DE102011051626A1

DE102011051626A1 - Optical sensor i.e. distance sensor, for measuring distance of object, has light transmission unit, and evaluation unit for determining distance of object by using position and/or form of light spots and gaps that separate light spots

Info

Publication number: DE102011051626A1
Application number: DE102011051626A
Authority: DE
Inventors: Dr. Lohmann Lutz
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2013-01-10
Anticipated expiration: 2031-07-08
Also published as: DE102011051626B4

Abstract

The sensor (1) has a light transmission unit (3), and a receiver (5) arranged at a distance to the transmission unit. The transmission unit emits transmission light beams (2) in the form of beam bundles such that light spots (13a, 13b) are formed on an object (10) to be detected. The receiver receives receiving light beams (4). An evaluation unit (7) determines distance of the object by using position and/or form of the spots and gaps (14) that separate the spots. The transmission unit comprises transmitters (11a, 11b) and a deflection unit that is arranged downstream of the transmitters. An independent claim is also included for a method for executing distance measurement by using an optical sensor.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor und ein Verfahren zur Durchführung von Distanzmessungen mittels eines optischen Sensors.The invention relates to an optical sensor and a method for carrying out distance measurements by means of an optical sensor.

Derartige optische Sensoren weisen eine Sendelichtstrahlen emittierende Lichtsendeeinheit und einen in Abstand zu dieser angeordneten ortsauflösenden Empfänger auf. Die Distanzbestimmung erfolgt bei diesen optischen Sensoren in bekannter Weise nach dem Triangulationsprinzip. Die von der Lichtsendeeinheit emittierten Sendelichtstrahlen werden von einem zu detektierenden Objekt als Empfangslichtstrahlen in Richtung des ortsauflösenden Empfängers zurückreflektiert und generieren auf diesem einen Lichtfleck. In der Auswerteeinheit des optischen Sensors wird der Auftreffpunkt des Lichtflecks, vorzugsweise dessen Schwerpunkt, auf dem ortauslösenden Empfänger als Maß für die Distanz des Objekts zum optischen Sensor ausgewertet.Such optical sensors have a transmitting light beam emitting light transmitting unit and a spaced therefrom arranged spatially resolving receiver. The distance determination takes place in these optical sensors in a known manner according to the triangulation principle. The transmitted light beams emitted by the light-emitting unit are reflected back from an object to be detected as receiving light beams in the direction of the spatially resolving receiver and generate a light spot thereon. In the evaluation unit of the optical sensor, the point of impact of the light spot, preferably its center of gravity, on the location-triggering receiver is evaluated as a measure of the distance of the object to the optical sensor.

Die so emittierten Distanzwerte sind jedoch oft fehlerbehaftet. Eine Fehlerursache ist die Abhängigkeit der Distanzmessungen von der Reflektivität der Oberfläche der zu detektierenden Objekte. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Objektoberflächen räumlich variierende Reflektivitäten aufweisen, beispielsweise Hell-Dunkelübergänge, Textstrukturen oder dergleichen. Auch ist die Distanzmessung von externen Störeinflüssen wie Fremdlichteinstrahlungen abhängig.However, the distance values thus emitted are often subject to errors. One cause of the error is the dependence of the distance measurements on the reflectivity of the surface of the objects to be detected. This applies in particular if the object surfaces have spatially varying reflectivities, for example light-dark transitions, text structures or the like. Also, the distance measurement of external interference is like external light irradiation dependent.

Aus der EP 1 947 477 B1 ist ein nach dem Triangulationsprinzip arbeitender optischer Sensor bekannt, bei welchem nicht nur die Position des Lichtflecks der Empfangslichtstrahlen auf dem ortsauflösenden Empfänger ausgewertet wird, sondern auch die Form, insbesondere der Durchmesser des Lichtflecks als Maß für die Objektdistanz ausgewertet wird. Die durch die Lichtfleckposition und Lichtfleckform erhaltenen Distanzmessungen werden entweder zur Überprüfung der Plausibilität miteinander verglichen oder miteinander verrechnet, insbesondere in Form einer Durchschnittsbildung.From the EP 1 947 477 B1 is an operating according to the triangulation optical sensor known, in which not only the position of the light spot of the received light beams is evaluated on the spatially resolving receiver, but also the shape, in particular the diameter of the light spot is evaluated as a measure of the object distance. The distance measurements obtained by the light spot position and the light spot shape are either compared with one another or computed with one another for checking the plausibility, in particular in the form of averaging.

Damit wird eine redundante Distanzinformation bei jeder Distanzmessung erhalten, wodurch deren Genauigkeit gegenüber einer herkömmlichen Triangulationsmessung, bei der nur die Lichtfleckposition auf dem Empfänger ausgewertet wird, erhöht wird.Thus, a redundant distance information is obtained at each distance measurement, whereby their accuracy compared to a conventional triangulation, in which only the light spot position is evaluated on the receiver, is increased.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass Distanzmessungen mit weiter erhöhter Genauigkeit durchgeführt werden können.The invention has the object of developing an optical sensor of the type mentioned so that distance measurements with further increased accuracy can be performed.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.To solve this problem, the features of claim 1 are provided. Advantageous embodiments and expedient developments of the invention are described in the subclaims.

Der erfindungsgemäße optische Sensor umfasst eine Sendelichtstrahlen emittierende Lichtsendeeinheit, einen in Abstand zur Lichtsendeeinheit angeordneten, Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und eine Auswerteeinheit. Aus Empfangssignalen wird an Ausgängen des Empfängers die Distanz eines Objekts bestimmt. Mit der Lichtsendeeinheit werden Sendelichtstrahlen in Form mehrerer voneinander getrennter Strahlbündel emittiert, so dass mit diesen auf einem zu detektierenden Objekt mehrere durch Lücken getrennte Lichtflecke entstehen, welche auf dem Empfänger abgebildet werden. In der Auswerteeinheit werden die Lage und/oder Form wenigstens zweier Elemente, gebildet von einem Lichtfleck oder einer Lücke, zur Distanzbestimmung herangezogen.The optical sensor according to the invention comprises a light emitting unit emitting transmitted light rays, a receiver arranged at a distance from the light transmitting unit, receiving receivers receiving light beams and an evaluation unit. From received signals, the distance of an object is determined at outputs of the receiver. With the light-emitting unit, transmitted light beams are emitted in the form of a plurality of separate beam bundles, so that with them on an object to be detected a plurality of gaps separated by gaps arise, which are imaged on the receiver. In the evaluation unit, the position and / or shape of at least two elements formed by a light spot or a gap are used for distance determination.

Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung von Distanzmessungen mit diesem optischen Sensor.Furthermore, the invention relates to a method for carrying out distance measurements with this optical sensor.

Da mit dem erfindungsgemäßen optischen Sensor mehrere Lichtflecke, getrennt durch Lücken, zur Objektdetektion generiert werden, steht eine gegenüber herkömmlichen, mit einem Lichtfleck arbeitenden optischen Sensoren eine erheblich vergrößerte Anzahl von Distanzinformationen für die Distanzbestimmung zur Verfügung. Aufgrund der mehreren, redundanten Distanzinformationen kann somit die Genauigkeit der Distanzmessung erheblich gesteigert werden.Since a plurality of light spots, separated by gaps, are generated for object detection with the optical sensor according to the invention, a considerably larger number of distance information is available for the distance determination than conventional optical sensors operating with a light spot. Due to the multiple, redundant distance information thus the accuracy of the distance measurement can be significantly increased.

Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass mit der von der Lichtsendeeinheit generierten strukturierten Beleuchtung, bestehend aus mehreren Lichtflecken und Lücken, die Oberfläche des zu detektierenden Objekts an mehreren Stellen vermessen wird. Durch die Auswertung dieses Lichtfleckabbilds auf dem Empfänger wird insbesondere auch dann eine genaue Distanzmessung ermöglicht, wenn die Objektoberfläche räumlich variierende Reflektivitäten, beispielsweise in Form von Texturen, Schriftzeichen oder sonstigen Muster, aufweist. Die einzelnen Lichtflecke und Lücken des Beleuchtungsmusters können dabei auf Objektoberflächenzonen mit unterschiedlicher Reflektivität auftreffen. Dadurch können bei der Abbildung auf dem Empfänger zwar einzelne Lichtflecke oder Lücken in ihren Formen beeinflusst sein. Diese Störeffekte können durch einen Vergleich oder eine Mittellung der für die einzelnen Lichtflecke oder Lücken ermittelten Distanzwerte jedoch weitgehend eliminiert werden.A significant advantage is that with the structured illumination generated by the light-emitting unit, consisting of a plurality of light spots and gaps, the surface of the object to be detected is measured at several points. By evaluating this light spot image on the receiver, an accurate distance measurement is made possible even if the object surface has spatially varying reflectivities, for example in the form of textures, characters or other patterns. The individual light spots and gaps of the illumination pattern can impinge on object surface zones with different reflectivity. As a result, individual light spots or gaps in their shapes can be influenced during imaging on the receiver. However, these interference effects can be largely eliminated by comparing or averaging the distance values determined for the individual light spots or gaps.

Zur Distanzbestimmung können in der Auswerteeinheit einerseits die Lagen der Lichtflecke und der Lücken zwischen den Lichtflecken, insbesondere deren Schwerpunkte, ausgewertet werden. Da die Position der einzelnen von der Lichtsendeeinheit generierten Lichtflecke und der dazwischen liegenden Lücken relativ zum ortsauflösenden Empfänger bekannt sind, liefern diese Größen jeweils ein Maß für die Objektdistanz.To determine the distance, the layers of the light spots and the gaps between the light spots, in particular their center of gravity, can be evaluated in the evaluation unit on the one hand. Because the Position of the individual light spots generated by the light emitting unit and the gaps between them are known relative to the spatially resolving receiver, these quantities each provide a measure of the object distance.

Weiterhin können in der Auswerteinheit die Formen, insbesondere die Größen der Lichtflecke und Lücken, als Maß für die Objektdistanz ausgewertet werden, da sich auch diese Kenngrößen mit der Objektdistanz in eindeutiger Weise andern. Generell kann in der Auswerteeinheit eine beliebige Kombination von Positionen und/oder Formen beziehungsweise Größen von Lichtflecken und/oder Lücken zur Distanzbestimmung herangezogen werden. Dabei können die einzelnen Distanzinformationen miteinander verglichen werden, beispielsweise durch eine Plausibilitätsprüfung. Alternativ können die einzelnen Distanzinformationen, das heißt Einzel-Distanzwerte, miteinander verrechnet werden, beispielsweise in Form einer Mittelwertbildung.Furthermore, in the evaluation unit, the shapes, in particular the sizes of the light spots and gaps, can be evaluated as a measure of the object distance, since these parameters also unambiguously change with the object distance. In general, any combination of positions and / or shapes or sizes of light spots and / or gaps for distance determination can be used in the evaluation unit. In this case, the individual distance information can be compared with each other, for example by a plausibility check. Alternatively, the individual distance information, that is to say individual distance values, can be offset against one another, for example in the form of an averaging.

Ein wesentlicher Aspekt bei der erfindungsgemäßen Distanzmessung besteht darin, dass mit der Lichtsendeeinheit mehrere durch Lücken getrennte Strahlbündel generiert werden können.An essential aspect of the distance measurement according to the invention is that multiple light beams separated by gaps can be generated with the light-emitting unit.

Generell kann die Lichtsendeeinheit dabei derart ausgebildet sein, dass die generierten Strahlbündel völlig separat voneinander sind, das heißt in den Lücken zwischen den Strahlbündeln kein Licht emittiert wird.In general, the light-emitting unit can be designed in such a way that the generated beam bundles are completely separate from one another, that is, no light is emitted in the gaps between the beam bundles.

Alternativ sendet die Lichtsendeeinheit ein kontinuierlich variierendes Muster unterschiedlicher Lichtstärken aus. In der Auswerteeinheit wird dann mittels unterschiedlicher Schwellwerte das Muster in Strahlbündel und Lücken aufgeteilt.Alternatively, the light-emitting unit emits a continuously varying pattern of different light intensities. In the evaluation unit, the pattern is then divided into beams and gaps by means of different threshold values.

Diese Variante ist deshalb vorteilhaft, da an die optischen Eigenschaften der Lichtsendeeinheit zur Trennung der Strahlbündel durch Lücken geringere Anforderungen gestellt werden müssen.This variant is advantageous because fewer demands must be placed on the optical properties of the light-emitting unit for the separation of the beam due to gaps.

Bei beiden Varianten kann gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform kann Lichtsendeeinheit mehrere Sender aufweisen, mittels derer die einzelnen Strahlbündel generiert werden.In both variants, according to a first advantageous embodiment, the light-emitting unit can have a plurality of transmitters, by means of which the individual ray bundles are generated.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform weist die Lichtsendeeinheit einen Sender und eine dieser nachgeordneten Ablenkeinheit auf. Die in verschiedenen Winkelpositionen der Ablenkeinheit abgedeckten Sendelichtstrahlen des Senders bilden die unterschiedlichen Strahlbündel.In accordance with a second embodiment, the light-emitting unit has a transmitter and a deflection unit arranged downstream of it. The transmitted light beams of the transmitter covered in different angular positions of the deflection unit form the different beam bundles.

Gemäß einer dritten Ausführungsform bildet die Lichtsendeeinheit einen Sender und eine diesem nachgeordnete, strukturierte Aufweitungsoptik, die transparente und nicht transparente Segmente aufweist. Die über die transparenten Segmente der Aufweitungsoptik geführten Sendelichtstrahlen des Senders bilden die Strahlbündel.According to a third embodiment, the light-emitting unit forms a transmitter and a substructured, structured expansion optics having transparent and non-transparent segments. The guided over the transparent segments of the expansion optics transmitted light beams of the transmitter form the beam.

Bei sämtlichen Varianten der Lichtsendeeinheit kann diese so ausgebildet sein, dass mit dieser ein periodisch variierendes Lichtmuster von Strahlbündeln und Lücken generiert wird. Durch die Auswertung der periodischen Struktur des dadurch am Empfänger generierten Lichtfleckabbildes wird eine besonders genaue Objektdetektion ermöglicht.In all variants of the light-emitting unit, it can be designed such that it generates a periodically varying light pattern of beam bundles and gaps. By evaluating the periodic structure of the light spot image generated thereby at the receiver, a particularly accurate object detection is made possible.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Lichtstärken der Strahlbündel in den Randbereichen der Lichtsendeeinheit größer als die Lichtstärken der Strahlbündel in deren Zentrum.According to an advantageous embodiment of the invention, the light intensities of the beam in the edge regions of the light-emitting unit are greater than the light intensities of the beam in the center.

Dadurch kann erreicht werden, dass die Lichtintensitäten der mit der Lichtsendeeinheit generierten Lichtflecke zum Rand des beleuchteten Erfassungsbereichs hin auch bei größeren Distanzen nicht abfallen, wodurch die Nachweissicherheit des optischen Sensors erhöht wird.It can thereby be achieved that the light intensities of the light spots generated by the light-emitting unit do not fall off toward the edge of the illuminated detection area, even at relatively long distances, thereby increasing the detection reliability of the optical sensor.

Diese Maßnahme lässt sich durch den Einsatz mehrerer Sender, die unterschiedliche Beleuchtungsstärken aufweisen, realisieren. Alternativ können hierzu geeignete Optikelemente zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen, beispielsweise in Form von Freiformlinsen, eingesetzt werden.This measure can be realized by the use of multiple transmitters that have different illuminance levels. Alternatively, suitable optical elements for beam shaping of the transmitted light beams, for example in the form of free-form lenses, can be used for this purpose.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Ebenen der Lichtsendeeinheit und des Empfängers um einen Kippwinkel gegeneinander verkippt.According to a further advantageous embodiment of the invention, the planes of the light-emitting unit and of the receiver are tilted by a tilt angle relative to one another.

Dieser Kippwinkel ist vorteilhaft so gewählt, dass der optische Wirkungsgrad des Empfängers zu kürzeren Objektabständen hin verringert ist, so dass die Signalunterschiede bei Detektionen von Objekten in Nahbereich einerseits und Objekten im Fernbereich andererseits, verringert werden. Damit kann in einem großen Distanzbereich eine sichere Objektdetektion gewährleistet werden.This tilt angle is advantageously chosen so that the optical efficiency of the receiver is reduced to shorter object distances, so that the signal differences in detections of objects in the near field on the one hand and objects in the long range on the other hand, be reduced. This can be guaranteed in a large distance range safe object detection.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below with reference to the drawings. Show it:

1: Erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Sensors. 1 : First embodiment of the optical sensor according to the invention.

2: Zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Sensors. 2 : Second embodiment of the optical sensor according to the invention.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Sensors 1. Der optische Sensor 1 stellt einen nach dem Triangulationsprinzip arbeitenden Distanzsensor dar. Der optische Sensor 1 umfasst eine Sendelichtstrahlen 2 emittierende Lichtsendeeinheit 3 und einen Empfangslichtstrahlen 4 empfangenden ortsauflösenden Empfänger 5. Der ortsauflösende Empfänger 5 kann im einfachsten Fall von einem PSD-Element gebildet sein. Im vorliegenden Fall ist der ortsauflösende Empfänger 5 von einer Empfängerzeile mit einer Anzahl von Empfangselementen, beispielsweise von einer CCD-Zeile oder einer CMOS-Zeile, gebildet. Dem ortsauflösenden Empfänger 5 ist weiterhin eine Empfangsoptik 6 vorgeordnet. 1 shows a first embodiment of the optical sensor according to the invention 1 , The optical sensor 1 represents a distance sensor operating on the triangulation principle. The optical sensor 1 includes a transmitted light rays 2 emitting light-emitting unit 3 and one Receiving light rays 4 receiving spatial resolver 5 , The spatially resolving receiver 5 can be formed in the simplest case of a PSD element. In the present case, the location-resolving receiver 5 from a receiver line with a number of receiving elements, for example from a CCD line or a CMOS line. The location-resolving receiver 5 is still a receiving optics 6 upstream.

Der optische Sensor 1 weist weiterhin eine Auswerteeinheit 7 auf, die beispielsweise von einem Mikroprozessor gebildet ist. Die Auswerteeinheit 7 dient zur Steuerung der Lichtsendeeinheit 3. Zudem werden zur Durchführung von Distanzmessungen die Empfangssignale an den Ausgängen des ortsauflösenden Empfängers 5 ausgewertet.The optical sensor 1 also has an evaluation unit 7 on, which is formed for example by a microprocessor. The evaluation unit 7 serves to control the light-emitting unit 3 , In addition, to carry out distance measurements, the received signals at the outputs of the spatially resolving receiver 5 evaluated.

Sämtliche Sensorkomponenten des optischen Sensors 1 sind in einem Gehäuse 8 integriert. In der Frontwand des Gehäuses 8 befindet sich ein Fenster 9. Durch dieses werden die von der Lichtsendeeinheit 3 emittierten Sendelichtstrahlen 2 und die von einem zu detektierenden Objekt 10 zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 4 geführt.All sensor components of the optical sensor 1 are in a housing 8th integrated. In the front wall of the housing 8th there is a window 9 , This will be the light emitted by the unit 3 emitted transmitted light rays 2 and that of an object to be detected 10 reflected back receive light beams 4 guided.

Die Lichtsendeeinheit 3 weist im vorliegenden Fall zwei in Abstand zueinander angeordnete Sender 11a, 11b auf, die vorzugsweise identisch sind und von einer Leuchtdiode oder Laserdiode gebildet sein können. Den Sendern 11a, 11b kann jeweils eine nicht dargestellte Sendeoptik nachgeordnet sein. Jeder Sender 11a, 11b emittiert ein zumindest näherungsweise kollimiertes Strahlbündel 12a, 12b wobei die beiden Strahlbündel 12a, 12b zusammen die Sendelichtstrahlen 2 der Lichtsendeeinheit 3 bilden. Die Strahlbündel 12a, 12b verlaufen zumindest näherungsweise parallel zueinander innerhalb eines Überwachungsbereichs, in dem zu detektierende Objekte 10 angeordnet sein können.The light-emitting unit 3 has in the present case two spaced-apart transmitter 11a . 11b which are preferably identical and may be formed by a light-emitting diode or laser diode. The transmitters 11a . 11b can each be followed by a transmitting optics, not shown. Each transmitter 11a . 11b emits an at least approximately collimated beam 12a . 12b the two beams 12a . 12b together the transmitted light rays 2 the light-emitting unit 3 form. The ray bundles 12a . 12b run at least approximately parallel to each other within a surveillance area, in the objects to be detected 10 can be arranged.

Anstellte zweier Sender 11a, 11b können auch mehrere derartige Sender 11a, 11b vorgesehen sein, die voneinander getrennte Strahlbündel 12a, 12b emittieren. Diese Sender 11a, 11b können insbesondere eine periodische Anordnung bilden.Instead of two transmitters 11a . 11b You can also use several such channels 11a . 11b be provided, the separate beam 12a . 12b emit. These transmitters 11a . 11b may in particular form a periodic arrangement.

Mit den beiden getrennt verlaufenden Strahlbündeln 12a, 12b der Sender 11a, 11b der Lichtsendeeinheit 3 des optischen Sensors 1 gemäß 1 werden auf der Oberfläche des zu detektierenden Objekts 10 zwei Lichtflecke 13a, 13b generiert, die durch eine Lücke 14 voneinander getrennt sind.With the two separated beam bundles 12a . 12b the transmitter 11a . 11b the light-emitting unit 3 of the optical sensor 1 according to 1 become on the surface of the object to be detected 10 two spots of light 13a . 13b generated by a gap 14 are separated from each other.

Dieses Muster der von der Lücke 14 getrennten Lichtflecke 13a, 13b wird durch die Reflektion der Sendelichtstrahlen 2 als Empfangslichtstrahlen 4 in Richtung des optischen Sensors 1 auf dem ortsauflösenden Empfänger 5 abgebildet. Dieses Lichtfleckabbild wird in der Auswerteeinheit 7 zur Bestimmung der Distanz des Objekts 10 zum optischen Sensor 1 ausgewertet.This pattern of the gap 14 separate spots of light 13a . 13b is due to the reflection of the transmitted light rays 2 as received light beams 4 in the direction of the optical sensor 1 on the location-resolving receiver 5 displayed. This light spot image is in the evaluation unit 7 for determining the distance of the object 10 to the optical sensor 1 evaluated.

Als erstes Maß für die Objektdistanz werden in der Auswerteeinheit 7 die Auftreffpunkte der Lichtflecke 13a, 13b und/oder der Lücke 14 zwischen diesem auf dem ortsauflösenden Empfänger 5 ausgewertet. Durch die bekannten Abstände der Sender 11a, 11b zum Empfänger kann aus den Auftreffpunkten, insbesondere den Schwerpunkten der auf den ortsauflösenden Empfänger 5 abgebildeten Lichtflecke 13a, 13b, oder der Lücke 14 jeweils die Objektdistanz ermittelt werden.The first measure of the object distance is in the evaluation unit 7 the impact points of the light spots 13a . 13b and / or the gap 14 between this on the location-resolving receiver 5 evaluated. Due to the known distances of the transmitter 11a . 11b to the receiver can from the impact points, in particular the focal points of the on the spatially resolving receiver 5 pictured light spots 13a . 13b , or the gap 14 in each case the object distance can be determined.

Weiterhin wird jeweils aus den Formen, insbesondere den Größen der auf den ortsauflösenden Empfänger 5 abgebildeten Lichtflecke 13a, 13b und der Lücke 14 zwischen den Lichtflecken 13a, 13b die Objektdistanz ermittelt.Furthermore, in each case from the forms, in particular the sizes of the on the spatially resolving receiver 5 pictured light spots 13a . 13b and the gap 14 between the light spots 13a . 13b determines the object distance.

Wie aus 1 ersichtlich, befindet sich die Ebene des Empfängers nicht in der Ebene E der Lichtsendeeinheit 3 beziehungsweise deren Empfänger. Wäre der ortsauflösende Empfänger 5 in der Ebene E der Sender 11a, 11b angeordnet, so wäre die Scheimpflug-Bedingung erfüllt, eine Voraussetzung für eine im Wesentlichen abstandsunabhängige Fokussierung der Empfangslichtstrahlen 4 ist. Da jedoch die Ebene des Empfängers aus der Ebene E der Lichtsendeeinheit 3 herausgekippt ist, ist die Abbildung der Lichtflecke 13a, 13b und der Lücken 14 auf dem ortsauflösenden Empfänger 5 abstandsabhängig, so dass deren Formen, insbesondere Größen ein direktes Maß für die Objektdistanz liefern.How out 1 As can be seen, the plane of the receiver is not in the plane E of the light-emitting unit 3 or their recipients. Would be the spatially resolving receiver 5 in the E level the transmitter 11a . 11b arranged, the Scheimpflug condition would be satisfied, a prerequisite for a substantially distance-independent focusing of the received light beams 4 is. However, since the plane of the receiver is from the plane E of the light-emitting unit 3 is the picture of the light spots 13a . 13b and the gaps 14 on the location-resolving receiver 5 distance-dependent, so that their shapes, in particular sizes provide a direct measure of the object distance.

Mit der Verkippung des ortsauflösenden Empfängers 5 bezüglich der Ebene E der Lichtsendeeinheit 3 wird zudem erreicht, dass der Signalunterschied von Empfangslichtstrahlen 4, die von Objekten 10 im Nahbereich einerseits und von Objekten 10 im Fernbereich andererseits auf den ortsauflösenden Empfänger 5 treffen, verringert wird.With the tilting of the spatially resolving receiver 5 with respect to the plane E of the light-emitting unit 3 is also achieved that the signal difference of received light beams 4 that of objects 10 in close range on the one hand and of objects 10 on the other hand, in the long-range area to the location-resolving receiver 5 meet, is reduced.

In der Auswerteeinheit 7 stehen somit mehrere Distanzinformationen zur Verfügung. Diese Einzeldistanzmesswerte können in einer Plausibilitätbetrachtung miteinander verglichen werden. Beispielsweise kann der am häufigsten auftauchende Einzeldistanzmesswert als tatsächlicher Distanzwert übernommen und als Ausgangssignal ausgegeben werden. Alternativ kann auch eine Mittelwertbildung über alle oder eine vorgebbare Anzahl von Einzeldistanzwerten durchgeführt werden, um den Distanzwert, der als Ausgangssignal ausgegeben wird, zu ermitteln.In the evaluation unit 7 Thus, several distance information is available. These individual distance measured values can be compared in a plausibility analysis. For example, the most frequently occurring single distance measured value can be taken over as the actual distance value and output as an output signal. Alternatively, an averaging over all or a predefinable number of individual distance values can be carried out in order to determine the distance value which is output as an output signal.

2 zeigt eine zweite Ausführungsform des optischen Sensors 1, welche sich nur hinsichtlich des Aufbaus der Lichtsendeeinheit 3 von der Ausführungsform gemäß 1 unterscheidet. 2 shows a second embodiment of the optical sensor 1 , which only with respect to the structure of the light emitting unit 3 from the embodiment according to 1 different.

Die Lichtsendeeinheit 3 besteht in diesem Fall aus einem einzelnen Sender 11 mit einer nachgeordneten Aufweitungsoptik 15. Mit der so ausgebildeten Lichtsendeeinheit 3 werden keine voneinander völlig separaten Strahlbündel 12a, 12b als Sendelichtstrahlen 2 emittiert. Vielmehr sendet die Lichtsendeeinheit 3 ein in der Ebene senkrecht zur Strahlachse der Sendelichtstrahlen 2 räumlich kontinuierlich variierendes Muster mit verschiedenen Lichtstärken aus. Dieses Muster ist im vorliegendem Fall so ausgebildet, dass auf der Objektoberfläche sowie in Abstand zueinander liegende Maxima M₁, M₂ als Bereiche großer Lichtstärken abgebildet werden, die durch Bereiche geringerer Lichtstärken getrennt sind. The light-emitting unit 3 in this case consists of a single transmitter 11 with a downstream expansion optics 15 , With the light emitting unit thus formed 3 do not become completely separate from each other ray bundles 12a . 12b as transmitted light rays 2 emitted. Rather, the light-emitting unit sends 3 in the plane perpendicular to the beam axis of the transmitted light rays 2 spatially continuously varying pattern with different light intensities. In the present case, this pattern is designed so that maxima M ₁ , M ₂ lying on the object surface and at a distance from one another are imaged as regions of high light intensities which are separated by regions of lesser intensities of light.

Analog zur Ausführungsform gemäß 1 wird dieses Lichtmuster auf der Objektoberfläche auf dem ortsauflösenden Empfänger 5 abgebildet.Analogous to the embodiment according to FIG 1 This pattern of light is applied to the object surface on the location-sensitive receiver 5 displayed.

In der Auswerteeinheit 7 erfolgt eine Analyse dieses Musters mittels einer Schwellwertbewertung, mit der die Bereiche M₁, M₂ als Strahlbündelbereiche vom Rest des Lichtmusters separiert werden. Damit werden durch die spezifische Auswertung in der Auswerteeinheit 7 wieder zwei durch eine Lücke 14 getrennte Strahlbündel 12a, 12b erhalten, so dass dann die weitere Auswertung zur Distanzbestimmung analog zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 erfolgen kann.In the evaluation unit 7 an analysis of this pattern takes place by means of a threshold value evaluation, with which the areas M ₁ , M _{2 are separated} as beam bundle areas from the rest of the light pattern. This is done by the specific evaluation in the evaluation unit 7 two again through a gap 14 separate beams 12a . 12b received, so that then the further evaluation for distance determination analogous to the embodiment according to 1 can be done.

Auch bei der Ausführungsform gemäß 2 kann mit mehr als zwei Strahlbündeln 12a, 12b gearbeitet werden. Hierzu ist die Aufweitungsoptik 15 so ausgebildet, dass mit dieser ein Lichtmuster auf der Objektoberfläche erzeugt wird, das mehr als zwei Maxima aufweist. Aus diesen Maxima können dann in der Auswerteeinheit 7 durch geeignete Schwellwertbewertungen durch Lücken 14 getrennte Strahlbündel 12a 12b extrahiert werden.Also in the embodiment according to 2 can work with more than two beams 12a . 12b to be worked. This is the expansion optics 15 designed so that with this a light pattern is generated on the object surface having more than two maxima. From these maxima can then in the evaluation 7 through suitable threshold valuations through gaps 14 separate beams 12a 12b be extracted.

Um mit den Sendelichtstrahlen 2 eine möglichst homogene Ausleuchtung von Objekten 10, insbesondere auch bei Objekten 10 im Fernbereich, zu gewährleisten, kann die Aufweitungsoptik 15 so beschaffen sein, dass mit dieser in den Randbereichen der Sendelichtstrahlen 2 größere Lichtstärken als im Zentrum erhalten werden. Hierzu geeignete Aufweitungsoptiken 15 können als Freiformlinsen und dergleichen ausgebildet sein.To deal with the transmitted light rays 2 a homogeneous illumination of objects 10 , especially for objects 10 in the long-range, to ensure the expansion optics 15 be such that with this in the peripheral areas of the transmitted light beams 2 greater light levels are obtained than in the center. For this purpose, suitable expansion optics 15 can be formed as free-form lenses and the like.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Optischer SensorOptical sensor
22: SendelichtstrahlenTransmitted light beams
33: LichtsendeeinheitLight-emitting unit
44: EmpfangslichtstrahlenReceiving light rays
55: ortsauflösender EmpfängerSpatial receiver
66: Empfangsoptikreceiving optics
77: Auswerteeinheitevaluation
88th: Gehäusecasing
99: Fensterwindow
1010: Objektobject
1111: Sendertransmitter
11a11a: Sendertransmitter
11b11b: Sendertransmitter
12a12a: Strahlbündelbeam
12b12b: Strahlbündelbeam
13a13a: Lichtflecklight spot
13b13b: Lichtflecklight spot
1414: Lückegap
1515: Aufweitungsoptikexpansion optics

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1947477 B [0004]

Claims

Optical sensor ( 1 ) with a transmitted light beam ( 2 ) emitting light emitting unit, a distance from the light emitting unit ( 3 ), received light beams ( 4 ) receiving receiver and an evaluation unit ( 7 ), in which received signals at outputs of the receiver, the distance of an object ( 10 ), characterized in that with the light-emitting unit ( 3 ) Transmitted light beams ( 2 ) in the form of a plurality of separate beams ( 12a . 12b ) are emitted, so that with these on an object to be detected ( 10 ) several through gaps ( 14 ) separate light spots ( 13a . 13b ), which are displayed on the receiver, and that in the evaluation unit ( 7 ) the position and / or shape of at least two elements formed by a light spot ( 13a . 13b ) or a gap ( 14 ), are used for distance determination.

Optical sensor according to claim 1, characterized in that the light-emitting unit ( 3 ) several transmitters ( 11 . 11a . 11b ), by means of which the individual beam bundles ( 12a . 12b ) to be generated.

Optical sensor according to claim 1, characterized in that the light-emitting unit ( 3 ) a transmitter ( 11 ) and a downstream of this deflecting unit, wherein the deflected in different angular positions of the deflecting transmitted light beams ( 2 ) of the transmitter ( 11 ) the different beams ( 12a . 12b ) form.

Optical sensor according to claim 1, characterized in that the light-emitting unit ( 3 ) a transmitter ( 11 ) and a subordinate, structured expansion optics ( 15 ) with transparent and non-transparent segments, wherein the transparent segments of the expansion optics ( 15 ) guided transmitted light beams ( 2 ) of the transmitter ( 11 ) the beams ( 12a . 12b ) form.

Optical sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the light-emitting unit ( 3 ) emits a continuously varying pattern of different light intensities, and that in the evaluation unit ( 7 ) by means of different threshold values, the pattern in beam ( 12a . 12b ) and gaps ( 14 ) is divided.

Optical sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the light-emitting unit ( 3 ) emits a periodically varying pattern of light.

Optical sensor according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the light intensities of the beam bundles ( 12a . 12b ) in the edge regions of the light-emitting unit ( 3 ) are larger than the light intensities of the beam ( 12a . 12b ) in the center.

Optical sensor according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the planes of the light-emitting unit ( 3 ) and the receiver are tilted by a tilt angle against each other.

Method for carrying out distance measurements by means of an optical sensor, with a light emitting unit emitting transmitting light beams ( 3 ), at a distance from the light-emitting unit ( 3 ), received light beams ( 4 ) receiving receiver and an evaluation unit ( 7 ), in which received signals at outputs of the receiver, the distance of an object ( 10 ), characterized in that with the light-emitting unit ( 3 ) Transmitted light beams ( 2 ) in the form of a plurality of separate beams ( 12a . 12b ) are emitted, so that with these on an object to be detected ( 10 ) several through gaps ( 14 ) separate light spots ( 13a . 13b ), which are displayed on the receiver, and that in the evaluation unit ( 7 ) the position and shape of at least two elements formed by a light spot ( 13a . 13b ) or a gap ( 14 ), are used for distance determination.

A method according to claim 9, characterized in that as forms of the light spots ( 13a . 13b ) or gaps ( 14 ) whose sizes are evaluated.

Method according to one of claims 9 or 10, characterized in that in the evaluation unit ( 7 ) obtained in an object detection different distance information is compared or billed.