CN113204001A - 用于检测对象的光电传感器和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于检测对象的光电传感器和方法。给出了用于检测监控区域(20)中的对象的光电传感器(10)，具有：光发射器(22)，其用于发出波长范围内的发射光(26)；光接收器(34)，其用于从在对象处漫反射的发射光(28)生成接收信号；布置在光接收器前方的接收光学器件(30)，其具有调谐到波长范围的用于抑制外来光的光学滤波器(32)，该滤波器在接收光路中被布置在漫反射的发射光形成平行光束的位置(60a)处；以及控制和评估单元(42)，其被配置用于从接收信号中获得关于对象的信息。在此，接收光学器件针对像场角为α的环形像场进行优化，并且滤波器针对漫反射的发射光的对应于像场角α的非垂直的入射角进行优化。

Description

用于检测对象的光电传感器和方法

本发明涉及根据权利要求1或11的主题的用于检测监控区域中的对象的光电传感器和方法。

许多光电传感器根据扫描原理工作，其中光束被发出到监控区域中，并且被对象反射回的光束被再次接收，以便随后电子地评估接收到的信号。在这种情况下，通常用已知的相位法或脉冲法来测量光飞行时间，以便确定被扫描上的对象的距离。

为了扩展单光束光扫描仪的测量范围，一方面可以像在激光扫描仪中那样移动扫描光束。在激光扫描仪中，由激光器产生的光束借助偏转单元周期性地扫描监控区域。除了测量的距离信息以外，还从偏转单元的角度位置推断出对象的角度位置，并从而将对象在监控区域中的位置以二维极坐标进行统计。

用于扩展测量范围和获得附加的距离数据的另一种可行方案在于，使用多个扫描光束同时检测多个测量点。这也可以与激光扫描仪结合使用，该激光扫描仪随后不仅检测监控平面，而且还通过多个监控平面检测三维空间区域。在大多数的激光扫描仪中，扫描运动通过旋转镜来实现。然而，在使用多个扫描光束时，在现有技术中还已知替代地让具有光发射器和光接收器的整个测量头旋转，如例如DE 197 57 849 B4中所描述的。

为了提高这种系统的测量精度，采取了噪声抑制措施。特别是在室外区域中，太阳作为宽带光源，预期在光接收器上有较高的均匀光载荷和相关的高噪声。这种外来光可以通过使用光学带通滤波器来滤除，该带通滤波器被调谐到发射光的波长，并且该带通滤波器尤其在宽带外来光(例如，太阳光)的情况下确保了信噪比的显著改善。在此，在不衰减有用光的情况下，带通滤波器的频带实施得越窄，优势就越大。这种带通滤波器被构造为高达数百层的高品质的干涉滤波器。

这种带通滤波器的通带随着入射角而变化。因此，非平行的光束分量实际上会遭遇到不同通带的滤波作用。然而，如果波长与通带不匹配，则带通滤波器也会阻挡有用光。由于接收光学器件的典型任务正好是将光聚集成束并从而产生会聚的而非平行的光路，因此入射角范围通常相对较大。特别是对于紧凑型传感器，甚至要求特别短的焦距。带通滤波器的通带设有相应的容差。这进而限制了对有用光和外来光的有效区分。

因此，在现有技术中，提出了光路中的特殊的光学部件，这些光学部件使带通滤波器的接收光平行化。在US 2017/0289524 A1中，为此目的设置了光圈口径和微透镜。案件号为102018118653.3的尚未公开的德国专利申请为此目的提出了一种散射轴锥体(Zerstreu-Axicon)。然而，光路中用于平行化的附加构件需要安装空间，这增加了成本，并且作为其他部件导致容差链增大。

除了入射角范围之外，还存在其他抵消选择性(trennscharf)滤波作用的效应。一方面，在实践中，有用光的波长范围会发生偏移，这主要是由于光发射器的温度效应。在案件号为102018128630.9的尚未公开的德国专利申请中，提出了不同通带的多个滤波区域。然后，进一步评估来自多个接收元件的那些接收元件，其中分配的滤波区域特别好地对应于有用光。另一个效应是，由于安装公差等原因，滤波器总体上无法最佳地定向。因此，案件号为19158077.8的尚未公开的欧洲专利申请提出了一种用于使滤波器倾斜的调节装置。然而，在这两种情况下都没有减小入射角范围，即滤波器仍必须被设计得足够宽以便能够使非平行的接收光通过。

案件号为102018125826.7的尚未公开的德国专利申请涉及一种用于多光束激光扫描仪的双透镜物镜。物镜被设计用于环形像场，并且尽管由于这种要求的限制，透镜数量少，但仍能实现高的物镜质量。反过来，如果光源和接收元件形成为此匹配的圆形布置，则环形像场实际上意味着没有任何限制。后者也已经在稍早的DE 10 2018 101 846 A1中描述过。然而，在每种情况下，都没有讨论用于抑制外来光的滤波器。

因此，本发明的任务在于进一步提高通用传感器的测量精度。

该任务通过根据权利要求1和11的用于检测监控区域中的对象的光电传感器和方法来解决。光发射器产生特定波长范围内的发射光，并且在对象上漫反射(Remission)后，相应漫反射的发射光或接收光被光接收器转换成接收信号。控制和评估单元评估接收信号以获得关于对象的信息。

将接收光引导到光接收器的接收光学器件具有用于抑制外来光的滤波器，该滤波器被调谐到发射光的波长，以便尽可能地仅让漫反射的发射光通过并抑制其光谱之外的外来光。滤波器在接收光路中被布置在入射的接收光平行的位置处。在这里，平行并不意味着严格的数学要求，而是指特别窄的入射角范围，例如几度，最高一度，或者甚至仅十分之几度或十分之一度。

本发明基于以下基本思想，即通过接收光学器件确保在接收光路中存在所提到的针对滤波器的合适位置。如开篇所解释的，接收光学器件通常具有使接收光聚集成束的任务，从而使接收光正好不平行。因此，常规上，需要在滤波器处专门产生平行光路的附加光学元件。

根据本发明，接收光学器件针对像场角为α的环形像场进行优化。这也可以表达为接收光学器件针对偏心离轴像场点进行优化。另一方面，滤波器针对该像场角α或离轴像场点进行优化，并从而针对非垂直的入射角进行优化。因此，接收光学器件的特殊设计为匹配设计的滤波器提供了接收光平行或至少几乎平行的特别合适的位置。

本发明的优点在于，通过平行的接收光实际上消除了滤波器的入射角依赖性。因此，滤波器可以以特别有选择的方式使有用光通过并阻挡外来光，从而显著改善信噪比。例如，可以使用频带特别窄的光学带通滤波器，特别是作为干涉滤波器的通用结构形式，而不必使用额外的光学构件或安装空间。可以完全专门针对与像场角α对应的单个入射角来优化滤波器。

优选地，接收光学器件具有第一透镜和第二透镜，其中第一透镜被构造成使得单个接收点的像场角为α的光束仅落在第二透镜的一半上。因此，这种光束，确切地说优选地像场角为α的全部光束，仅在光轴一侧位于第二透镜的高度上。与光轴相对的场点的光束在第二透镜的平面内不相互重叠。这些光束不再照亮第二透镜的中点。因此，与常见的物镜不同的是，这里不使用大的连续范围的像场角，例如–α...0°...α，而是仅使用单个离散的像场角α。像场角α可以包括一定的容差环境，在该容差环境中这些特性仍然得到充分满足。

优选地，接收光学器件仅包括这两个透镜，而不包括其他透镜，即，仅是双透镜物镜。优选地，两个透镜是会聚透镜。双透镜比三透镜或多透镜更容易制造和调整。设计自由度本身受到限制，但是在该实施例中，以这样的方式利用这些设计自由度，即尽管复杂度较低，但仍然满足传感器的要求。这是通过不要求在任何地方都清晰地界定的光束而是仅在对应于像场角α的圆环上来实现的。然而，与多透镜物镜不同，双透镜物镜甚至允许k≤2或甚至k＝1的大孔径，即小光圈值，因此孔径大且测量范围大。

优选地，接收光学器件满足不等式d≥(D1*f1)/(D1+2*f1*tanα)，其中f1为第一透镜的焦距，D1为第一透镜的直径，以及d为第一透镜和第二透镜之间的距离。在此优选地，距离d在第一透镜的主平面和第二透镜的第一有效透镜表面，即面向第一透镜的透镜表面之间测量。这是针对已经介绍的条件的数学公式，即像场角为α的光束只落在第二透镜的一半上。

优选地，至少近似相等，即d＝(D1*f1)/(D1+2*f1*tanα)。至少近似意味着仍然有可能有一定(例如，5％或10％)的容差，光学器件的特性不会突然改变。反过来，这是关于即使条件不同也要保持第二透镜与光学器件的像平面之间距离尽可能大的问题，使得第二透镜也可以发挥出显著的作用。在此，从这个距离最大化的意义上来说，相等是最佳的，并且该最佳也只能近似地通过所提到的容差达到。

优选地，第二透镜的焦距f2对应于第一透镜和第二透镜之间的距离。然后，双透镜物镜在像侧变成远心的。优选地，第一透镜和第二透镜之间的距离在这里不是已介绍的距离d，而是两个透镜的主平面之间的、偏离第二透镜的中心厚度大约一半的距离d’。然而，这并不一定非得遵守。如前一段所讨论的，焦距f2近似等于第一透镜和第二透镜之间的距离带来了优点，那么双透镜物镜至少在像侧是近似远心的，并且至少一个容差在一半中心厚度范围内仍然是可以接受的。

优选地，第一透镜具有大的光圈值k1，特别是k1＝1。与多透镜物镜相比，双透镜物镜的优点在于这是完全可能的。对k1的这个选择也导致整个物镜的光圈值的数值k很小。可以用如此大的光圈值来实现特别灵敏的远程传感器。

优选地，接收光学器件不具有用于使漫反射的发射光的落在滤波器上的光束平行化的附加的光学元件。根据本发明，不需要这种附加的光学元件，因此可以节省成本和安装空间。由于对环形像场的优化，根据本发明的接收光学器件已经承担了对光路的平行化，其主要任务是将光束引导到光接收器上。

优选地，滤波器被布置在接收光学器件的其余元件前方。这种布置涉及入射的接收光的透视图，接收光首先落到滤波器上，然后落到实际的接收光学器件及其透镜上，最后落到光接收器上。相反，传统上，接收光会首先在滤波器前方通过部分接收光学器件被平行化。

优选地，滤波器仅对于与像场角α相对应的非垂直的入射角具有窄的通带。因此，滤波器仅针对该入射角进行设计。优选地，光学滤波器是带通滤波器。因此，该带通滤波器可以阻断大波长和小波长的外来光。不需要针对更大入射角范围的传统更宽的通带。优选地，光学滤波器具有半值宽度最大为40nm、最大为30nm、最大为20nm或最大为10nm的通带。这些是通带的一些值，该通带根据常规尺度是特别窄的，并保留了较大入射角范围。

优选地，光发射器被配置用于分别从发射点开始发出多个彼此分离的光束，并且光接收器被配置用于从各个落在接收点中的漫反射的光束生成各个接收信号。因此，传感器成为扫描多个测量点的多光束传感器或多传感器(Mehrfachtaster)。在作为激光扫描仪的优选的改进方案中，存在多层面扫描仪。优选地，多个测量光束共享同一接收光学器件和同一滤波器。即使对于多个测量光束，根据本发明的物镜设计也能够实现在光路中将滤波器布置在接收光平行的位置处，因此能够实现对外来光的特别有效的抑制。

每个发射点实际上是一个光发射器，相应发出的光束从该光发射器出发，其中然而首先，物理光发射器位于发射点并不一定是必要的。相反，物理光发射器也可以例如通过光束分裂在多个发射点或所有发射点产生多个发出的光束。此外，发出的光束不应被理解为较大光束内的辐射光学意义上的光束，而应理解为彼此分离的光束，因此是单独的扫描光束，这些扫描光束在落到对象上时在监控区域中产生相应单独的、彼此间隔开的光斑。类似于对发射点的阐述，接收点实际上是光接收器，而不必使光接收器物理地位于每个接收点处。然而，优选地设置相应的光接收器，或者光接收器具有像素阵列，并且仅接收点处的一个或更多个像素用于获得接收信号。其他像素也可能生成信号，但这些信号被忽略或不被读出。

优选地，发射点和/或接收点被布置在圆线上。圆线或圆环对应于对接收光学器件所设计的像场角α。在发射点或接收点和接收光学器件彼此匹配的这种布置中，恰好使用了该接收光学器件的优化特性，而对于其他像场角的可能已经被接受的设计损失不再有任何实际影响。乍一看，发射点或接收点的圆形布置，特别是对于激光扫描仪来说，似乎是不合理的，因为在一条简单的线上进行一维布置可能就足够了，然后利用该线通过旋转运动扫描平面群。然而，与圆环相比，该线不能通过双透镜物镜在所需的大成像区域上以根据本发明的高质量成像。此外，不可能在接收光平行的位置上布置滤波器，特别是对于多个扫描光束来说。还可以通过将发射点或接收点布置成圆线来扫描在激光扫描仪中等距布置的平面，因为激光扫描仪旋转方向上的偏移仅仅影响测量的(如有必要也可补偿的)时间偏移。

优选地，圆线以光轴为中心。然后，根据接收光学器件的旋转对称特性，各个光束经受相同的光束成形和偏转效果。光发射器和光接收器可以形成同轴布置，其中接收光学器件同时充当发射光学器件。这产生了特别紧凑的结构。

优选地，传感器被构造成激光扫描仪，并且具有可移动的偏转单元，借助于该偏转单元，发射光被引导通过监控区域。随着可移动偏转单元的移动，激光扫描仪利用一个发射光束在一个平面中扫描监控区域，在多个发射光束的情况下，在多个平面中扫描监控区域。优选地，偏转单元被构造成可旋转的扫描单元的形式，该扫描单元实际上形成可移动的测量头，其中安置了光发射器和/或光接收器以及优选地控制和评估单元的至少一部分。

优选地，评估单元被配置用于根据发出发射光和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。通过这种方式，传感器变成了测量距离的。可替代地，仅确定对象的存在，并且例如将其作为开关信号输出。

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。这种有利的特征在从属于独立权利要求的从属权利要求中示例性地但不详尽地进行了描述。

附图说明

下面将示例性地根据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示出了激光扫描仪的示意性截面图；

图2a示出了像场点的圆形布置的示意图；

图2b示出了像场点的线性布置的示意图；

图2c示出了像场点的圆环形

布置的示意图；

图3示出了圆形布置的发射点或接收点的俯视图；

图4示出了用于具有示例性光路的圆环形像场的双透镜物镜的示意图；

图5示出了根据图4的物镜的第二透镜的示意性俯视图，以便说明第一透镜的光学效果；以及

图6示出了具有滤波器的接收光学器件的实施方式的接收光路。

图1示出了在实施方式中作为激光扫描仪的光电传感器10的示意性截面图。在粗略划分中，传感器10包括可移动的扫描单元12和基座单元14。扫描单元12是光学测量头，而在基座单元14中安置有其他元件，诸如电源、评估电子器件、接口等。在操作中，借助基座单元14的驱动器16使扫描单元12围绕旋转轴线18进行旋转运动，以便周期性地扫描监控区域20。

在扫描单元12中，具有多个光源22a的光发射器22(例如，边缘发射器或VCSEL形式的LED或激光器)借助仅纯示意性示出的发射光学器件24产生彼此有角度偏移的多个发射光束26，这些发射光束被发出到监控区域20中。如果发射光束26在监控区域20中入射到对象上，则相应漫反射的光束28返回到传感器10。漫反射的光束28被具有用于抑制外来光的前置滤波器32的同样纯示意性示出的接收光学器件30引导到具有多个光接收元件34a的光接收器34上，这些光接收元件34a分别产生电接收信号。光接收元件34a可以是集成的矩阵布置的独立构件或像素，例如，光电二极管、APD(雪崩二极管)或SPAD(单光子雪崩二极管)。

光发射器22产生特定波长范围内的发射光束26，滤波器32被调谐到该特定波长范围。利用合适的光源，特别是激光器，发射光束26的波长范围可以非常窄。应用的光波长通常介于200nm与2000nm之间，特别是660nm、850nm、900nm和1550nm。通过滤波器32阻挡由波长范围限定的有用光频带之外的外来光。

纯示例性的四个光源22a和四个光接收元件34a在截面图中叠加示出。事实上，在本发明的优选实施方式中，如下面还将进一步阐述的，至少一组以圆形布置或布置在圆线上。但这不必须是物理的光源22a和光接收元件34a，而在这里仅仅是指与它们一致的、作为发射光束26的起点的有效发射点和作为漫反射的光束28的终点的有效接收点。与图1不同，可以设想用一个物理光源产生多个发射点，或者将多个接收点安置在同一物理接收部件上。此外，不必强制性地产生多个发射光束26并接收多个漫反射的光束28，而是也可以设想单光束的系统。

在图1所示的实施方式中，光发射器22和光接收器34被共同布置在印刷电路板36上，该印刷电路板36位于旋转轴线18上并与驱动器16的轴38连接。这仅被理解为示例，实际上可以设想任何数量和布置的印刷电路板。而且，具有双轴并存的光发射器22和光接收器34的光学基本结构也不是强制性的，并且可以由任何已知的单光束的光电传感器或激光扫描仪的结构形式来代替。这方面的示例是具有或不具有分束器的同轴布置。

非接触式供电和数据接口40将可移动的扫描单元12与固定的基座单元14连接起来。控制和评估单元42位于基座单元中，该控制和评估单元42也可以至少部分地安置在印刷电路板36上或扫描单元12中的其他部位。控制和评估单元42控制光发射器22，并获得光接收器34的接收信号以用于进一步评估。此外，控制和评估单元还控制驱动器16，并获得未示出的通常从激光扫描仪已知的角度测量单元的信号，该角度测量单元确定扫描单元12的各角度位置。

为了进行评估，优选使用已知的光飞行时间法来测量到被扫描上的对象的距离。连同关于角度测量单元的角度位置的信息，在每个带有角度和距离的扫描周期之后，扫描平面中所有对象点的二维极坐标都可供使用。同样地，通过对各漫反射的光束28的识别及其在光接收元件34a之一中的检测而已知各扫描平面，从而整体上扫描三维空间区域。

因此，对象位置或对象轮廓是已知的，并且可以通过传感器接口44输出。传感器接口44或未示出的另一接口可以反过来用作参数化接口。传感器10也可以被构造成用于安全技术中的安全传感器，以监控危险源(例如，危险的机器)。在这种情况下，监控保护场，在机器运行期间，操作人员不得进入该保护场。如果传感器10识别到不允许的保护区域入侵(例如，操作人员的腿)，则该传感器会触发机器的紧急停止。在安全技术中使用的传感器10必须特别可靠地运行，因此必须满足高安全要求，例如，针对机器安全的标准EN13849和针对非接触式防护装置(BWS)的设备标准EN61496。特别地，传感器接口44然后可以被构造成安全输出接口(OSSD，输出信号切换设备(Output Signal Switching Device))，以便在对象入侵保护区域时输出安全相关的切断信号。

示出的传感器10是具有旋转测量头(即，扫描单元12)的激光扫描仪。在此，不只发射-接收模块可以如这里所示的那样一同旋转，也可以设想相对于旋转轴线18有高度偏移或角度偏移的这种类型的其他模块。可替代地，可以设想通过旋转镜或多面镜轮进行周期性偏转。因此，在多个发射光束26的情况下，应当注意的是，该多个发射光束26如何落入到监控区域20中取决于相应的旋转位置，因为如已知的几何上的考虑得出，这些发射光束的布置通过旋转镜旋转。另一可替代的实施方式是替代旋转运动或者另外绕着垂直于旋转运动的第二轴线旋转，来回偏转扫描单元12，以便也在高度上产生扫描运动。

作为激光扫描仪的实施方式也是示例性的。也可以是没有周期性运动的多传感器，该多传感器实际上仅由具有相应的电子器件的固定的扫描单元12组成，但是没有基座单元14，特别是作为闪光激光雷达(Flash-LiDAR)的变型。

在传感器10旋转期间，每个发射光束26分别扫描表面。仅在偏转角度为0°时，即在图1中不存在水平的发射光束时，扫描监控区域20的平面。剩余的发射光束扫描锥体的外侧面，该锥体根据偏转角度而被构造成不同地尖的。在有多个以不同的角度向上和向下偏转的发射光束26的情况下，总共产生多个沙漏嵌套类型的扫描结构。在此，这些锥体外侧面有时也被简称为扫描平面。

根据本发明，图1中仅作为功能块示出的接收光学器件30被构造用于像场角为α的环形像场。现在应参照图2a至图5更详细地阐述。图2a-2c首先示出了这种特殊的光学设计的一个动机。另一动机在于由此实现了滤波器32的特别有利的位置，这将在后面参考图6更深入地讨论。

在理想情况下，如图2a所示，接收光学器件30应在像圈46内清晰地成像所有像场位置48。然而，单透镜仅用于非常小的像圈46，而相应的物镜可能会过于复杂，并且还会带来其他光学限制。

对激光扫描仪而言，不一定需要平面的成像，因为通过光源22a和光接收元件34a的线性布置已经产生了在高度上彼此有偏移的扫描平面。为此，如图2b中所示，在像场位置48的线性布置上提供清晰成像的一个光学器件可能就足够了。然而，对于较大的像圈46，只有使用复杂的物镜才有可能。

反过来，根据本发明，如图2c中所示，清晰的成像只需要用于单个像场角α，其中像场位置48的环对应于像场角α。优选地，光学设计以固定的像场角α取向，但这并不排除成像在一定环境中仍然清晰，但是对于偏离的且特别是较小的像场角，这不再是设计要求。在图2c中，具有足够清晰成像的一定公差频带的像场角α尽可能大，例如α＝±15°，以便在传感器10的光束26、28之间获得尽可能大的距离。通过对圆环形像场的这种限制，已经可以使用单透镜实现对覆盖角度的一定改善，例如高达±8°。然而，通过稍后根据图4和图5所阐述的接收光学器件30的双透镜设计得到了进一步的显著改进。

图3在俯视图中示出了光接收元件34a在圆线50上的优选布置。优选地，如图所示，接收光学器件30的光学中心轴线穿透圆线50的中点。图3还可以类似地针对发射路径进行展示，对发射光学器件24有类似的要求。然而，优选地，滤波器32不被设置在发射路径中，因为光发射器22本身已经能够产生窄的波长频带的发射光束26。

由于在圆线50上的布置，只有对应于像场角α的圆环形像场被接收光学器件30有效地使用。因此，这种布置是特别有利的，接收光学器件30的优化区域恰好得以利用。实际上，对于偏离α的像场角，接收光学器件30的像差实际上是无关的。

多个接收点34b可以通过单独的光接收元件34a或者通过光接收元件34a的集成式多重排列的像素或像素区域来实现。图3示出了具有三个接收点34b的示例，这些接收点均匀分布在圆线50上。在不规则的布置中可以设想不同数量。

图4示出了具有第一透镜52和第二透镜54的示例性的仅双透镜的物镜的示意图，其中两个透镜52、54优选为会聚透镜。对应的物镜也可以用作发射光学器件24或者在同轴布置中用作共同的发射-接收光学器件。上面图2c阐述了利用圆环形的像场优化的单透镜，像场角可以高达±8°。双透镜物镜将这一点大大提高到±20°，甚至更高。

图4中示出了相对于光轴彼此相对的两个示例性的光束56、58，这两个光束对应于像场角α。双透镜物镜针对该像场角α和由此确定的圆环形像场进行了优化。

第一透镜52将光束56、58的光束直径减小到至多为进入第一透镜52时一半大的横截面。然后，该减小的横截面仅落在第二透镜54的一半上。通过这种方式，给定点处的第二透镜54始终仅被来自一个场点的光照亮，而不是被与相对于光轴相对地设置的场点的光照亮。

图5在第二透镜54的俯视图中再次图示了双透镜物镜的这些光学特性。相对的场点的光束56、58和56’、58’不重叠，也不到达第二透镜54的相对于光轴的另一半。横向相邻的场点也可能导致一定的重叠。第二透镜54的中点保持无照射。

还可以根据双透镜物镜的参数更精确地给出这些定量解释的特性。所寻找的是第一透镜52的主平面和第二透镜54的第一光学有效表面之间的距离d，在该距离d处，光束56、58中的到场点的所有光束完全到达相对于光轴的一侧。

穿过第一透镜52的中心的光束56、58的主光束在可变的设想的d处具有tanα*d的侧向偏移(Seitenversatz)，并且相关的边缘光束还具有(D1/2)/f1*d的附加侧向偏移，其中D1是第一透镜52的所使用的直径，f1是第一透镜52的焦距。总的来说，侧向偏移应使边缘光束超出光轴。为此，需要D1/2的侧向偏移。因此，必须满足以下不等式：

[(D1/2)/f1+tanα]*d≥D1/2，

且可以变形为：

d≥(D1*f1)/(D1+2*f1*tanα)。

在此，有利地，为d选择一个至少接近于等式的数值。不等式中剩余的差异越大，第二透镜54就越接近像平面，并且在像平面处，该第二透镜几乎不再发挥有用的效果。

这两个透镜52、54可以是平面-凸面、凸面-平面、双凸面，也可以是凸面-凹面或凹面-凸面，但是在后两种情况下，它们仍然用作会聚透镜。传统的折射透镜、菲涅尔透镜或者作为绕射的或衍射的光学器件以及它们的组合是可能的。在这些一般的形状特性和作用原理中，这两个透镜52、54可以彼此不同或一致。这两个透镜52、54可以具有不同的焦距f1、f2、不同的直径D1、D2和不同的形状。

在有利的实施方式中，根据上述不等式不仅选择这两个透镜52、54之间的距离，而且还选择f2＝d’。在此，d’是透镜52、54的主平面之间的距离，根据第二透镜54的中心厚度，该距离略大于距离d。

利用该焦距f2，第二透镜54的前焦平面被置于第一透镜52的主平面中。结果，物镜的像平面中的主光束平行于光轴延伸，因此，物镜在像侧是远心的。此外，这还在用作发射光学器件24时能够使光源22a可以彼此平行对齐，并且不必倾斜。在焦距f2已经没有精确地与距离d’匹配时，只有f2～d’也是有益的，因为像侧的主光束角即使没有减小到0°，也已经显著减小。

此外，优选地，第二透镜54的直径D2仅选择为穿过的光束56、58所需的大小。然后，双透镜物镜完全仅由三个参数来决定：第一透镜52的直径D1和焦距f1可以自由选择。第二透镜54的距离d由上述不等式得出。最后，焦距f2取决于距离d’。

利用自身已知的几何(近轴)光学器件的公式，物镜的总焦距f也可以根据现在这些已知的量来计算。反过来，双透镜物镜只能由其近轴的基本变量来决定：物镜的焦距f、物镜的孔径D＝D1以及圆形像场的场角α。

在其中第一透镜的非常大但仍可实现的光圈值k1:＝f1/D1＝1的另一优选的实施方式中，关系以相当清楚的方式被简化：

d＝f1/(1+2tanα)，例如其中，α＝30°:d≈0.5*f1，

f2＝d’≈d≈f1/(1+2tanα)。

对于该优选的实施方式，为每个期望的场角α和每个期望的孔径D＝D1指定所有焦距f1、f2和距离d或d’用于双透镜物镜的设计。再次，利用计算两个组合透镜的总焦距的已知公式，还可以在需要时直接从物镜的期望值f和D中获得所有这些值。

为了完整起见，给出了一个数值示例：

物镜焦距 f＝19mm

孔径 D＝20mm(透镜1的直径)→k＝D/f＝1.05)

第一透镜 F2-玻璃：f1＝29.8mm，中心厚度4mm，非球面的凸面-平面

第二透镜 F2-玻璃：f2＝21.6mm，中心厚度5mm，球面的凸面-平面

透镜距离 d＝14.8mm；第二透镜到像平面的距离：4.2mm

像场角 α＝±15.4°

光斑直径 20μm(＝约1mrad)。

图6示出了在接收光学器件30的接收路径中的漫反射的发射光束28的示例性光路，根据刚刚介绍的原理，该接收光学器件30被构造成具有两个透镜52、54的物镜。如开篇已经讨论过的，滤波器32的通带随着入射角而发生移位。如果非平行的光落到滤波器32上，则产生不同的入射角，因此通带被设计成具有包含入射角范围的公差。由此，更多的外来光也到达光接收器34。

因此，为了适应尽可能窄的通带，滤波器32应在光路中被布置在仅具有尽可能小的入射角范围的位置处，即，在该位置处漫反射的发射光束28的光束尽可能彼此平行地延伸。一般来说，为此在接收光学器件中不存在最佳位置，因此传统上使用附加的光学元件来平行化落到滤波器上的光。

在图6中，位置60a-60e被标记在具有两个透镜52、54的双透镜物镜中的不同的光学面上，其中该双透镜物镜针对与像场角α相对应的离轴场点进行优化。滤波器32在传感器10的前面板62内，在位置60a处被布置在第一透镜52的前方，在该位置处入射角的范围仅包括0.1°。因此，漫反射的发射光束28在这里几乎完全平行。在其他位置60b-60e处，入射角范围将大得多，并且在第一透镜52的弯曲的入射面的位置60b处为43.8°，然后在第一透镜52的平坦背面的位置60c处为34.4°，以及在第二透镜54的弯曲的入射面处为14.4°，并且在第二透镜54的平坦背面处为21.2°。

因此，通过接收光学器件30针对环形像场的特殊设计(其进而特别适合于接收点34b的圆形布置)，在没有附加光学元件的情况下，实现了漫反射的发射光束28几乎最佳平行化的位置，其光束实际上以相同的角度落到滤波器32上。在任何情况下，这都适用于一定距离以上的对象，而这些对象通常是在能量方面最为关键的。因此，对于较近的对象，由于较宽的入射角范围在过窄地调谐的滤波器32上而导致的有用光的一定损失不会导致测量问题。

因此，滤波器32可以被布置在位置60a处，并且被构造成频带非常窄的干涉滤波器，或者仅考虑一个入射角。在所有公差范围内，根据最大的距离和孔径，几乎可以忽略单个光束的剩余发散度(Divergenz)。前面板62本身优选地被构造成塑料罩，因此不适合作为带通滤波器的基板。然而，原则上，可以设想将滤波器32直接安装在前面板62上，或者例如通过适当的涂层集成在前面板上。

Claims (11)

1.一种用于检测监控区域(20)中的对象的光电传感器(10)，具有：光发射器(22)，其用于发出波长范围内的发射光(26)；光接收器(34)，其用于从在所述对象处漫反射的发射光(28)生成接收信号；布置在所述光接收器(34)前方的接收光学器件(30)，其具有调谐到所述波长范围的用于抑制外来光的光学滤波器(32)，所述滤波器在接收光路中被布置在所述漫反射的发射光(28)形成平行光束的位置(60a)处；以及控制和评估单元(42)，其被配置用于从所述接收信号中获取关于所述对象的信息，

其特征在于，

所述接收光学器件(30)针对像场角为α的环形像场进行优化，并且所述滤波器(32)针对所述漫反射的发射光(28)的对应于像场角α的非垂直的入射角进行优化。

2.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中所述接收光学器件(30)具有第一透镜(52)和第二透镜(54)，其中所述第一透镜(52)被构造成使得所述光接收器(34)的单个接收点(34b)的像场角为α的各个光束分别仅射在所述第二透镜(54)的一半。

3.根据权利要求2所述的传感器(10)，其中对于所述接收光学器件(30)满足不等式d≥(D1*f1)/(D1+2*f1*tanα)，其中f1是所述第一透镜(52)的焦距，D1是所述第一透镜的直径，并且d是第一透镜(52)和第二透镜(54)之间的间距，特别地至少近似为d＝(D1*f1)/(D1+2*f1*tanα)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述接收光学器件(30)不具有用于使射在所述滤波器(32)上的所述漫反射的发射光(28)的光束平行的附加光学元件。

5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述滤波器(32)被布置在所述接收光学器件(30)中的其余元件前方。

6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述滤波器(32)仅针对与所述像场角α相对应的非垂直的入射角具有窄通带。

7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述光发射器(22)被构造用于从相应的发射点开始发出多个彼此分离的光束，并且所述光接收器(34)被构造用于从分别射在接收点(34b)处的漫反射的光束生成相应的接收信号。

8.根据权利要求7所述的传感器(10)，其中，所述发射点和/或所述接收点(34b)被布置在圆线(50)上。

9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，所述传感器被配置成激光扫描仪，并且具有可移动的偏转单元(12)，所述发射光(26)借助于所述偏转单元被周期性地引导通过所述监控区域(20)，其中特别地，所述偏转单元(12)被构造成可旋转的扫描单元的形式，所述光发射器(22)和/或所述光接收器(34)被安置在所述扫描单元中。

10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述评估单元(42)被配置用于根据发出所述发射光(26)和接收所述漫反射的发射光(28)之间的光飞行时间来确定所述对象的距离。

11.一种用于检测监控区域(20)中的对象的方法，其中发出波长范围内的发射光(26)，从在所述对象处漫反射的发射光(28)生成接收信号，并且评估所述接收信号，以获得关于所述对象的信息，其中，将所述漫反射的发射光(28)引导通过接收光学器件(30)，所述接收光学器件具有被调谐到所述波长范围的、用于抑制外来光的光学滤波器(32)，在接收光路中将所述滤波器布置在所述漫反射的发射光(28)形成平行光束的位置(60a)处，

其特征在于，

所述接收光学器件(30)针对像场角为α的环形像场进行优化，并且所述滤波器(32)针对所述漫反射的发射光(28)的对应于所述像场角α的非垂直的入射角进行优化。

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