DE102017125587A1

DE102017125587A1 - Optischer Sensor zum Nachweis von Objekten in einem Erfassungsbereich

Info

Publication number: DE102017125587A1
Application number: DE102017125587.7A
Authority: DE
Inventors: Lutz Lohmann; Ulrich Klar; Michael Voigt
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2019-05-02

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sensor zum Nachweis von Objekten in einem Erfassungsbereich nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein gattungsgemäßer optischer Sensor zum Nachweis von Objekten in einem Erfassungsbereich weist folgende Komponenten auf: eine Sendeeinheit zum Aussenden von Sendelicht , eine Testlichtquelle zum Aussenden von Testlicht zum Testen einer Empfangseinheit, die Empfangseinheit zum Nachweis von Detektionslicht, welches von einem im Erfassungsbereich befindlichen Objekt zurückgestrahlt wurde, und zum Nachweis von Testlicht, und eine Steuer- und Auswerteeinheit zum Ansteuern der Sendeeinheit, zum Ansteuern der Testlichtquelle, zum Auswerten des von der Empfangseinheit nachgewiesenen Detektionslichts und zum Bereitstellen eines Objektnachweissignals. Der optische Sensor ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzempfänger vorhanden ist zum Nachweisen von Sendelicht zum Testen der Sendeeinheit, dass ein optisches Strahlteilungsmittel vorhanden ist zum Leiten eines Teils des von der Sendeeinheit ausgesandten Sendelichts auf den Referenzempfänger und dass die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet ist zum Bereitstellen des Objektnachweissignals auf Grundlage des von der Empfangseinheit nachgewiesenen Detektionslichts und Testlichts und des von dem Referenzempfänger nachgewiesenen Sendelichts.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sensor zum Nachweis von Objekten in einem Erfassungsbereich nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein gattungsgemäßer optischer Sensor zum Nachweis von Objekten in einem Erfassungsbereich ist beispielsweise offenbart in EP 2 927 711 A1 und weist folgende Komponenten auf: eine Sendeeinheit zum Aussenden von Sendelicht, eine Testlichtquelle zum Aussenden von Testlicht zum Testen einer Empfangseinheit, die Empfangseinheit zum Nachweis von Detektionslicht, welches von einem im Erfassungsbereich befindlichen Objekt zurückgestrahlt wurde, und zum Nachweis von Testlicht, und eine Steuer- und Auswerteeinheit zum Ansteuern der Sendeeinheit, zum Ansteuern der Testlichtquelle, zum Auswerten des von der Empfangseinheit nachgewiesenen Detektionslichts und zum Bereitstellen eines Objektnachweissignals.
Optische Sensoren dieser Art sind in vielen Ausgestaltungen und für zahlreiche Anwendungsfälle bekannt. Besondere Anforderungen im Hinblick auf den sicheren Nachweis von Objekten in einem Erfassungsbereich ergeben sich für Anwendungen im Maschinenbereich, für welche insbesondere die Normen EN 13849 (Maschinensicherheit) und EN 61496 (berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen) beachtet werden müssen. Zur Erfüllung dieser Sicherheitsnormen sind Maßnahmen zu treffen, damit eine sichere Auswertung bereitgestellt werden kann. In diesem Zusammenhang finden sich im Stand der Technik schon einige Lösungsvorschläge, beispielsweise in den Schriften EP 2 781 938 B1 , DE 10 2012 102 395 B3 , DE 10 2006 02 113 B1 , EP 2 237 065 B1 , EP 2 682 780 B1 , DE 10 2014 115 260 B3 , DE 196 07 345 A1 , WO 2008 107 374 A1 , EP 2 296 002 B1 und EP 2 482 094 B1 .
Für Abstandsmessungen, die einen großen horizontalen Winkelbereich des Messsystems erforderlich machen, eignen sich optoelektronische Systeme und besonders Laserscanner. In einem Laserscanner überstreicht ein von einem Laser erzeugter Lichtstrahl mit Hilfe einer Ablenkeinheit periodisch einen Überwachungsbereich. Das Licht wird von Objekten in dem Überwachungs- oder Erfassungsbereich zurückgestrahlt und in dem Scanner, also dem optischen Sensor, ausgewertet. Aus einer Winkelstellung der Ablenkeinheit kann auf die Winkellage des Objekts und aus der Lichtlaufzeit unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit zusätzlich auf die Entfernung des Objekts von dem optischen Sensor geschlossen werden. Mit den Winkel- und Entfernungsangaben kann die Position eines Objekts in dem Überwachungsbereich in zweidimensionalen Polarkoordinaten erfasst werden. Damit lassen sich die Positionen von Objekten ermitteln oder auch deren Konturen bestimmen. Neben solchen Anwendungen werden Laserscanner auch in der Sicherheitstechnik zur Überwachung einer Gefahrenquelle eingesetzt, wie sie beispielsweise eine gefährliche Maschine darstellt. Bekannt sind Sicherheitslaserscanner, die interne Referenzzielsysteme verwenden. Dabei wird ein zusammenhängender Winkelbereich ausschließlich für die Referenzmessung verwendet. Dieser Bereich kann dann für eine Objektmessung nicht zur Verfügung stehen.
In EP 2 781 938 A2 wird ein Scanner mit einer internen Referenzstrecke beschrieben, wobei Referenzmessungen nur an bestimmten Drehpositionen eines Messkopfs erfolgen können. An der Drehposition beziehungsweise an den Drehpositionen, an denen eine Referenzmessung stattfindet, kann eine Objektmessung nicht durchgeführt werden und es liegt demgemäß ein Blindbereich bezüglich der Objektmessung vor.
In EP 2 927 711 A1 ist ein Laserscanner beschrieben, der ebenfalls ein internes Referenzsystem aufweist. Mittels eines Testlichtsenders kann ein Empfänger getestet werden. Der Lichtweg vom Testlichtsender zum Empfänger verläuft vollständig im Inneren des Laserscanners. Durch eine zeitliche Entkopplung von Referenz- und Objektmessung kann eine Objektmessung in jeder Winkelposition durchgeführt werden. Der Test eines Senders kann mit einer vorhandenen Verschmutzungserkennung für eine Frontscheibe eines Sensorgehäuses erfolgen.
Als eine Aufgabe der Erfindung kann angesehen werden, einen optischen Sensor mit einer verbesserten Funktionsüberprüfung anzugeben. Dabei sollen die Sendeeinheit und die Empfangseinheit überwacht werden.
Diese Aufgabe wird durch den optischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der optische Sensor zum Nachweis von Objekten in einem Erfassungsbereich der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass ein Referenzempfänger vorhanden ist zum Nachweisen von Sendelicht zum Testen der Sendeeinheit, dass ein optisches Strahlteilungsmittel vorhanden ist zum Leiten eines Teils des von der Sendeeinheit ausgesandten Sendelichts auf den Referenzempfänger und dass die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet ist zum Bereitstellen des Objektnachweissignals auf Grundlage des von der Empfangseinheit nachgewiesenen Detektionslichts und Testlichts und des von dem Referenzempfänger nachgewiesenen Sendelichts.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen optischen Sensors werden im Folgenden, insbesondere im Zusammenhang mit den abhängigen Ansprüchen und den Figuren beschrieben.
Ein optischer Sensor zum Nachweis von Objekten in einem Erfassungsbereich im Sinn der vorliegenden Beschreibung ist eine optoelektronische Einrichtung, bei der zunächst Sendelicht in einen Erfassungsbereich eingestrahlt wird. Das Sendelicht kann von Objekten, die sich in dem Erfassungsbereich befinden, zurückgestrahlt, insbesondere zurückreflektiert und/oder zurückgestreut, werden. Das zurückgestrahlte Licht wird von dem optischen Sensor quantitativ erfasst und, wenn das Messsignal bestimmte zu definierende Kriterien erfüllt, wird ein Objektfeststellungsignal ausgegeben.
Mit dem Begriff des Sendelichts wird in dieser Beschreibung elektromagnetische Strahlung bezeichnet, insbesondere im Infrarotbereich und im sichtbaren Bereich.
Als Sendeeinheit zum Aussenden von Sendelicht wird diejenige Funktionseinheit des optischen Sensors bezeichnet, durch welche das Sendelicht bereitgestellt wird. Die Sendeeinheit kann ihrerseits eine Mehrzahl von einzelnen Lichtquellen oder Lichtsendern aufweisen, kann aber auch durch eine einzige Lichtquelle verwirklicht sein.
Bei den Lichtquellen oder Lichtsendern kann es sich grundsätzlich um jede Art von bekannten Lichtquellen und Lichtsendern handeln, welche die elektromagnetische Strahlung in dem gewünschten Wellenlängenbereich mit der gewünschten Intensität bereitstellen. Besonders bevorzugt können Halbleiterkomponenten, insbesondere Leuchtdioden, Laserdioden, beispielsweise VCSEL, zum Einsatz kommen.
Als Empfangseinheit wird diejenige Funktionskomponente bezeichnet, mit welcher das von einem im Erfassungsbereich befindlichen Objekt zurückgestrahlte Sendelicht nachgewiesen wird. Das nachgewiesene zurückgestrahlte Sendelicht wird als Detektionslicht bezeichnet. Als Empfangseinheit können grundsätzlich alle Komponenten verwendet werden, mit denen die elektromagnetische Strahlung in dem fraglichen Wellenlängenbereich hinreichend empfindlich quantitativ nachgewiesen werden kann. Besonders bevorzugt kommen auch hier Halbleiterkomponenten wie Photodioden zum Einsatz.
Unter dem Begriff des Testlichts wird ebenfalls elektromagnetische Strahlung, insbesondere Infrarotlicht oder sichtbares Licht, verstanden, welches ebenfalls mit der Empfangseinheit nachweisbar ist und deshalb zum Überprüfen einer Funktionstüchtigkeit und in diesem Sinn zum Testen der Empfangseinheit geeignet ist. Eine Testlichtquelle kann jede, insbesondere separate und von der Sendeeinheit unabhängige, Lichtquelle sein, welche Testlicht mit den genannten Kriterien, also im gewünschten Wellenlängenbereich mit der notwendigen Intensität ausstrahlt. Grundsätzlich kann das Testlicht aber auch von der Sendeeinheit ausgesandtes Sendelicht sein, welches mit geeigneten optischen Mitteln, beispielsweise Spiegeln, der Empfangseinheit zugeleitet wird. Besonders vorteilhaft kommen als Testlichtquelle Leuchtdioden und/oder Laserdioden zum Einsatz. Die Empfangseinheit dient demgemäß auch zum Nachweis von Testlicht.
Bei der Steuer- und Auswerteeinheit, die zum Ansteuern der Sendeeinheit, zum Ansteuern der Testlichtquelle, zum Auswerten des von der Empfangseinheit nachgewiesenen Detektionslichts und zum Bereitstellen eines Objektnachweissignals dient, kann es sich zweckmäßig um eine intelligente, insbesondere programmierbare, elektronische Komponente, beispielsweise um einen Mikrocontroller oder einen FPGA, handeln.
Das Objektnachweissignal als solches kann insbesondere an einem Ausgang des optischen Sensors bereitgestellt werden oder auch nur intern vorliegen. Das Objektnachweis Signal kann ein binäres Signal sein, welches die Präsenz eines Objekts in einem bestimmten Bereich des Erfassungsbereichs signalisiert. Ergänzend oder alternativ kann es sich bei dem Objektnachweissignal auch um ein Entfernungssignal oder ein sonstiges Signal, welches irgendeine Eigenschaft des Objekts quantitativ erfasst, handeln.
Unter einem Referenzempfängers wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung eine Komponente verstanden, die zum Nachweis von Licht mit den Eigenschaften, insbesondere der Wellenlänge und der Intensität, des Sendelichts und in diesem Sinn zum Überprüfen der Funktionstüchtigkeit also zum Testen der Sendeeinheit geeignet ist. Besonders bevorzugt weist der Referenzempfänger mindestens eine Fotodiode auf.
Mit dem Begriff des optischen Strahlteilungsmittels wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung eine optische Komponente bezeichnet, mit deren Hilfe ein Teil des von der Sendeeinheit ausgesandten Sendelichts auf den Referenzempfänger geleitet wird. Dabei kann es sich insbesondere um lichtreflektierende, lichtstreuende, lichtbeugende und/oder lichtbrechende Komponenten handeln.
Als ein wesentlicher Gedanke der Erfindung kann erachtet werden, dass ein Referenzempfänger vorhanden ist, mit dem die Sendeeinheit unabhängig von der Empfangseinheit getestet werden kann. Hierzu wird mithilfe eines geeigneten optischen Strahlteilungsmittels einen Teil des von der Sendeeinheit ausgesandten Sendelichts auf den Referenzempfänger geleitet. Wesentlich für die Erfindung ist auch, dass das Objektnachweissignal von der Steuer- und Auswerteeinheit auf Grundlage des von der Empfangseinheit nachgewiesenen Detektionslichts und Testlichts und auf Grundlage des von dem Referenzempfänger nachgewiesenen Sendelichts ermittelt wird.
Als ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung kann angesehen werden, dass dadurch, dass im Vergleich zum Stand der Technik zusätzlich ein Referenzempfänger vorhanden ist, die Sendeeinheit und die Empfangseinheit unabhängig voneinander getestet werden können, ohne dass ein Blindbereich bezüglich der Objekterkennung entsteht. Besondere Vorteile werden erreicht, wenn der optische Sensor ein Laserscanner ist. Die Überwachung der Sendeeinheit kann kontinuierlich und nicht nur, wie teilweise im Stand der Technik, nur an bestimmten Winkelpositionen erfolgen. Durch das unabhängige Testen der Sendeeinheit einerseits und der Empfangseinheit andererseits ist es außerdem möglich, dass auftretende Fehler eindeutig entweder dem Sender oder dem Empfänger zugeordnet werden können.
Weil mit dem erfindungsgemäßen optischen Sensor eine deutlich verbesserte Funktionsüberprüfung möglich ist, kann er besonders vorteilhaft als Sicherheitssensor eingesetzt werden. Bevorzugt kann demgemäß das Objektnachweissignal ein sicherheitgerichtetes Signal sein.
Das Leiten des Sendelichts in den Erfassungsbereich einerseits und des aus dem Erfassungsbereich zurückgestrahlten Detektionslichts auf die Empfangseinheit andererseits kann grundsätzlich mit bekannten Mitteln durchgeführt werden. Besonders bevorzugt ist zum Leiten des Sendelichts in den Erfassungsbereich eine Sendeoptik vorhanden. Zum Leiten des Detektionslichts auf die Empfangseinheit kann eine Empfangsoptik vorhanden sein. Die Sendeoptik und/oder die Empfangsoptik können lichtleitende Komponenten wie Linsen und Spiegel aufweisen.
Besonders kompakte Anordnungen, die insbesondere für Laserscanner zweckmäßig sind, können erreicht werden, wenn die Empfangsoptik einen Hohlspiegel aufweist.
Die Empfangsoptik kann auch, insbesondere wenn der optische Sensor ein Laserscanner ist, einen Drehspiegel, beispielsweise einen drehenden Hohlspiegel, aufweisen.
Der erfindungsgemäße optische Sensor kann grundsätzlich ein energetisch messender Sensor sein, d.h. ein Sensor, der das von einem Objekt im Erfassungsbereich zurückgestrahlte Licht quantitativ erfasst.
Besonders vorteilhaft kann der erfindungsgemäße optische Sensor aber auch ein entfernungsmessender optischer Sensor, beispielsweise ein Triangulationssensor sein. Weiterhin kann der erfindungsgemäße optische Sensor auch ein Sensor sein, der eine Entfernung auf Grundlage eines Phasenversatzes misst. Dabei wird in grundsätzlich bekannter Weise, bezogen auf eine Modulationsfrequenz die relative Phasenlage zwischen einem ausgesendeten modulierten Lichtsignal und einem gemessenen Detektionssignal zur Entfernungsmessung herangezogen.
Besonders vorteilhaft kann der erfindungsgemäße optische Sensor aber auch ein laufzeitmessender Sensor sein. Dabei wird eine Entfernung eines Objekts zum Sensor auf Grundlage einer Lichtlaufzeit unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit bestimmt. Laufzeitmessende Sensoren eigenen sich auch für die Messung von sehr weit entfernten Objekten.
Um ein Testen der Sendeeinheit unabhängig von einer Objektmessung zu verwirklichen, kann die Steuer- und Auswerteeinheit besonders vorteilhaft dazu eingerichtet sein, die Sendeeinheit und die Testlichtquelle zum zeitlich abgestimmten Aussenden von Lichtpulsen anzusteuern.
Für das optische Strahlteilungsmittel kommt es grundsätzlich nur darauf an, dass ein spezifizierter Teil des Sendelichts ausgekoppelt und in Richtung des Referenzempfängers geleitet wird. Besonders bevorzugt kann das Strahlteilungsmittel einen Spiegel aufweisen oder ein Spiegel sein. Beispielsweise kann mit einem Spiegelelement ein kleiner Teil des von dem Sendelicht durchstrahlten Raumwinkels abgedeckt und dieser Teil des Sendelichts in Richtung des Referenzempfängers geleitet werden.
Das Strahlteilungsmittel kann ergänzend oder alternativ auch einen halbdurchlässigen Spiegel aufweisen. Diese Variante zeichnet sich dadurch aus, dass im Prinzip eine Information über einen großen Anteil des von dem Sendelicht durchstrahlten Raumwinkelbereichs, insbesondere über den gesamten durchstrahlten Raumwinkelbereich, erhalten werden kann.
Der optische Sensor kann besonders bevorzugt als optischer 2D-Scanner, insbesondere als 2D-Laser-Scanner, mit einem Rotor und einem Stator ausgestaltet sein.
Mit der vorliegenden Erfindung kann bei einem 2D-Laser-Scanner als besonderer Vorteil erreicht werden, dass die Sendeeinheit über den kompletten Scanbereich, insbesondere über die gesamten 360°, permanent überwacht werden kann, ohne dass die Objektmessungen oder die Objekterfassung dazu unterbrochen werden muss.
Auf dem Rotor können dabei insbesondere ein Drehspiegel der Sendeoptik, das Strahlteilungsmittel und die Testlichtquelle angeordnet sein. Die Sendeeinheit kann dabei prinzipiell auf dem Stator positioniert sein, muss sich also nicht drehen.
Bei einer weiteren Variante können auch die Sendeeinheit, die Empfangseinheit, das Strahlteilungsmittel, die Testlichtquelle und der Referenzempfänger auf dem Rotor angeordnet sein.
Die Steuer- und Auswerteeinheit kann zweckmäßig auf dem Stator angeordnet sein.
Eine weitere Steigerung der Funktionalität des erfindungsgemäßen optischen Sensors ist möglich, wenn ein Gehäuse mit einer umlaufenden Frontscheibe vorhanden ist und dabei die Testlichtquelle dergestalt angeordnet ist, dass das Testlicht über eine Reflexion an der Frontscheibe auf die Empfangseinheit gelangt. Bei dieser Variante kann außerdem eine Information über eine Verschmutzung der Frontscheibe, die ebenfalls unter Sicherheitsgesichtspunkten relevant sein kann, erhalten werden. Das technische Prinzip beruht dabei darauf, dass Verschmutzungspartikel zu einer reduzierten Reflexion und damit zu einem Rückgang der Intensität des von der Frontscheibe reflektierten Testlichts führt.
Zur Erfüllung der einschlägigen Sicherheitsnormen sind Ausgestaltungen der Erfindung besonders bevorzugt, bei denen die Sendeeinheit und/oder die Empfangseinheit mehrfach redundant ausgeführt ist. Beispielsweise kann die Sendeeinheit eine Mehrzahl von, insbesondere identischen, Leuchtdioden, Laserdioden, beispielsweise VCSEL, aufweisen. Die Lichtquellen können grundsätzlich aber auch unterschiedlich sein. Die Empfangseinheit kann beispielsweise drei Photodioden aufweisen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Hierin zeigt:

1: eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Sensors und
2: eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Sensors.

Gleiche und gleichwirkende Komponente tragen in den Figuren in der Regel dieselben Bezugszeichen.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 100 wird mit Bezug auf 1 erläutert. Der in 1 schematisch gezeigte optische Sensor 100 zum Nachweis von Objekten 42 in einem Erfassungsbereich 40 weist als wesentliche Komponenten zunächst eine Sendeeinheit 10 zum Aussenden von Sendelicht 12 und eine Empfangseinheit 30 zum Nachweis von Detektionslicht 14, welches von einem im Erfassungsbereich 40 befindlichen Objekt 42 zurückgestrahlt wurde, auf. Zum Ansteuern der Sendeeinheit 10 und zum Auswerten des von der Empfangseinheit 30 nachgewiesenen Detektionslichts 14 und zum Bereitstellen eines Objektnachweissignals 52 ist eine Steuer- und Auswerteeinheit 50 vorhanden. Die Steuer- und Auswerteeinheit 50 ist mit der Sendeeinheit 10 und der Empfangseinheit 30 wirkungsmäßig, beispielsweise über Kabel, verbunden und kann einen Ausgang 54 zum Ausgeben des Objektnachweissignals 52, das insbesondere ein sicherheitsgerichtetes Signal sein kann, aufweisen. Zum Leiten des Sendelichts 12 in den Erfassungsbereich 40 kann eine in 1 nicht dargestellte Sendeoptik vorhanden und zum Leiten des Detektionslichts 14 auf die Empfangseinheit 30 kann eine ebenfalls nicht dargestellte Empfangsoptik vorhanden sein.
Außerdem ist zum Testen der Empfangseinheit 30 eine Testlichtquelle 20 vorhanden, welche Testlicht 22 aussendet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Testlichtquelle 20 um eine Leuchtdiode 21. Die Steuer- und Auswerteeinheit 50 dient auch zum Ansteuern der Testlichtquelle 20. Das Testlicht 22 wird mit der Empfangseinheit 30 nachgewiesen. Zum Nachweisen von Sendelicht 12 zum Testen der Sendeeinheit 10 ist erfindungsgemäß außerdem ein Referenzempfänger 60, beispielsweise mindestens eine Fotodiode 61, vorhanden.
Der in 1 schematisch gezeigte optische Sensor 100 kann ein entfernungsmessender und insbesondere ein laufzeitmessender optischer Sensor sein. Dabei kann die Steuer- und Auswerteeinheit 50 dazu eingerichtet sein, die Sendeeinheit 10 und die Testlichtquelle 20 zum zeitlich abgestimmten Aussenden von Lichtpulsen anzusteuern. Die Lichtpulse können dabei insbesondere so ausgesandt werden, dass das Testen der Empfangseinheit 30 mithilfe der Lichtpulse der Testlichtquelle 20 zeitlich beabstandet vom Nachweis von Lichtpulsen für eine Objektmessung erfolgt. Eine gegenseitige Beeinflussung der Testmessungen und Objektmessungen kann so vermieden werden. Die Sendeeinheit 10 ist mehrfach redundant ausgebildet und weist eine Mehrzahl von, insbesondere identischen, Lichtquellen 11 auf. Beispielsweise können drei Lichtquellen 11 vorhanden sein. Die Lichtquellen 11 können grundsätzlich aber auch unterschiedlich sein.
Auch die Empfangseinheit 30 ist mehrfach redundant ausgeführt und weist eine Mehrzahl von, insbesondere identischen, Empfängern 31, zum Beispiel Photodioden, auf. Beispielsweise können drei Empfänger 31 vorhanden sein. Die Empfänger 31 können prinzipiell aber auch unterschiedlich sein.
Schließlich ist zum Leiten eines Teils des von der Sendeeinheit 10 ausgesandten Sendelichts 16 auf den Referenzempfänger 60 ein optisches Strahlteilungsmittel 62 vorhanden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem optischen Strahlteilungsmittel um einen halbdurchlässigen Spiegel 66.
Erfindungsgemäß ist die Steuer- und Auswerteeinheit 50 eingerichtet zum Bereitstellen des Objektnachweissignals 52 auf Grundlage des von der Empfangseinheit 30 nachgewiesenen Detektionslichts 14 und Testlichts 22 und des von dem Referenzempfänger 60 nachgewiesenen Sendelichts 16.
Der erfindungsgemäße optische Sensor 100 arbeitet wie folgt: Mithilfe der Sendeeinheit 10, im gezeigten Beispiel konkret mithilfe der drei Laserdioden 11, wird Sendelicht 12 in den Erfassungsbereich 40 gestrahlt und trifft auf ein dort befindliches Objekt 42. Das Sendelicht 12 wird an dem nachzuweisenden Objekt 42 mindestens zum Teil reflektiert und/oder gestreut und in Richtung des optischen Sensors 100, insbesondere in Richtung der Empfangseinheit 30, zurückgestrahlt. In der Empfangseinheit 30, im gezeigten Beispiel mithilfe der drei Photodioden 31, wird das zurückgestrahlte Sendelicht, welches dann als Detektionslicht 14 bezeichnet wird, nachgewiesen.
Beispielsweise kann es sich bei dem optischen Sensor 100 um einen eine Lichtlaufzeit messenden Sensor handeln. D.h. die Sendeeinheit 10 sendet Sendelichtpulse aus deren Laufzeit vom Aussendezeitpunkt bis zum Empfangszeitpunkt in der Empfangseinheit 30 gemessen wird. Aus dieser Laufzeit und der Lichtgeschwindigkeit kann in grundsätzlich bekannter Weise der Abstand des zurückstrahlenden Objekts 42 im Erfassungsbereich 40 von dem optischen Sensor 100 bestimmt werden.
Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist, dass mithilfe der Testlichtquelle 20 zunächst die korrekte Funktion der Empfangseinheit 30 überprüfbar ist. Außerdem wird mithilfe des halbdurchlässigen Spiegels 66 ein bestimmter Teil 16 des Sendelichts 12 in Richtung des Referenzempfängers 60 umgeleitet und dort nachgewiesen. Diese Messung des Referenzempfängers 60 dient zur Überprüfung der korrekten Funktion der Sendeeinheit 10. Die Nachweissignale des Referenzempfängers 60 und die Nachweissignale der Empfangseinheit 30, die auf das Testlicht 22 zurückgehen, werden der Steuer- und Auswerteeinheit 50 zugeführt. Erfindungsgemäß bestimmt oder errechnet die Steuer- und Auswerteeinheit 50 das Objektnachweissignal auf Grundlage des von der Empfangseinheit nachgewiesenen Detektionslichts und Testlichts und des von dem Referenzempfänger nachgewiesenen Sendelichts. Besonders wichtig ist für die vorliegende Erfindung, dass die Sendeeinheit 10 und die Empfangseinheit 30 jeweils unabhängig voneinander getestet werden können.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors dargestellt. Prinzipiell können die im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Komponenten genauso in 2 vorhanden sein. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen optischen Sensor, der als 2D-Laserscanner ausgebildet ist. In einem Sensorgehäuse 90 mit einer vollständig umlaufenden Frontscheibe 92. Die Frontscheibe 92 besteht aus einem Material, das sowohl für das Sendelicht 12 als auch für das Detektionslicht 14 hinreichend transparent ist. In dem Sensorgehäuse 90 befindet sich ein schematisch dargestellter Rotor 70, auf dem die Sendeeinheit 10, die Empfangseinheit 30, die Testlichtquelle 20, das optische Strahlteilungsmittel 62 und der Referenzempfänger 60 angeordnet sind. Der Rotor 70 dreht sich im Messbetrieb um eine Achse 72, die im Wesentlichen mit einer Symmetrieachse des Gehäuses 90 zusammenfällt. Bei dem optischen Strahlteilungsmittel 62 handelt es sich wie bei dem Ausführungsbeispiel aus 1 um einen halbdurchlässigen Spiegel 66.
Das Testlicht 22, welches von der Testlichtquelle 20 ausgesandt wird, wird mithilfe eines Spiegelelements 23 in Richtung der Empfangseinheit 30 umgeleitet.
Als Empfangsoptik ist ein Drehspiegel 35, nämlich ein Hohlspiegel 34 vorhanden, welcher aus dem in 2 nicht dargestellten Erfassungsbereich 40 zurückgestrahltes Detektionslicht 14 auf die Empfangseinheit 30 leitet. Ein Teil des von der Sendeeinheit 10 ausgesandten Sendelichts 12 wird mithilfe des halbdurchlässigen Spiegels 66 in Richtung des Referenzempfängers, der sich ebenfalls auf dem Rotor 70 befindet, umgeleitet.
Die Steuer-und Auswerteeinheit 50 ist in dem in 2 gezeigten Beispiel in einem Stator 80 angeordnet, und ruht relativ zum Gehäuse 60.
Prinzipiell kann die Testlichtquelle 20 bei dem Ausführungsbeispiel der 2 auch so positioniert werden, dass das Testlicht 22 über interne Reflexionen an einer Vorder- und/oder Rückseite der Frontscheibe 92 auf die Empfangseinheit 30 geleitet wird. Auf diese Weise kann außerdem eine Information über einen Verschmutzungszustand der Frontscheibe erhalten, dadurch Verschmutzungspartikel die Reflexion des Testlichts reduziert wird. Grundsätzlich kann solch eine Messstrecke aber auch zusätzlich zu der in 2 dargestellten Anordnung vorhanden sein.
Für den Fall, dass der optische Sensor 100 aus 2 ein laufzeitmessender Sensor ist, können die Testlichtquelle 20 und die Sendeeinheit 10 insbesondere auch gleichzeitig oder jedenfalls zeitlich rasch aufeinanderfolgend ausgelöst werden. Wegen der deutlich kürzeren Laufstrecke des Testlichts 22 zur Empfangseinheit im Vergleich zur Laufstrecke des Sendelichts 12 über ein im Erfassungsbereich 40 befindliches Objekt 42, kann auch in diesem Fall eine zeitliche Entkopplung von Referenzmessung und Objektmessung ermöglicht werden. Das bedeutet, dass eine Objekterkennung an allen Drehpositionen des Rotors 70 möglich ist.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiger optischer Sensor 100, insbesondere für Sicherheitsanwendungen, bereitgestellt, bei dem als wesentlicher Vorteil erreicht wird, dass das Testen der Sendeeinheit einerseits und das Testen der Empfangseinheit andererseits völlig unabhängig voneinander durchgeführt wird und dass insbesondere in der Ausgestaltung als zweidimensionaler Laserscanner eine Objektmessung bei allen Winkelstellungen eines Rotors möglich ist.
Bezugszeichenliste

10: Sendeeinheit
11: Halbleiterlaser
12: Sendelicht
14: Detektionslicht
16: Teil des Sendelichts
20: Testlichtquelle
21: Leuchtdiode
22: Testlicht
23: Umlenkspiegel
30: Empfangseinheit
31: Empfänger
34: Hohlspiegel
35: Drehspiegel
40: Erfassungsbereich
42: Objekt im Erfassungsbereich
50: Steuer- und Auswerteeinheit
52: Objektnachweissignal
54: Ausgang der Steuer- und Auswerteeinheit
60: Referenzempfänger
61: Fotodiode
62: optisches Strahlteilungsmittel
64: Spiegel
66: halbdurchlässiger Spiegel
70: Rotor
72: Rotationsachse
80: Stator
90: Gehäuse
92: Frontscheibe
100: Optischer Sensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2927711 A1 [0002, 0006]
EP 2781938 B1 [0003]
DE 102012102395 B3 [0003]
DE 10200602113 B1 [0003]
EP 2237065 B1 [0003]
EP 2682780 B1 [0003]
DE 102014115260 B3 [0003]
DE 19607345 A1 [0003]
WO 2008107374 A1 [0003]
EP 2296002 B1 [0003]
EP 2482094 B1 [0003]
EP 2781938 A2 [0005]

Claims

Optischer Sensor zum Nachweis von Objekten in einem Erfassungsbereich, mit einer Sendeeinheit (10) zum Aussenden von Sendelicht (12), mit einer Testlichtquelle (20) zum Aussenden von Testlicht (22) zum Testen einer Empfangseinheit (30), mit der Empfangseinheit (30) zum Nachweis von Detektionslicht (14), welches von einem im Erfassungsbereich (40) befindlichen Objekt (42) zurückgestrahlt wurde, und zum Nachweis von Testlicht (22), und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (50) zum Ansteuern der Sendeeinheit (10), zum Ansteuern der Testlichtquelle (20), zum Auswerten des von der Empfangseinheit (30) nachgewiesenen Detektionslichts (14) und zum Bereitstellen eines Objektnachweissignals (52), dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzempfänger (60) vorhanden ist zum Nachweisen von Sendelicht (12) zum Testen der Sendeeinheit (10), dass ein optisches Strahlteilungsmittel (62) vorhanden ist zum Leiten eines Teils des von der Sendeeinheit (10) ausgesandten Sendelichts (16) auf den Referenzempfänger (60) und dass die Steuer- und Auswerteeinheit (50) eingerichtet ist zum Bereitstellen des Objektnachweissignals (52) auf Grundlage des von der Empfangseinheit (30) nachgewiesenen Detektionslichts (14) und Testlichts (22) und des von dem Referenzempfänger (60) nachgewiesenen Sendelichts (16).
Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektnachweissignal (52) ein sicherheitsgerichtetes Signal ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Leiten des Sendelichts (12) in den Erfassungsbereich (40) eine Sendeoptik vorhanden ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Leiten des Detektionslichts (14) auf die Empfangseinheit (30) eine Empfangsoptik vorhanden ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsoptik einen Hohlspiegel (34) aufweist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsoptik einen Drehspiegel (35) aufweist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der ein entfernungsmessender optischer Sensor ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 7, der ein laufzeitmessender optischer Sensor ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (50) dazu eingerichtet ist, die Sendeeinheit (10) und die Testlichtquelle (20) zum zeitlich abgestimmten Aussenden von Lichtpulsen anzusteuern.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlteilungsmittel (62) einen Spiegel (64) aufweist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlteilungsmittel (62) einen halbdurchlässigen Spiegel (66) aufweist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, der als optischer 2D-Scanner, insbesondere als 2D-Laser-Scanner, mit einem Rotor (70) und einem Stator (80) ausgestaltet ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehspiegel der Sendeoptik, das Strahlteilungsmittel (62) und die Testlichtquelle (20) auf dem Rotor (70) angeordnet sind.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit (10), die Empfangseinheit (30), das Strahlteilungsmittel (62), die Testlichtquelle (20) und der Referenzempfänger (60) auf dem Rotor (70) angeordnet sind.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (50) auf dem Stator (80) angeordnet ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (90) mit einer umlaufenden Frontscheibe (92) vorhanden ist und dass die Testlichtquelle (20) dergestalt angeordnet ist, dass das Testlicht (22) über eine Reflexion an der Frontscheibe (92) auf die Empfangseinheit (30) gelangt.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit (10) mehrfach redundant ausgeführt ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Testlichtquelle (20) eine Leuchtdiode (21) oder eine Laserdiode aufweist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (30) mehrfach redundant ausgeführt ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzempfänger (60) mindestens eine Fotodiode (61) aufweist.