CN110573831A

CN110573831A - 光截面传感器和用于操作光截面传感器的方法

Info

Publication number: CN110573831A
Application number: CN201880026567.2A
Authority: CN
Inventors: 马库斯·许伦; 戴维·雷德勒; 托马斯·鲍尔
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2017-08-04
Filing date: 2018-07-02
Publication date: 2019-12-13
Also published as: EP3662227A1; WO2019025096A1; EP3662227B1; DE102017213549B3

Abstract

光截面传感器，包括产生第一光束(2)的光学发射器(1)、将第一光束(2)改造成线形的第二光束(4)并将后者发射到监控区域中的传输光学单元(3)、具有接收光学单元的结构化接收器，接收光学单元以取决于距离的角度来捕捉位于监控区域中的漫反射对象(10)并将该对象成像到结构化光学接收器上，其中根据本发明的第二光学发射器(1a)产生第三光束(2a)，第三光束(2a)经由照明光学单元(8a)照射辐射视场光阑(5)，其中通过投影光学单元(8b)产生第四光束(6)，视场光阑(5)将该第四光束(6)投影到监控区域中并且该第四光束(6)直接或经由分束器(9)叠加在第二光束(4)上，其中基于光束(6)来呈现应用特定的符号或信息项目，其中尤其可以标记特定兴趣区域(ROI)(7)。

Description

光截面传感器和用于操作光截面传感器的方法

技术领域

本发明涉及根据权利要求1和独立权利要求9的一种光截面传感器以及一种用于操作光截面传感器的方法。

背景技术

光学传感器，特别是具有背景抑制的能量光扫描仪，通常也称为三角测量光扫描仪，在过去二十年中已被广泛使用。它们大量用于自动化技术中，并且也由申请人制造和销售。它们具有光学发射器，光学发射器将光束发射到在其监控区域中的对象1上和包括成像接收光学单元的结构化接收器上。发射光学单元和接收光学单元的光轴通常是平行的，但是取决于测量任务，它们可以彼此成锐角地延伸，以便满足沙伊姆弗勒(Scheimpflug)条件。优选地，漫反射对象由接收光学单元以取决于它们的距离的角度来检测，并且在取决于该入射角(三角测量)的位置处被成像到光学接收器上。作为接收器，具有空间分辨率的所有感光器都成为问题，其中最近主要使用CCD芯片或CMOS芯片。

为了监控高度轮廓，例如用于在传送带上的对象识别，使用轮廓传感器，其测量沿着投影激光线的高度轮廓。这些传感器被称为光截面传感器。

DE102012022304A1示出了具有激光照明的光截面传感器、用于产生带状照明的柱形光学单元、和成像接收光学单元、以及作为光接收器的检测器阵列。此外，公开了用作视场光阑的发光通过LC显示器。

DE102007003024A1示出了用于基于结构化照明图案来确定距离的三角测量传感器，结构化照明图案借助于透镜或衍射光学元件产生。

如已经示出的，这种传感器的设定和调节不是直观的，并且当前不提供指导。例如，如果用户将待测量的区域限制为投影到对象上的激光线的一部分，则仅经由抽象参数间接地表明或表示该限制。提供更加用户友好的可视化的一种方式是使用诸如计算机的附加硬件，其连接到传感器并且在其上显示具有设定限制的测量线。但是即使在此，问题在于用户必须将可视化转换为在测量区域中的正确位置。

US2013/0083384A1描述了光截面传感器，其具有用于产生(准直的)第一光束的光学发射器、用于将第一光束改造成第二线形光束的传输光学单元、用于第二光束的有源视场光阑(液晶快门阵列)，该有源视场光阑从第二光束产生第三调制光束，以及包括接收光学单元的结构化接收器，该接收光学单元以取决于对象距离的角度来检测位于监控区域中的漫反射对象并将其成像到结构化接收器上。

US2016/0123893A1描述了一种用于测量纹理和表面结构的布置，其中测量图案图像(MPI)和结果图像(RI)被投影到表面上。

US2005/0068532A1和DE102008012496A1描述了类似的布置。

认为不利的是，在测量场之外的并且也不具有可由该(第一)光学发射器产生的光谱范围之外的波长的信息不能被投影到对象上。

发明内容

因此，本发明的目的是使这些传感器更加用户友好并且便于使用它们工作。特别设想使它们的设定和调节更有效和在感觉上更可靠。

该目的通过权利要求1和独立权利要求9的特征部分来实现。从属权利要求涉及本发明的实施例。

本发明的基本思想是使用透射LC显示器作为用于操作者的信息源，该透射LC显示器为本身已知的并且根据现有技术用作独立于测量光路的视场光阑，其中可以使用任何类型的可控透射光投影仪代替LC显示器。

所讨论的光截面传感器以已知的方式包括产生第一光束并将其发射到监控区域中的光学发射器、将第一光束改造成线形的第二光束的传输光学单元、以及用于第二光束的有源视场光阑、以及包括接收光学单元的结构化接收器，该有源视场光阑从第二光束产生第三结构化光束，该接收光学单元以取决于对象距离的角度来检测位于监控区域中的漫反射对象并将其成像到结构化光学接收器上。

根据本发明，有源视场光阑用于通过将可见符号投影到监控区域中并借助于第三结构化光束投影到位于监控区域的对象上来投影可见信息，其中特定兴趣区域(ROI)(“兴趣区域”，ROI)的限制应当被标记、定义和/或定位。

在仅在少数情况下有利的等效实施例中，有源视场光阑也可以直接位于光源前面。

主要用作线发生器的光束成形传输光学单元在最简单的情况下是柱面透镜，但是也可以是衍射元件(DOE)或自由形式的透镜。

在特定实施例中，有源视场光阑甚至可以用作单个结构化显示元件，并且省去另一图形显示器的安装，这减小了光截面传感器的尺寸和制造成本。

此外，在其它实施例中，除了设定监控区域的当前限制之外，还可以在设定过程期间显示在最后的测量过程期间确定的操作指令或高度轮廓。

为了更好地可视化，可以动态显示诸如标识的内容。这里，可以想到诸如倒置或闪烁的变型。

此外，可以通过在测量期间对线的各个区段的传输进行局部选择性调节来显示和消除接收元件的过调制，由此改善测量的动态特性。

本发明还涉及一种用于操作光截面传感器的方法，其中以新颖的方式使用本身已知的布置，以将用户信息投影到监控区域中，并因此投影到位于监控区域中的对象上。

这有利地在调节或设定过程期间进行，其中向操作者示出当前设定的测量场限制或其它参数或其它信息，而不需要执行测量过程。

根据本发明，光学布置包括两个光源(激光器/LED)。它们可以具有不同的波长，其中只有可见的第二光源可以受到视场光阑的影响。产生待测量的信号的第一光源保持非结构化。随后，两个光束路径被叠加。

由于它们与环境光的更好的兼容性，PMD矩阵也可以作为结构化接收器使用，而无需评估光传播时间，其中PMD指的是例如从DE102012203596A1已知的光子混频器设备。

具体实施方式

将结合附图对本发明进行更详细的解释。

图1示出了根据本发明的第一光截面传感器，其包括用于产生有利地平行的第一光束2的光学发射器1。光束改造传输光学单元3从该第一光束2产生第二线形光束4。第二光束4现在穿过分束器9并且最终被投影到对象10上。用作投影光源的第二光源1a(例如激光二极管、LED或LED矩阵)产生第二光束2a。

现在，光束2a由第一照明光学单元8a引导到用作有源视场光阑5的LC显示器上，有源视场光阑5可以用作用于限制目的的可变孔径，但是应当主要用于结构化光束2a。当使用LED矩阵作为光源1a时，尚未调制但可能已经结构化的光束2a穿过视场光阑5、LCD显示器或LCD矩阵，然后被投影光学单元8b成像到对象10上，其中光束2a预先通过分束器9与线形光束4叠加。

根据本发明的视场光阑5用于限制和结构化光束2a，例如，为了减弱某些区域或者甚至几乎完全关闭像素，其中产生第三光束6，第三光束6标记监控区域中的特定兴趣区域(ROI)7并且还将用于用户的信息投影到对象10上。因此，可以在设定过程期间将信息投影到暂时放置在那里的屏幕上。

应当注意，光束路径以简化的方式被示出。

图2示出了根据本发明的第二光截面传感器，该第二光截面传感器类似地包括产生第一光束2的光学发射器1。

光束成形传输光学单元3由此产生第二线形光束4，其由传输光学单元3投影到对象10上。第二光束4入射到对象10上。

用作投影光源的第二光源1a(例如激光二极管、LED或LED矩阵)产生光束2a，光束2a由第一照明光学单元8a引导到用作有源视场光阑5的LC显示器上。在此，视场光阑5也被用作用于结构化光束2a的可变孔径，其中，结构化应当被理解为减弱至完全关闭各个像素。这导致第三光束6，第三光束6标记对象10上的特定兴趣区域(ROI)7，但是也可以根据本发明用于向用户传输信息。在这方面，可以完全替换设备内部显示器。

由于缺少分束器9，两个光束4和6不仅需要调节，而且还需要取决于它们距对象平面10的距离彼此相对地枢转。这里，距离测量是有利的，其可以通过使用集成在系统中的PMD飞行时间传感器(见上文)来完成。这种设备由申请人以各种设计提供，尤其是以名称O1D提供。

因此，不仅监控区域被标记，而且信息被暂时地显示，这在调节和/或教导操作期间对操作者是非常有帮助的。

为了更好地概览，在两个图中未示出结构化接收器，该结构化接收器对于本发明不是必需的，并且包括接收光学单元以及同样重要的控制和评估单元，该接收光学单元以取决于对象距离的角度来检测位于监控区域中的漫反射对象并取决于该入射角将其成像到光学接收器上。

发射器1和1a可以包括LED、多色LED(双色或RGB)或激光二极管，例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)二极管。

光束2优选地是准直的，而不将本发明限制于此。可以使用以球面或非球面设计的透镜、柱面透镜、微透镜或菲涅耳透镜作为光学组件8a和8b。

对于视场光阑5，在US2013/0083384A1中提及的液晶显示器(简称LCD)成为问题，其可以被配置为点阵或者具有不完全排除机械视场光阑5的等效使用的预定元件(设想用于特殊应用)。

投影到监控区域中并因此也投影到对象10上的结构优选地是：

1.关闭的或打开的间隔限制，

2.用于装配的调节辅助标识，

3.指导，

4.用于操作员的装配辅助件：

a)矩形的投影，

b)用于测量变形的测试结构

＝>用于正交安装传感器和用于位置检测

＝>用于存储一个或多个替换位置，

5.包括拖拽指针(匹配)的条形图，

6.轴向x-和y公差带指示器。

显示器可以被设计成多色的，这例如在从绿光切换到红光时(由此消除学习标识位置)，通过测量和显示照明的光谱分离以及最终在多色LED和有源视场光阑5之间的同步，提供了在对象上更好的可视性、传感器的读回能力、分辨率损失的避免。

以新颖的方式使用本身已知为视场光阑5的LC显示器，以将用户信息投影到监控区域中，并因此投影到位于监控区域中的对象10上。这是根据本发明在调节或设定过程期间完成的，其中可以为操作员显示当前设置的ROI(兴趣区域)7(即测量场限制)以及参数和/或其它信息。

可选地，调节标识和/或取向标识(用于右、左、上、下)和/或用于位置确定(和确认)的标识和/或被设计为用于评估信号质量的拖拽指针的条形图和/或用于对象10的公差带的轮廓可以被投影到监控区域中并且因此也被投影到对象10上。

因此，操作者可以容易地识别对象10是否处于正确的位置、处于期望的取向并且处于公差带内。拖动指针函数允许更改以进行注册。

附图标记

1 第一光源、光学发射器、(多色)LED、激光器或VCSEL

1a 第二光源、投影光源、(多色)LED、激光器、VCSEL

2 第一光束，优选地激光束

2a 第三光束(可选地已结构化)

3 光束成形传输光学单元，优选地线发生器、柱面透镜

4 第二改造光束，优选地线形光束

5 视场光阑，优选地有源(可控)孔径，例如LC显示器

6 第四光束(结构化)

7 特定兴趣区域、兴趣区域(ROI)

8a 用于第四光束6的照明光学单元

8b 用于第四光束6的投影透镜

9 分束器

10 对象、监控区域

Claims

1.一种光截面传感器，包括产生第一光束(2)的光学发射器(1)、将所述第一光束(2)改造成线形的第二光束(4)并将其发射到监控区域中的传输光学单元(3)、包括接收光学单元的结构化接收器，所述接收光学单元以取决于距离的角度来检测位于所述监控区域中的漫反射对象(10)并将其成像到所述结构化光学接收器上，

其特征在于，

存在产生第三光束(2a)的第二光学发射器(1a)，所述第三光束(2a)经由照明光学单元(8a)照射视场光阑(5)，其中借助于投影光学单元(8b)产生第四光束(6)，所述第四光束(6)将所述视场光阑(5)投影到所述监控区域中并直接或经由分束器(9)叠加到第二光束(4)，其中基于光束(6)来显示应用特定的符号或信息，其中尤其特定兴趣区域(ROI)(7)能够被标记。

2.根据权利要求1所述的光截面传感器，其特征在于，用于操作者的取向标识被投影到所述对象(10)上。

3.根据权利要求1所述的光截面传感器，其特征在于，用于操作者和所述产生的调节标识被投影到所述对象(10)上。

4.根据权利要求1所述的光截面传感器，其特征在于，用于确定位置的标识被投影到所述对象(10)上。

5.根据权利要求1所述的光截面传感器，其特征在于，包括拖拽指针的条形图被投影到所述对象(10)上。

6.根据权利要求1所述的光截面传感器，其特征在于，公差带被投影到所述对象(10)上。

7.根据权利要求1所述的光截面传感器，其特征在于，操作指令被投影到所述对象(10)上。

8.根据权利要求1所述的光截面传感器，其特征在于，预先确定的高度轮廓被投影到所述监控区域中并且被投影到位于所述监控区域的对象(10)上。

9.根据前述权利要求中任一项所述的用于操作光截面传感器的方法，其特征在于，所述第二光学发射器(1a)用于将用户信息投影到所述监控区域中，并因此投影到位于所述监控区域的对象(10)上，所述第二光学发射器(1a)提供调节或设置过程的支持。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在此过程期间显示所述ROI(7)。