DE102017001612A1

DE102017001612A1 - Elektro-optisches zweidimensionales Entfernungsmessgerät mit einem transparenten Umgehäuse und einer rotierenden Transparenzüberwachung

Info

Publication number: DE102017001612A1
Application number: DE102017001612.7A
Authority: DE
Inventors: Oliver Kühnbach; Ernst Tabel
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2017-02-18
Filing date: 2017-02-18
Publication date: 2018-08-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektro-optisches zweidimensionales Entfernungsmessgerät nach dem Laufzeitprinzip mit mindestens einem Entfernungsmessmodul bestehend aus einer Sendeeinheit zum Aussenden von Sendelichtpulsen in einer Ebene, einer Empfängereinheit zum Nachweis von reflektiertem Licht, das von Objekten im Überwachungsbereich zurückgestrahlt wird, einer Auswerteeinheit zum Auswerten des von der Empfängereinheit nachgewiesenen reflektierten Lichtes und zum Bestimmen eines Objektabstands aufgrund einer gemessenen Laufzeit und einer Dreheinrichtung zum Drehen der Entfernungsmessmodule um eine quer zu der Strahlrichtung orientierten Rotationsachse. Das elektro-optische zweidimensionale Entfernungsmessgerät istdadurch gekennzeichnet, dass sich das Messmodul in einem aus zwei transparenten Gehäuseteilen und einer diese Gehäuseteile verbindenden, nichttransparenten optischen Kanaltrennung bestehenden Umgehäuse befindet.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen ein elektro-optisches zweidimensionales Entfernungsmessgerät, also eine Vorrichtung zur zweidimensionalen Distanzmessung.
Hintergrund
Elektro-optische zweidimensionale Entfernungsmessgeräte haben Einzug gefunden in einer Vielzahl von Applikationen. Dies gilt insbesondere für solche elektro-optischen zweidimensionalen Entfernungsmesser, die nach dem sogenannten „Time of Flight“-Verfahren arbeiten. Also solche Geräte, die zur Bestimmung einer Distanz die Laufzeit des Lichtes verwenden. Anwendung finden diese in der Industrie für die Positionsbestimmung von Fahrzeugen, zur Kollisionsvermeidung, zur Objekterkennung und in vielen anderen Applikationen mehr.
Eine große Bedeutung haben diese elektro-optischen zweidimensionalen Entfernungsmessgeräte im Bereich der Sicherheitstechnik bekommen. Für dieses Aufgabenfeld ist es von besonderer Bedeutung möglichst viele vollständige zweidimensionale Messungen zu erhalten. Je schneller diese vollständigen zweidimensionalen Messdaten erzeugt werden können, umso schneller kann das elektro-optische zweidimensionale Entfernungsmessgerät auf mögliche Sicherheitsgefahren reagieren.
Für diese Art der elektro-optischen zweidimensionalen Entfernungsmessgeräte wird vielfach der Begriff 2D-Scanner oder auch, weil oft Laser zum Einsatz kommen, Laserscanner verwendet. Ein solcher Scanner ist etwa in der EP1378763 A1 beschrieben.
In einer Vielzahl von Scannern wird die Entfernungsmessung über ein unbewegliches Entfernungsmessmodul durchgeführt. Diese Entfernungsmessmodule bestehen dabei aus einer optischen Sende- und einer Empfangseinheit sowie einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der gemessenen Distanz. Das ausgesendete Licht -in Form eines Pulses- trifft auf das zu messende Objekt und wird von diesem reflektiert. Das reflektierte Licht gelangt in die optische Empfangseinheit. Die nachgelagerte Auswerteschaltung bestimmt aus der Zeit zwischen der Aussendung des Pulses und dem Empfang des reflektierten Lichtes die sogenannte Lichtlaufzeit als Maß für die Entfernung. Um die gewünschte 2D-Distanzmessung zu erreichen, wird über einen rotierenden Spiegel der optische Kanal für die Sende- und Empfangseinheit in einer Messebene abgelenkt. Damit kann die Entfernungsmessung an allen denkbaren Punkten in der Messebene ermittelt werden. Wird zeitgleich zur Entfernungsmessung die Winkelposition des rotierenden Spiegels gemessen, kann aus der Kombination der beiden Werte - Entfernung und Winkel - eine exakte zweidimensionale Entfernungsmessung erfolgen.
Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, dass die Anordnung der optischen Achsen von Sende- und Empfangseinheit zum rotierenden Spiegel nur mit begrenzter Genauigkeit erfolgen kann. Weiterer Nachteil ist, dass die optische Abbildung des Sendestrahls über die Rotation des Spiegels dreht. Auch das empfangene reflektierte Licht wird über der optischen Empfangseinheit gedreht. Weiterhin bedingt diese Konstruktion, dass durch die Befestigung des Spiegels Teile der optischen Austrittsfläche abgeschattet werden und damit eine 360°-Messung nicht möglich ist.
Diese Nachteile werden durch andersartige Konstruktionen vermieden. Dabei wird das gesamte Entfernungsmessmodul - siehe EP22337065 B1 - gedreht. Um dieses zu ermöglichen, ist eine aufwendige Konstruktion erforderlich. So ist es notwendig, die für die Entfernungsmessung erforderliche Energie berührungslos auf das drehende Entfernungsmessmodul zu übertragen. Gleiches gilt für die Übertragung der gemessenen Daten von dem Entfernungsmessmodul auf die Elektronik des feststehenden Gehäuseteils. Im Bereich der Sicherheitstechnik ist es erforderlich die transparente optische Austrittsfläche möglichst lückenlos zu überwachen. Weiterhin ist es erforderlich möglichst dicht bis an die transparente Austrittsfläche messen zu können.
Stand der Technik
EP 2237065B1 beschreibt einen Sensor mit einer Trennscheibe, die im Bereich des optischen Austritts überwacht wird. Die Überwachung erfolgt dabei durch eine auf dem Rotor befindliche Sende- und Empfangseinheit. Die Sendeeinheit strahlt Licht ab, welches durch die zu prüfende Trennscheibe austritt und an einem außen befindlichen Reflektor gespiegelt wird.
Das zurück gespiegelte Licht wird durch die Empfangseinheit gemessen. Nachteilig an einer derartigen Konstruktion ist, dass Veränderungen des Reflektors zu einer Beeinträchtigung des gemessenen Signals führen.
Generell nachteilig ist, dass die Trennscheibe durch äußere Einwirkungen einen optischen Kurzschluss aufweisen kann. Je nach Einsatzgebiet werden diese Sensoren unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Diese Umgebungsbedingungen sind beispielsweise Luftfeuchtigkeit, Staub, Regen, Schneefall. oder auch. stark wechselnde Temperaturen. Diese Einflüsse können zu einem Ausfall der Sensorfunktion führen, wenn es beispielsweise durch Regentropfen zu Kurzschlüssen zwischen dem Sensorsender und dem Sensorempfänger kommt.
Darstellung der Erfindung
Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, eine Konstruktion für ein elektro-optisches zweidimensionales Entfernungsmessgerät mit drehendem Entfernungsmessmodul für einen Scannbereich von 360° bereitzustellen und dabei mit einfachen Mitteln, insbesondere den Einfluss von Umgebungsbedingungen zu reduzieren, eine sichere Transparenzüberwachung der optischen Austrittsflächen zu schaffen und damit einen verbesserten Sensor zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird durch den optischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen optischen Sensors werden in der folgenden Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den abhängigen Ansprüchen und der 1 bis 3 beschrieben.
Bei einer Variante des erfindungsgemäßen elektro-optischen zweidimensionalen Entfernungsmessgerätes wird mindestens ein Entfernungsmessmodul -bestehend aus einer optische Sende- und einer Empfangseinheit sowie einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der gemessenen Distanz - um die Hochachse gedreht. Üblicherweise werden solche elektro-optischen zweidimensionalen Entfernungsmessgeräte mit einem schützenden Gehäuse umgeben. Um eine 360°-Messung zu ermöglichen, bietet es sich an, das Gehäuse aus einem rundum durchsichtigen Material herzustellen. Um ein Übersprechen zwischen den optischen Achsen zu vermeiden ist es sinnvoll, das Gehäuse optisch so zu trennen, dass die Sende- bzw. Empfangsachsen jeweils durch eigene, optisch nicht verbundene, durchsichtige Gehäuseteile geführt werden. Um sicherzustellen, dass die festgelegte Transparenz der jeweiligen durchsichtigen Gehäuseteile vorhanden ist, bietet es sich an, eine an der Rotationsachse befestigte Sende- und Empfangseinheit so anzubringen, dass das abgestrahlte Licht dieser Sendeeinheit zunächst durch den einen Teil des durchsichtigen Gehäuses nach außen dringt um dann von außen in den zweiten Teil des durchsichtigen Gehäuses einzudringen und von der Empfangseinheit detektiert zu werden. Dieses lässt eine ständige, lückenlose Überprüfung der Transparenz der optischen Austrittsflächen zu.
Figurenliste

1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines elektro-optischen zweidimensionalen Entfernungsmessgerätes in einem Umgehäuse mit einer Überwachungseinheit zur Transmissionsmessung.
2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Entfernungsmessmoduls.

Detaillierte Beschreibung
Nachfolgend werden einige Ausführungsformen der vorgestellten Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung ausführlich beschrieben.
In 1 ist der prinzipielle Aufbau des erfindungsgemäßen elektro-optischen zweidimensionalen Entfernungsmessers mit einem Entfernungsmessmodul in einem transparenten Umgehäuse mit einer Transmissionsüberwachung dargestellt. Der elektro-optische zweidimensionale Entfernungsmesser besteht aus einem Antrieb (3) und einem drehenden Entfernungsmessmodul (1), einem Gehäuse, bestehend aus den Komponenten oberes (18) und unteres transparentes Gehäuseteil und einer verbindenden, nicht transparenten optischen Kanaltrennung (20) sowie einer mitrotierenden Sende- (21) und Empfangseinrichtung (22) zur Transparenzmessung. Das Entfernungsmessmodul (1) dreht um die Rotationsachse (4). Die Sendeachse (5) des Entfernungsmessmodul 1 (1) bewegt sich senkrecht zur Rotationsachse (4). Der Motor 1 (3) dreht das Entfernungsmessmodul (1) um die Rotationsachse (4). Das Entfernungsmessmodul (1) befindet sich in einem Umgehäuse, das aus den transparenten Teilen (18,19) und der die beiden Gehäuseteile verbindenden, nicht transparenten optischen Kanaltrennung (20) besteht. Durch diese Anordnung ist sichergestellt, dass sich die beiden optischen Achsen gegenseitig nicht beeinflussen. Höhere Sendeleistungen, Verschmutzung auf der optischen Austrittsfläche oder Wassertropfen führen nicht zu einem Übersprechen zwischen Sende- und Empfangseinheit. Die Sendeeinrichtung Transparenzmessung (21) und die Empfangseinrichtung Transparenzmessung (22) sind sich fest mit der Rotationsachse verbunden. Das abgestrahlte Licht dieser Sendeeinheit (21) tritt zunächst durch den einen Teil des durchsichtigen Gehäuses (18) nach außen aus um dann von außen in den zweiten Teil des durchsichtigen Gehäuses (19) einzudringen und von der Empfangseinheit (22) detektiert zu werden. Dieses lässt eine ständige, lückenlose Überprüfung der Transparenz der optischen Austrittsflächen zu.
In 2 ist eine beispielhafte Ausführung eines Entfernungsmessmodul dargestellt. Dieses besteht aus einer Sendeeinheit (6), einer Empfangseinheit (7) und einer Auswerte- und Steuerungseinheit (8). Die Sendeeinheit (6) sendet Licht in Form kurzer Pulse. Die Empfangseinheit (7) dient dem Nachweis vom reflektierten Licht, das von Objekten im Überwachungsbereich zurück gestrahlt wird. Die Auswerte- und Steuerungseinheit (8) wertet das von der Empfängereinheit nachgewiesene reflektierte Licht zum Bestimmen eines Objektabstandes aufgrund einer gemessenen Laufzeit aus. Die Auswerte- und Steuerungseinheit (8) übernimmt weiterhin die Ansteuerung und Kontrolle der Sendeeinheit und die Kommunikation mit einer nachgeschalteten Überwachungseinheit (10). Die Kommunikation erfolgt dabei über eine berührungslose Datenübertragung (9), beispielsweise optisch.
Bezugszeichenliste

1.: Entfernungsmessmodul 1
2.: Motor
3.: Rotationsachse
4.: Sendeachse Entfernungsmessmodul
5.: Empfängerachse Entfernungsmessmodul
6.: Sendeeinheit
7.: Empfängereinheit
8.: Auswerte- und Steuerungseinheit
9.: Datenübertragung
10.: Nachgeschaltete Überwachungseinheit
11.: Oberer durchsichtige Gehäuseteil
12.: Unterer durchsichtiger Gehäuseteil
13.: Optische Kanaltrennung
14.: Sendeeinrichtung Transparenzmessung
15.: Empfangseinrichtung Transparenzmessung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1378763 A1 [0004]
EP 22337065 B1 [0007]
EP 2237065 B1 [0008]

Claims

Elektro-optisches zweidimensionales Entfernungsmessgerät mit mindestens einem Entfernungsmessmodul (1) bestehend aus einer Sendeeinheit (6) zum Aussenden von Sendelichtpulsen in einer Ebene, einer Empfängereinheit (7) zum Nachweis von reflektiertem Licht, das von Objekten im Überwachungsbereich zurückgestrahlt wird, einer Auswerteeinheit (8) zum Auswerten des von der Empfängereinheit (7) nachgewiesenen reflektierten Lichtes und zum Bestimmen eines Objektabstands aufgrund einer gemessenen Laufzeit und einer Dreheinrichtung (2) zum Drehen des Entfernungsmessmoduls (1) um eine quer zu der Sendestrahlrichtung (4) orientierten Rotationsachse (3), dadurch gekennzeichnet, dass sich das Messmodul (1) in einem aus zwei transparenten Gehäuseteilen (11,12) und einer, diese Gehäuseteile verbindenden, nichttransparenten optischen Kanaltrennung (13) bestehenden Umgehäuse befindet.
Elektro-optisches zweidimensionales Entfernungsmessgerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Rotationsachse eine mitrotierenden Sende- (14) und Empfangseinrichtung (15) zur Transparenzmessung befindet, wobei das abgestrahlte Licht dieser Sendeeinheit (14) zunächst durch den einen Teil des transparenten Gehäuses (11) nach außen austritt, um dann von außen in den zweiten Teil des durchsichtigen Gehäuses (12) einzudringen um von der Empfangseinheit (15) detektiert zu werden.
Elektro-optisches zweidimensionales Entfernungsmessgerät nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Rotationsachse die mitrotierenden Sende- (14) und Empfangseinrichtung (15) zur Transparenzmessung redundant ausgeführt sind.