CN111580123B - 用于检测对象的光电传感器和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于检测对象的光电传感器和方法。提出了用于检测监控区域(18)中的对象(20)的光电传感器(10)，该传感器具有：光发射器(12)，其用于发出一波长范围的发射光(16)；光接收器(34)，其用于从在对象(20)上漫反射的发射光(22)产生接收信号；布置在光接收器(34)上游的接收光学器件(24)，该接收光学器件具有与该波长范围相匹配的光学滤波器(32)，该光学滤波器用于抑制外来光；以及控制和评估单元(38)，其被设计用于从接收信号产生对象信息。在此，提供了调节装置(36)，其用于改变漫反射的发射光(22)在光学滤波器(32)上的入射角。

Description

用于检测对象的光电传感器和方法
技术领域
本发明涉及用于检测监控区域中的对象的光电传感器和方法。
背景技术
许多光电传感器根据扫描原理工作，其中光束被发射到监控区域中并且被对象反射的光束被再次接收，以便随后对接收信号进行电子评估。在此，经常利用已知的相位法或脉冲法来测量光飞行时间，以确定被扫上的对象的距离。这种类型的距离测量还被称为ToF(飞行时间，Time of Flight)或LIDAR(光探测和测距，Light Detection and Ranging)。
为了扩大测量范围，扫描光束可以如同在激光扫描仪中的扫描光束一样运动。在该激光扫描仪处，由激光器产生的光束借助于偏转单元周期性地扫过监控区域。除了测量出的距离信息之外，从偏转单元的角位置还推断出对象的角位置，并从而以二维极坐标记录监控区域中的对象的位置。在大多数激光扫描仪中，扫描运动通过旋转反射镜(Drehspiegel)来实现。然而，还已知的是，替代上述方式，如在DE 197 57 849 B4中所描述的，使具有光发射器和光接收器的整个测量头旋转。
在大多数情况下并且尤其是在距离测量时，传感器应必须区分有用光和环境光或其他光源的干扰。根据应用，例如在特别明亮的环境中，在目标对象漫反射差或测量距离大的情况下，这在有用光水平非常低时可能是一项非常苛刻的任务。
改进抵抗外来光的鲁棒性的已知的措施是利用抑制从侧面入射的外来光的光阑来缩窄视场。还可以在光谱方面抑制外来光。为此，使用与发射光的波长相匹配的光学带通滤波器。
然而，光阑口径不能选择得任意小，因为在实践中，接收光学器件可以将接收光集束成直至50μm的光斑尺寸，但不能更大。在所有的容差(Toleranz)和温度影响下，200μm的光阑口径甚至更现实，而且在塑料光学器件或未高精确校准的光学器件的情况下甚至更大。
因此，一旦光阑的作用被用尽，则信噪比仍可以通过对带通滤波器进行更精确地调整而进一步得到改善。在此，在不衰减有用光的情况下，带通滤波器的带宽越窄，则优势就越大。
然而，有用光的波长和带通滤波器的通带范围易受容差和漂移(Driften)的影响。因此，由激光器发射的发射光的波长取决于激光器的类型、具体安装的激光器或至少激光器的批次(生产批次)和温度。带通滤波器的通带范围随入射角而变化。这具有两个后果。一方面，当带通滤波器未精确取向时，通带范围会发生偏移。此外，不平行的光束分量实际上会遇到具有不同通带范围的滤波效果。
然而，如果波长与通带范围不匹配，则带通滤波器也会阻挡有用光。出于这个原因，带通滤波器的通带范围被设计有余量并且因此不是任意窄的。因此，用调整的光学带通滤波器改善信噪比也有局限性。
可以将光学带通滤波器布置在接收光学器件的大主透镜的前方或上面。在那里，入射的光束被充分准直，从而获得良好的滤波效果。然而，自动准直装置展示出结构方面的问题，光学带通滤波器至少应具有用于发射光的开口，而外来光经由该开口再次侵入。此外，需要组件成本相应高的大的滤波器面积。
在光学带通滤波器布置在光接收器的前方时，不会出现这些结构方面的困难，并且小的滤波器面积就足够了。然而，入射的光束在聚焦主透镜后方完全不再平行，因此光学带通滤波器必须覆盖大的入射角范围，并且仅出于这个原因，带宽就可能有限。
DE 10 2014 116 852 A1描述了一种光电传感器，该光电传感器在接收透镜与光接收器之间具有光学滤波元件。在此，刚才描述的效应通过滤波元件的曲面(Krümmung)进行补偿。该曲面负责，即使会聚的光束的入射角不同，但使这些会聚的光束垂直地射到滤波元件上。然而，这种滤波元件相对昂贵。此外，其余的效应并未被消除，这些效应使得调整有用光的波长与通带范围变得困难，特别是使得校准滤波元件的误差变得困难，其中入射的光束倾斜地而不是垂直地射入。
US 4 106 855示出了具有透镜元件的光学系统，该透镜元件具有球形表面，该球形表面具有集成的窄带的带通滤波器。然而，透镜元件本身以及其余的光学布置是极其复杂的，而且根本不能例如在激光扫描仪中使用。
US 4 184 749公开了由球形透镜元件和同心弧形的透镜元件组成的装置，该弧形的透镜元件在其外侧上具有同样同心弧形的窄带带通滤波器。该装置的任务在于，接收来自大视场的光并且以如下方式散射，使得光束径向地离开同心的透镜元件，从而垂直穿透弧形的带通滤波器。为了实现具有带通滤波器的透镜元件，必须以高成本涂覆宏观的曲面盘，这对于有市场竞争力的制造成本而言是不可能的。该装置也仅考虑用于大的图像平面和大的光接收器。该装置并非是为光电传感器的普通的光接收器或像素设计的并且可能对此并不适合。
在US 2017/0289524 A1中描述了一种用于检测距离信息的光学系统。普通的接收透镜将光聚焦到多个机械光阑上，在这些机械光阑的后方分别放置小的会聚透镜，该会聚透镜使光准直，该光随后穿过光学带通滤波器射到光接收器的相应像素上。小的会聚透镜虽然减小了到光学带通滤波器上的入射角。然而，由于与像素的距离短，这些小的会聚透镜必须具有相对大的像场。这不可避免地导致图像变得模糊。
发明内容
因此，本发明的任务在于进一步改进通用的光电传感器的外来光抑制。
该任务通过光电传感器，特别是光扫描器，以及用于检测监控区域中的对象的方法来解决。光发射器产生波长范围特定的发射光，优选是波长范围窄的发射光。发射光在监控区域中被对象至少部分地反射之后，该发射光作为漫反射的发射光被再次接收。光接收器的相应的接收信号被评估，以便获得关于对象的光学可检测的信息，例如二元的存在性信息、距离、位置或还有颜色。接收光学器件被布置在光接收器前方的漫反射的发射光的接收路径中，该接收光学器件具有与光发射器的波长范围相匹配的光学滤波器，以便尽可能仅允许漫反射的发射光通过而使处于其光谱之外的外来光消失。
本发明基于调整光学滤波器的基本思想。为此，调节装置负责使漫反射的发射光到滤波器上的入射角变化。通过这种方式，光学滤波器的通带范围可以适配于发射光的波长范围。调整例如作为最后的校准步骤进行，例如在制造期间进行。为此，可以借助调节装置来调节入射角，优选在外来光不变的条件下进行调节，直到达到最大的接收信号电平。因此，借助于调节装置补偿波长范围中的容差、接收路径中的剩余的校准误差和/或漂移。
本发明的优点在于有效地抑制了外来光。由于借助于调节装置实现的可调整性，通带范围中不需要余量或至少需要更少的余量，从而实现特别良好的信噪比。由于可以对光发射器的波长范围的容差做出反应，因此不存在对特定的光源、批次或制造商的依赖性。总体上，光学滤波器可以被实施得非常小并且成本低廉。
优选地，调节装置被设计用于倾斜光学滤波器。通过相对于入射的光束倾斜放置滤波器，通带范围发生偏移。成本非常低廉的制造调节选项就足够了。然而，原则上，还可以设想例如具有在操作、维护或现场调试时进行自动化调控的电子执行器。
优选地，光学滤波器是带通滤波器。因此，通带范围可以由下限和上限指定，或者可替代地由中心频率指定，通带范围通常围绕该中心频率近似对称。带通滤波器特别适用于抑制外来光，其方式是该带通滤波器排除波长过小以及波长过大的光。
由于传感器运行中的漂移和/或光发射器的特性，波长范围可以在容差波长范围(
Figure GDA0003924345950000041
)内偏移，并且优选地，光学滤波器具有比容差波长范围窄的通带范围。漂移指的是与时间相关的效应，例如由于老化并且尤其是温度。传感器是为特定的环境条件设计的，例如指定的温度范围。因此，可以说明漂移的影响能够有多大。此外，还可设想的是，光发射器偏离其指定的波长范围。因此产生容差波长范围，并且通常，光学滤波器被设计有其通带范围的余量，以便覆盖容差波长范围。然而，根据这种实施方式，通带范围被选择得更窄，特别是导致仅考虑漂移，而不考虑由于构件公差而引起的偏移。调节装置确保特别窄的通带范围也与实际的波长范围相匹配。
优选地，光学滤波器具有通带范围，该通带范围具有最大40nm、最大30nm、最大20nm或最大10nm的半值宽度。这是根据传统标准保留容差的余量的过窄的通带范围的一些值。基于制造公差，光发射器的中心频率的偏移的典型值为±10nm或最佳情况为±5nm。因此，在所提到的值的情况下，针对漂移的补偿几乎不保留任何缓冲。然而，根据本发明，这甚至是根本不必要的，原因在于至少制造公差通过调节装置进行了补偿。
优选地，光学滤波器被构造成平坦的。因此，该光学滤波器不具有曲面，因此是成本低廉的。
光学滤波器具有最大25mm2、最大20mm2、最大15mm2、最大10mm2或最大5mm2的面积。优选地，该光学滤波器至少是例如正方形的，使得边界对应于例如5x5mm2、4x4mm2、3x3mm2或2x2mm2。这种类型的光学滤波器同样是成本低廉的，并且可能太小而不能将其放置在主透镜的前方或上面。
优选地，光发射器的波长范围随温度而偏移最大0.1nm/K、最大0.8nm/K、最大0.6nm/K或最大0.05nm/K。这限定了在温度上的漂移，使得更窄的通带范围也仍足以覆盖由于漂移而引起的波长范围偏移。一种选项是在光发射器中使用可以达到这些值的VCSEL。可替代地，光发射器具有温度稳定装置(Temperaturstabilisierung)。例如，利用珀耳帖元件或通过调整激光器电流实现温度调整。
优选地，接收光学器件具有第一聚焦光学元件。从而聚焦漫反射的发射光。通常使用相对较大的主透镜或接收透镜，还可以使用具有多个透镜的物镜或反射装置。
优选地，光阑被布置在第一聚焦光学元件的下游，再优选地，光阑被布置在第一聚焦光学元件的焦平面中。由于侧面的外来光不会到达光接收器，因此除了光学滤波器的光谱方面抑制之外，还确保了对外来光的几何抑制。
优选地，接收光学器件具有第二聚焦光学元件，特别是球形的会聚透镜。第二聚焦光学元件限定到光学滤波器上的入射角，即，该第二聚焦光学元件使被主透镜聚焦之后会聚的入射光束相互对准，使得这些光束更加相互平行地延伸。作为第二聚焦光学元件的球形的会聚透镜由于其任意的旋转对称性而便于校准和操作。玻璃球的制造在低成本的情况下是非常精确的。
优选地，调节装置被设计用于倾斜光学滤波器和第二聚焦光学元件，特别是利用第二聚焦光学元件中的旋转点来倾斜。在该实施方式中，光学滤波器不是单独倾斜的，而是在由第二聚焦光学元件和(如果存在的)光阑组成的紧凑的组件中倾斜。优选地，用于倾斜的旋转点位于第二聚焦光学元件中，并且在球形形状的情况下特别优选地为该第二聚焦光学元件的中心点。于是，由于第二聚焦光学元件的对称特性，旋转不会改变该第二聚焦光学元件的光学作用。
优选地，接收光学器件按顺序具有第一聚焦光学元件、光阑、第二聚焦光学元件和光学滤波器。该顺序是从入射的漫反射的发射光的视角指定的，因此，该发射光首先射到主透镜上，并且在光学滤波器之后射到光接收器上。利用这些光学元件同时实现了对有用光的波长范围的简单的校准和调整、光斑的小横截面、以及到光学滤波器上的入射角的较小张开或在该光学滤波器处仅较小发散的光束。
优选地，控制和评估单元被设计用于从发出发射光与接收漫反射的发射光之间的光飞行时间来确定对象的距离。因此产生距离测量传感器，并且对象的距离被确定为关于对象的测量信息。特别是在有效范围大、大量环境光和/或漫反射差的暗对象的情况下，有用光分量通常非常低，使得光飞行时间法从改进的外来光抑制中极大地受益。
优选地，传感器被设计为激光扫描仪，并且为此具有可移动的偏转单元，该偏转单元用于周期性地偏转监控区域中的发射光。因此，与一维传感器相比，监控区域显著增大，即增大到角范围直至360°的扫描平面并且在仰角方面有附加的偏转和/或使用多个在仰角方面偏置的扫描光束，甚至增大到三维空间区域。优选地，激光扫描仪使用用于距离测量的光飞行时间法，并且因此在考虑到发出发射光的相应的角度的情况下，在扫描平面内或者甚至在空间中产生3D测量点。
根据本发明的方法可以以类似的方式进一步改进并同时显示出类似的优点。这些有利的特征示例性地、但非穷尽地在独立权利要求之后的从属权利要求中进行描述。
附图说明
下面还示例性地基于实施方式并参考附图对本发明的其他特征和优点进行更详细的阐述。在附图中：
图1示出了光电传感器的示意图；
图2示出了带有光电传感器的光学滤波器的接收路径中的光路的图示；
图3示出了关于两种不同的折射率的光学滤波器的中心波长随入射角的变化而变的示例性曲线；
图4示出了类似于图2的图示，现在光学滤波器被倾斜以用于适配入射角或通带范围；以及
图5示出了激光扫描仪的示意图。
具体实施方式
图1示出了光电传感器10的示意性截面图。光发射器12(例如，激光器或LED)经由发射光学器件14将发射光16发射到监控区域18中。优选地，光发射器12具有激光光源，特别是VCSEL激光器或边缘发射器形式的半导体激光器，但是还具有另一激光器，例如光纤激光器。因此，发射光16的波长范围可以受到非常严格的限制。使用的光波长通常介于200nm与2000nm之间，特别是660nm、850nm、900nm和1550nm。
如果发射光16在监控区域18中落到对象20上，则光的一部分作为漫反射的发射光22返回至传感器10，并且在该传感器处被接收光学器件24引导到光接收器34上，该接收光学器件具有第一接收透镜26、光阑28、(优选球形的)第二透镜30和光学滤波器32。光学滤波器32可以借助于调节装置36置于不同的倾斜位置。下文参考图2至图4更详细地阐述接收光学器件24的结构和功能。光接收器34例如是PIN二极管、APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)或单光子APD(SPAD、单光子APD、盖革模式的雪崩光电二极管)或其多重布置。
控制和评估单元38控制光发射器12并且评估光接收器34的接收信号，以便获得对象20的光学可检测的信息，例如二元的存在性确定、对象位置或颜色。优选地，控制和评估单元38借助于三角法或光飞行时间法来确定对象20的距离。在此使用的光飞行时间法可以是单脉冲法或多脉冲法，但还可以是相位法，并且本身是已知的。
根据图1的传感器10的基本结构仅示例性地理解。可以设想其他布置，例如同轴结构而不是双轴结构，并且除了一维的光扫描器，特别是激光扫描仪之外还可设想其他的传感器类型。
图2以放大图再次示出了光接收器34前方的接收路径以及漫反射的发射光22的光路。为了介绍尺寸，球形的第二透镜30可以具有例如约1mm的直径。示出了第一接收透镜26后方的平面26’，而没有示出第一接收透镜26，因为在厘米范围内第一接收透镜26或主透镜的尺寸绝对是第二透镜30的倍数，并且可能会超过成像比例。
首先在图2的左侧，漫反射的发射光22的光束通过第一接收透镜26的聚焦以例如±30°范围内的不同的入射角强烈地会聚。漫反射的发射光22被第一接收透镜26聚焦到光阑28上，该光阑具有在这里示例性地为300μm的光阑口径。通过光阑作用抑制了侧面的外来光，该外来光在纯几何方面不能来源于光发射器12。
随后，球形的第二透镜30再次使光束尽可能彼此平行地取向，使得这些光束以相同的入射角或者总是以例如±3°的小的入射角范围落到光学滤波器32上。第二透镜30例如被构造成玻璃球。由于该第二透镜的完全的旋转对称性，第二透镜30非常容易操作，并且在制造期间在插入到其保持件中时不需要任何特殊的定向。
由于光学滤波器32在漫反射的发射光22的已聚焦的光路中定位，该光学滤波器可以以光接收器34的数量级的小面积实施。在图2中，示例性地设置光学滤波器32的例如3x3mm2面积和光接收器34的1x1mm2的面积。此外，由于入射到光学滤波器32上的光束具有在基本上相同的入射角，光学滤波器32可以是平坦的。
传统上，光谱滤波器的通带范围通常具有80nm的半值宽度。通带范围相对较大的原因在于保留用于漫反射的发射光22的波长范围的漂移和偏移的余量。漂移指的是由于例如构件老化的效应并且主要是由于温度依赖性而使波长范围随时间发生改变。这还可以通过将相应稳定的激光器类型作为光发射器12在一定程度上进行管理。例如，VCSEL只展示了传统的边缘发射器的温度依赖性的一小部分，作为数值实例，在0.06mn/K时仅例如为五分之一。于是，在传感器10的工作范围为70K时，得出约4nm的漂移。还可设想的是，使用温度稳定的光发射器12。因此，仅对于温度漂移就不需要光学滤波器32的通带范围中的传统余量了。
然而，另外还存在波长范围的偏移。为此，光发射器12的中心波长的容差为10nm-20nm，该容差的原因在于批次以及晶圆不同，尤其是在更换到其他制造商的光源，因此制造工艺不同。
此外，光学滤波器32的通带范围取决于漫反射的发射光22的入射角。因此，如果接收光学器件24没有如图2那样精确地校准以确保垂直射入，则存在附加的偏移效应。
在图3中图示了随入射角的变化而变的光谱偏移。其中，绘制了关于两个有效折射率n＝2(下方线)和n＝3(上方线)的光学带通滤波器的中心频率与入射角。
根据本发明，现在利用这一点以使光学滤波器32的通带范围适配于漫反射的发射光22的波长范围。为此，光学滤波器32借助于调节装置36被倾斜。在此，调节装置36可以由最简单的机械装置构成，这些机械装置仅允许在制造期间利用相应的工具并且仔细地实现适配。反过来，也可以设想电子执行器。在这里重要的不是装置，而是适当倾斜的光学滤波器32的结果，必要时还简单地通过胶粘或其他紧固方式处于所期望的定向中。可设想的是，光学滤波器32已经倾斜在基本位置。如图3所示，在图中越向右侧，每度产生的效应就越大。也就是，如果例如选择入射角为17°的基本位置，则±5nm的光谱范围被±5°的调节角覆盖。
图4示出了类似于图2的漫反射的发射光22的接收路径，但是现在光学滤波器32是倾斜的，在该示例中倾斜约9°。对于漫反射的发射光22a的更明亮示出的光束，产生垂直的入射角。为了进行比较，还绘制了较暗示出的、在中心延伸穿过光阑28的光束。这只是失调和倾斜效果的两个示例。实际期望的倾斜角是在该倾斜角下光学滤波器的通带范围尽可能良好地与入射的漫反射的发射光22的波长范围相匹配。这不一定对应于垂直入射，更确切地说，如从图3所看到的，倾斜角正是调整参数。在实践中，优化可以通过如下方式进行，即在激活的光发射器12以及黑暗或尽可能恒定的外来光条件下，倾斜光学滤波器32，直到光接收器34的接收电平最大为止。结合图3已经指出，对光学滤波器32的通带范围的偏移和适配可以是±5nm或还可以是±10nm。
因此，总体来说可以使用光学滤波器32，尤其是使用半值宽度仅20nm或甚至仅10nm的带通滤波器，并且在有剩余的漂移的情况下仍然还继续允许全部的有用光通过。由此，与传统的80nm的半值宽度相比，外来光减少了四倍或甚至八倍。由于在适当调整光学滤波器32的倾斜角时所有的有用光继续通过，因此信噪比相应地得到改善。
图5示出了作为激光扫描仪的光电传感器10的实施方式的示意性截面图。在此，从图1中已经已知的特征设有相同的附图标记，并且不再重新描述。与图1不同，发射光16和漫反射的发射光22的光路延伸经过偏转单元40。
偏转单元40被马达(Motor)42置于具有一扫描频率的连续的旋转运动中。由此，发射光16在每个扫描周期期间(即，在该扫描频率下的一个完整的转动期间)扫描平面。角测量单元44被布置在偏转单元40的外周上，以便检测偏转单元40的各角度位置。在这里，角测量单元44示例性地由作为角度度量体的分度盘和作为扫描装置的叉形光栅构成。
控制和评估单元38除了与光发射器12和光接收器34连接以外，还与马达42和角测量单元44连接。该控制和评估单元利用本身已知的光飞行时间法来确定与相应被扫上的对象的距离。因此，测量点或轮廓与相应地由角测量单元44提供的角度一起被记录在极坐标中。在输出端46处，这些测量点作为原始数据或由此在控制和评估单元38内部确定的测量结果被输出。
在所示的激光扫描仪中，光发射器12及其发射光学器件14位于接收光学器件24的中心开口中。由此产生同轴布置。可替代地，这还可以利用用于发射光16的自身的反射镜区域或者利用分光镜来实现。如已经在图1中提到的，在该图中所示的传感器10还可以可替代地具有同轴结构，同样反过来，双轴的激光扫描仪也是可以的。激光扫描仪的其他可替代的构型不使用旋转反射镜作为偏转单元40，而是让具有光发射器12和光接收器34的整个测量头旋转。

Claims (11)

1.一种光电传感器(10)，用于检测监控区域(18)中的对象(20)，所述传感器具有：
光发射器(12)，其用于发出一波长范围的发射光(16)；
光接收器(34)，其用于从在所述对象(20)上漫反射的发射光(22)产生接收信号；
布置在所述光接收器(34)上游的接收光学器件(24)，所述接收光学器件具有与所述波长范围相匹配的光学滤波器(32)，所述光学滤波器用于抑制外来光；
控制和评估单元(38)，其被设计用于从所述接收信号产生对象信息；以及
调节装置(36)，所述调节装置用于改变所述漫反射的发射光(22)在所述光学滤波器(32)上的入射角，
其中，所述接收光学器件(24)按顺序包括第一聚焦光学元件(26)、光阑(28)、设置为球形的会聚透镜的第二聚焦光学元件(30)和所述光学滤波器(32)，并且
其中，所述调节装置(36)被设计为通过倾斜所述光学滤波器(32)和所述第二聚焦光学元件(30)来改变所述入射角。
2.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中，所述光学滤波器(32)是带通滤波器。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的传感器(10)，其中，由于所述传感器(10)的运行中的漂移和/或所述光发射器(12)的特性，所述波长范围在容差波长范围内偏移，并且其中，所述光学滤波器(32)具有比所述容差波长范围窄的通带范围。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的传感器(10)，其中，所述光学滤波器(32)具有半值宽度最大20nm或最大10nm的通带范围。
5.根据权利要求1-2中任一项所述的传感器(10)，其中，所述光学滤波器(32)被设计为平坦的。
6.根据权利要求1-2中任一项所述的传感器(10)，其中，所述光学滤波器(32)具有最大20mm2或最大10mm2的面积。
7.根据权利要求1-2中任一项所述的传感器(10)，其中，所述光发射器(12)的所述波长范围随温度偏移最大0.1nm/K或最大0.05nm/K。
8.根据权利要求1-2中任一项所述的传感器(10)，其中，所述调节装置(36)被设计为利用所述第二聚焦光学元件(30)中的旋转点来倾斜所述光学滤波器(32)和所述第二聚焦光学元件(30)。
9.根据权利要求1-2中任一项所述的传感器(10)，其中所述控制和评估单元(38)被设计用于根据发出所述发射光(16)与接收所述漫反射的发射光(22)之间的光飞行时间来确定所述对象(20)的距离。
10.根据权利要求1-2中任一项所述的传感器(10)，所述传感器被设计为激光扫描仪，并且具有可移动的偏转单元(40)，所述偏转单元用于周期性地偏转所述监控区域(18)中的发射光(16)。
11.一种用于检测监控区域(18)中的对象(20)的方法，其中，发出一波长范围内的发射光(16)，在所述发射光在所述对象(20)上漫反射之后作为漫反射的发射光(22)由接收光学器件(24)再次接收，并且转换成接收信号，以便从所述接收信号产生对象信息，其中，所述接收光学器件(24)利用与所述波长范围相匹配的光学滤波器(32)抑制外来光，
其中，对所述漫反射的发射光(22)到所述光学滤波器(32)上的入射角进行调整，以使所述光学滤波器(32)的通带范围适配于所述波长范围；
其中，所述接收光学器件(24)布置在光接收器(34)上游，所述接收光学器件(24)按顺序包括第一聚焦光学元件(26)、光阑(28)、设置为球形的会聚透镜的第二聚焦光学元件(30)和所述光学滤波器(32)；并且
其中，调节装置(36)通过倾斜所述光学滤波器(32)和所述第二聚焦光学元件(30)来对所述入射角进行调整。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4009225B1 (de) * 2020-12-07 2023-12-06 Leuze electronic GmbH + Co. KG Optischer sensor
KR20230000670A (ko) * 2021-06-25 2023-01-03 주식회사 세코닉스 라이다용 렌즈 시스템

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4106855A (en) 1975-08-13 1978-08-15 Martin Marietta Corporation Lens element incorporating narrow bandpass filter and usable in dual mode
US4184749A (en) 1978-06-22 1980-01-22 Mcdonnell Douglas Corporation Wide angle narrow bandpass optical filter system
JPH04113235A (ja) * 1990-09-04 1992-04-14 Minolta Camera Co Ltd 光センサー
JPH0894755A (ja) * 1994-09-29 1996-04-12 Nikon Corp 受光器および距離測定装置
JP3540062B2 (ja) * 1995-08-28 2004-07-07 富士通株式会社 チューナブルフィルタモジュール
DE19757849C5 (de) 1997-12-24 2013-11-21 Sick Ag Scanner und Vorrichtung zur optischen Erfassung von Hindernissen, sowie deren Verwendung
JP2005077964A (ja) * 2003-09-03 2005-03-24 Fujitsu Ltd 分光装置
JP2007085832A (ja) * 2005-09-21 2007-04-05 Omron Corp 光学式レーダ装置
WO2010020267A1 (en) * 2008-08-20 2010-02-25 Trimble Jena Gmbh Distance-measuring system
JP2010122183A (ja) * 2008-11-21 2010-06-03 Sanyo Electric Co Ltd 物体検出装置および情報取得装置
DE102014116852A1 (de) 2014-11-18 2016-05-19 Sick Ag Optoelektronischer Sensor mit einem Empfangselement
JP6609995B2 (ja) * 2015-05-25 2019-11-27 富士通株式会社 レーザ測距装置
US9992477B2 (en) 2015-09-24 2018-06-05 Ouster, Inc. Optical system for collecting distance information within a field
JP6597150B2 (ja) * 2015-10-09 2019-10-30 富士通株式会社 距離測定装置、距離測定方法、距離測定プログラムおよびテーブルの作成方法
JP2017122673A (ja) * 2016-01-08 2017-07-13 富士通株式会社 レーザ距離測定装置、測定方法及び測定プログラム
DE102016213446B4 (de) * 2016-07-22 2020-07-30 Robert Bosch Gmbh Optisches System zur Erfassung eines Abtastfelds
DE102016122712B3 (de) * 2016-11-24 2017-11-23 Sick Ag Optoelektronischer Sensor und Verfahren zur Erfassung von Objektinformationen
US11947038B2 (en) * 2018-12-21 2024-04-02 Continental Automotive Systems, Inc. Wavelength adaptive narrow band optical filter for a LIDAR system

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