1：根据本发明的光学传感器的实施例的示意图。

图2：根据图1的光学传感器的发射/接收单元的组件在探测远区中的物体时的示图。

图3：在探测近区中的物体时根据图2的布置。

具体实施方式

图1示意性地示出了用于监视区域中的物体探测的光学传感器1的结构。光学传感器1具有可绕旋转轴线D旋转的测量头2，所述测量头2设置在位置固定的、即不一起旋转的壳体3中。测量头2支承在沿旋转轴线D延伸的轴4上，借助于驱动装置5使所述轴4进行旋转运动。在以测量头2实施物体探测期间，测量头2以恒定的转速旋转。以测量传感器、尤其是角度传感器来检测测量头2的当前旋转位置。

在测量头2中集成有发射/接收单元6，所述发射/接收单元形成光学距离传感器元件。在图2和图3中示出了发射/接收单元6的各个组件。

发射/接收单元6包括激光二极管形式的、发射发射光束7的发射器8。在发射光束7的辐射方向上在激光二极管后面可以紧接着设置未单独示出的发射光学系统。发射/接收单元6还包括光电二极管或类似物形式的、接收接收光束9的接收器10。在接收器10前面设置有透镜形式的接收光学系统11。一般而言，接收光学系统也可以被构造为反射光学系统。

如从图1至3可以看出，发射光束7和接收光束9穿过壳体3的形成窗12的区段。窗12沿壳体3的切线方向(Umfangsrichtung)延伸整个360°角度范围。通过测量头2的旋转运动，周期性地在整个360°角度范围上引导发射光束7，使得所述范围也形成监视区域，在所述监视区域内进行物体探测。通过距离测量和同时对测量头2的当前旋转位置的检测，可以在物体探测时求得准确的物体位置。

根据光传播时间方法进行借助发射/接收单元6实施的距离测量。为此发射器8发射发射光脉冲形式的发射光束7。为了进行距离确定，测量光传播时间，所述距离确定分别需要去往待探测的物体13和返回到接收器8的发射光脉冲。在图2和图3中示出相应的光路。由发射器8发射的发射光束7透过窗12并且随后在监视区域中传播。在所述监视区域中，发射光束7被物体13反射并且作为接收光束9穿过窗12返回到接收器10上。

如从图2和3可以看出，发射/接收单元6的发射器8和接收器10在轴向上、即在测量头2的旋转轴线D的方向上彼此错开地设置。在此，接收光学系统的光轴A略微向下倾斜地设置。

发射器8如此设置在壳体3中，使得发射光束7也略微向下倾斜地设置，从而发射光束7不会在壳体3内不期望地反射到接收器10中。壳体3的窗12具有用于发射光束7的射束成形元件的功能，使得发射光束7尤其通过窗12的合适的成形在所述区域中被如此偏转，使得发射光束7在监视区域中与旋转轴线垂直地传播。

一般而言，通过如下方式也已经阻止发射光束和接收光束的不期望的反射：测量头形成或具有用于引导发射光束和接收光束的一个镜筒或者用于分开地引导发射光束和接收光束的两个镜筒。所述一个或两个镜筒可以一直延伸到窗紧前面，由此避免不期望的反射。

图2示出对远区中的物体13的探测。在所述远区中，所述物体大致位于接收光学系统的光轴A的范围中，使得被物体13反射回的接收光束9完全经由接收光学系统11引导到接收器10。由此，即使在物体距离较远的情况下，较大光量的接收光线也被引导到接收器10上，从而在接收器10的输出端上获得对于可靠的物体检测而言足够大的接收信号。

图3示出对近区中的物体13的探测。由于物体13与测量头2的距离较小，存在接收器10超调的危险。然而，这通过发射器8和接收器10的错开的设置来避免。如从图3可以看出，对于近区中的物体13，存在对接收器10的有意的失调，使得物体13位于接收器10的光轴以外。由此接收光线的仅仅一部分到达接收器10上，使得所述接收器10不会被超调。

为了分析处理在发射/接收单元6中生成的信号，在测量头2中一起旋转地设置预处理单元14和在壳体3中位置固定地设置分析处理单元15。为了满足人员保护领域中的应用的要求，以双通道的方式构造预处理单元14和分析处理单元15，尤其是以彼此循环监视的计算单元的形式。

在光学传感器1的静止设置的组件与光学传感器1的随测量头2一起旋转的组件之间进行非接触的数据与能量传输，所述数据与能量传输可靠地构造用于安全技术领域中的应用。非接触的数据传输可以通过光学方法进行或者借助于无线电连接进行。数据传输可以尤其通过被构造为空心轴的轴4进行。非接触的能量传输可以通过电场进行或者感应地进行。能量传输在此可以根据变换原理进行，可以借助于铁磁芯来提高能量传输的效率。

在预处理单元14中如此进行信号预处理，使得将由粉尘等导致的干扰信号与来自物体13的有用信号分离并且消除所述干扰信号。在此，充分利用在空气中存在的粉尘颗粒仅仅由个别发射光脉冲探测到的情况。与之相比，待探测的物体13具有大得多的尺寸。例如在安全技术领域中，通过人的腿来定义最小待测量的物体大小。在探测这样的物体13时，多个发射光脉冲在扩大的旋转角度范围内射到物体13上。因此，可以在预处理单元14中由物体探测时存在的发射光脉冲的数量来区分有用信号与干扰信号。

仅仅有用信号从预处理单元14传输到分析处理单元15。在所述分析处理单元15中，由此生成开关信号并且通过开关输出端16输出所述开关信号。对于安全技术领域中的应用，借助光学传感器1监视设备处的危险区域。如果借助光学传感器1没有识别到物体13并且通过内部的设备检测确定光学传感器1的功能没有故障，则通过开关输出端16输出使设备运行的释放信号。相反，如果在光学传感器1中确定出内部故障或者在监视区域中探测到物体13，则通过开关输出端输出使设备停止运转的关闭命令。

为了发射/接收单元6的功能检测，局部地在窗12的内侧的位置处设置参考物体17，所述参考物体在当前情形中由部分透明的光栅形成。测量头2每转一周，发射器8的发射光束7射到所述参考物体17上，由此实施用于检测发射/接收单元6的功能的参考测量。在当前情形中，发射/接收单元6的发射器8和接收器10本身用于参考测量。如果发射光束7射到参考物体17上，则发射光束7的一部分由参考物体17引导到接收器10上。发射光束7的绝大部分透过参考物体17和/或在参考物体17旁边经过并且由此用于物体探测。根据发射光脉冲的传播时间差，可以在预处理器单元14中区分：接收光脉冲是来自参考物体17还是来自监视区域中的物体13。参考测量分成振幅测量和距离测量，其中，将相应的测量结果与预给定的额定值进行比较。仅仅在测量结果与额定值相符时，才存在发射/接收单元6的无故障的功能。

此外，在测量头2中集成有用于窗玻璃监视的传感器元件18。传感器元件18包括发射光束19的发射元件和接收光束19的接收元件，在图1中未单独示出所述发射元件和所述接收元件。

与发射/接收单元6对置地设置在测量头2中的传感器元件18如此发射光束19，使得光束19透过窗12并且随后射到反射器边缘20形式的反射器上，所述反射器边缘沿切线方向环绕在壳体3的外侧。从反射器反射回的光束19再次透过窗12并且随后射到传感器元件18的接收元件上。在分析处理单元15中，随后根据光束19的经放大的衰减来探测窗12的局部污染。

参考标号列表：

(1) 光学传感器

(2) 测量头

(3) 壳体

(4) 轴

(5) 驱动装置

(6) 发射/接收单元

(7) 发射光束

(8) 发射器

(9) 接收光束

(10) 接收器

(11) 接收光学系统

(12) 窗

(13) 物体

(14) 预处理单元

(15) 分析处理单元

(16) 开关输出端

(17) 参考物体

(18) 传感器元件

(19) 光束

(20) 反射器边缘

(D) 旋转轴线

Claims (16)

1.用于检测监视区域中的物体的光学传感器(1)，其具有设置在壳体(3)内的、可绕旋转轴线(D)旋转的发射/接收单元(6)，所述发射/接收单元(6)包括发射发射光束(7)的发射器(8)和接收接收光束(9)的接收器(10)，其中，所述发射光束(7)和/或所述接收光束(9)穿过所述壳体(3)的窗(12)，所述发射/接收单元(6)形成根据光传播时间方法工作的距离传感器，其中，所述发射器(8)发射发射光脉冲形式的发射光束(7)，所述发射光脉冲到待探测的物体(13)的传播时间被检测，其特征在于，所述发射器(8)和/或分配给所述发射器(8)的发射光学系统在轴向上与所述接收器(10)和/或分配给所述接收器(10)的接收光学系统(11)错开，所述发射光学系统和/或所述接收光学系统(11)被构造为反射光学系统的形式，并且所述发射器(8)在所述壳体(3)中设置成使得所述发射光束(7)略微向下倾斜地指向，从而使所述发射光束(7)不会在所述壳体(3)内不期望地反射到所述接收器(10)中，并且所述窗(12)构造成使得略微向下倾斜地指向的发射光束(7)偏转成在监视区域中与所述旋转轴线垂直地传播。

2.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述壳体的所述窗(12)形成用于所述发射光束(7)和/或接收光束(9)的射束成形的光学装置。

3.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述发射光学系统和所述接收光学系统(11)由一个光学系统部件形成。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的光学传感器，其特征在于，所述监视区域在360°角度范围上延伸或者在360°角度范围的一个子范围上延伸。

5.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述发射/接收单元(6)是旋转的测量头(2)的组成部分，所述测量头设置在位置固定地设置的壳体(3)内。

6.根据权利要求5所述的光学传感器，其特征在于，在所述窗(12)处设置有参考物体(17)，所述参考物体(17)是用于所述发射/接收单元(6)的功能检测的参考测量的目标。

7.根据权利要求6所述的光学传感器，其特征在于，所述参考物体是部分透明的物体(13)，其中，为了实施所述参考测量，由所述发射器(8)发射的发射光束(7)的一部分反射回所述发射/接收单元(6)的所述接收器(10)上。

8.根据权利要求6或7所述的光学传感器，其特征在于，为了实施所述参考测量，设有附加的发射元件，所述附加的发射元件的光束由所述参考物体引导到所述接收器(10)上，其中，所述发射元件是测量头(2)的组成部分，和/或，为了实施所述参考测量，设有附加的接收元件，由所述发射器(8)发射并且由所述参考物体反射回的发射光束(7)射到所述附加的接收元件上，其中，所述接收元件是所述测量头(2)的组成部分。

9.根据权利要求6至7中任一项所述的光学传感器，其特征在于，所述参考测量包括振幅测量和距离测量。

10.根据权利要求5到7中任一项所述的光学传感器，其特征在于，在所述测量头(2)中集成有用于窗监视的传感器元件(18)，其中，由所述传感器元件(18)发射的光束穿过所述窗(12)射到固定在所述壳体(3)上的反射器上并且从所述反射器穿过所述窗(12)回到所述传感器元件(18)。

11.根据权利要求5至7中任一项所述的光学传感器，其特征在于，在所述测量头(2)中集成有用于控制和/或分析处理所述发射/接收单元(6)的信号的电子组件。

12.根据权利要求11所述的光学传感器，其特征在于，借助集成在所述测量头(2)中的所述电子组件进行信号预处理以抑制错误信号。

13.根据权利要求5至7、12中任一项所述的光学传感器，其特征在于，在所述旋转的测量头(2)和所述光学传感器(1)的一个位置固定的部件之间进行可靠的或者不可靠的、非接触的能量和/或数据传输。

14.根据权利要求1至3、5至7、12中任一项所述的光学传感器，其特征在于，所述光学传感器具有用于使所述发射光束(7)或者所述发射光束(7)在物体上的入射点可视化的装置。

15.根据权利要求1至3、5至7、12中任一项所述的光学传感器，其特征在于，所述发射光束(7)划分成一个主射束和从所述主射束分离出的、相对于所述主射束以不同的角度传播的一些卫星射束。

16.根据权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，所述发射/接收单元具有多对发射器(8)和接收器(10)。