DE102018132923B4

DE102018132923B4 - Optoelektronische Messvorrichtung

Info

Publication number: DE102018132923B4
Application number: DE102018132923.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Lausch; Peter Spähn
Original assignee: Wenglor Sensoric Elektronische Geraete GmbH
Current assignee: Wenglor Sensoric Elektronische Geraete GmbH
Priority date: 2018-12-19
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2022-05-19
Anticipated expiration: 2038-12-20
Also published as: DE102018132923A1

Abstract

Optoelektronische Messvorrichtung (1) zur Bestimmung des Abstandes (a) von Gegenständen (3) innerhalb eines dreidimensionalen Überwachungsbereiches (2), bestehend aus- einer Sendeeinheit (4), der mindestens eine Lichtstrahlen emittierende Lichtquelle (5) zugeordnet ist, deren Lichtstrahlen einem vorgegebenen ersten Strahlengang (6) folgen,- einem Sendespiegel (7), der im Strahlengang (6) angeordnet ist und der durch einen MEM-Motor (11) in Schwingung versetzt ist, durch die die Lichtstrahlen in einem zweiten Strahlengang (8) in den Überwachungsbereich (2) mit einer vorgegebenen Frequenz,- und aus einem in der von dem Sendespiegel (7) gebildeten Ebene angeordneten Empfangsspiegel (10), durch den die von dem Gegenstand (3) reflektierten Lichtstrahlen in einem dritten Strahlengang (9) erfasst und an eine Auswerteeinrichtung (14) weitergeleitet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Sende- und der Empfangsspiegel (7, 10) trieblich miteinander gekoppelt oder auf einem flächigem Trägerelement (12) gemeinsam befestigt sind,dass die Länge zur Breite der Sende- und Empfangsspiegel (7, 10) in einem Verhältnis von mindestens 2,5 stehenund dass zwischen dem Übergangsbereich (24) von Sende- und Empfangsspiegel (7, 10) eine Licht absorbierende oder Licht reflektierende Blende (21) angeordnet ist, derart, dass der Sende- und Empfangsspiegel (7, 10) um deren gemeinsame Längsachse (13) ungehindert in einem vorgegebenen Winkel (α) schwingen bzw. verkippen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optoelektronische Messvorrichtung zur Bestimmung des Abstandes von Gegenständen innerhalb eines dreidimensionalen Überwachungsbereiches nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Durch die DE 10 2016 213 427 A1 ist eine solche optoelektronische Messvorrichtung zur Bestimmung des Abstandes von Gegenständen bekannt geworden, die aus einer Strahlenquelle und einem im Lichtgang der von der Strahlenquelle emittierten Lichtwellen angeordneten Sendespiegel besteht. Der Sendespiegel ist dabei um einen vorgegebenen Winkel oszillierend verschwenkbar, wodurch die Lichtstrahlen in einen zweidimensionalen Überwachungsbereich ausgelenkt sind. Der Sendespiegel wird üblicherweise mikro-elektro-mechanisch (mem) in einem vorgegebenen Frequenz- und Auslenkungsbereich in Schwingung gesetzt. Wenn in den Überwachungsbereich ein Gegenstand eintritt, auf den die derart ausgelenkten Lichtwellen auftreffen, werden diese von dem Gegenstand in Richtung der Messvorrichtung reflektiert und gelangen auf einen Empfangsspiegel. Da der Empfangsspiegel räumlich getrennt von dem Sendespiegel aufgrund der äußerst klein bemessenen Flächenausdehnungen ist und folglich synchron mit dem Sendespiegel mehr elektromechanisch anzutreiben ist, werden weitgehend Störeinflüsse durch Lichtreflexionen vermieden und die dem Empfangsspiegel nachgeschaltete Auswerteeinrichtung erfasst die vom Empfangsspiegel aufgenommenen Lichtimpulse, wodurch die Bestimmung des Abstandes zwischen der Messvorrichtung und dem Gegenstand aufgrund der Lichtlaufzeitmessung ermöglicht ist.
Aus der DE 10 2015 004 903 A1 ist eine ähnliche optoelektronische Messvorrichtung bekannt geworden, die mithilfe von Sensoren die Positionen bzw. Ausrichtungen der Sende- und Empfangsspiegel permanent überwacht und dadurch eine Synchronisation zwischen den Sende- und Empfangsspiegel herstellt. Das zurück reflektierte Licht ist dabei über eine gesonderte Weitwinkeloptik auf eine Empfängerzelle abgebildet, bei der ausschließlich die Empfangsdiode ausgewertet ist, die im Moment der Lichtreflexion beleuchtet wurde.
Nachteiliger Weise hat sich bei den beiden vorgenannten Messvorrichtungen herausgestellt, dass die Synchronisation zwischen dem mikro-elektro-mechanisch anzutreibenden Sende- und dem Empfangsspiegel mit einem erheblichen Bauaufwand und/oder zusätzlichen elektromechanischen Bauteilen in Form von Sensoren zu erfolgen hat. Wenn nämlich die Synchronisation zwischen dem Sende- und Empfangsspiegel nicht vorliegt, entstehen keine zuverlässigen Abstandsmessungen und/oder die Lichtreflexionen von außen führen zu Messfehlern, durch die die Funktionen der Messvorrichtung insgesamt gestört oder völlig verfälscht sind.
Die nachveröffentlichte DE 10 2018 128 164 A1 bezieht sich auf LIDAR-Sensoren und Verfahren für diese.
Bislang sind zudem die Sende- und Empfangsspiegel aufgrund ihrer äußerst gering bemessenen Flächenausdehnung räumlich getrennt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung der eingangsgenannten Gattung derart weiterzubilden, dass eine zuverlässige Abstandsmessung zwischen der Messvorrichtung und den in einem Überwachungsbereich eingetauchten Gegenständen erfolgt, ohne dass hierfür zusätzliche elektrotechnische Maßnahmen und/oder elektromechanische Bauteile erforderlich sind.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Patentanspruch 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dadurch, dass der Sende- und der Empfangsspiegel trieblich miteinander gekoppelt oder auf einem flächigem Trägerelement gemeinsam befestigt sind, dass die Länge zur Breite der Sende- und Empfangsspiegel in einem Verhältnis von mindestens 2,5 stehen und dass zwischen dem Übergangsbereich von Sende- und Empfangsspiegel eine Licht absorbierende oder Licht reflektierende Blende angeordnet ist, derart, dass der Sende- und Empfangsspiegel um deren gemeinsame Schwingungsachse ungehindert in einem vorgegebenen Winkel schwingen bzw. verkippen, ist erreicht, dass die Synchronisation zwischen dem Sende-und dem Empfangsspiegel entfallen können, denn diese sind trieblich miteinander gekoppelt und/oder auf einem gemeinsamen Trägerelement angeordnet, so dass deren Schwingungsverhalten identisch ist.
Die bislang bekannten optoelektronischen Messvorrichtungen, die mittels eines sogenannten MEMS-Antriebes betrieben sind, weisen eine räumliche Trennung zwischen dem Sende- und dem Empfangsspiegel auf, da die Längen- und Breitenabmessungen der Sende- und Empfangsspiegel äußerst klein bemessen sind. Wenn jedoch vorteilhafter Weise die Längen- und Breitenverhältnisse der Sende- und Empfangsspiegel mindestens 2,5 betragen, also die Länge 2,5 - mal so groß ist wie die Breite der zusammengebauten Sende- und Empfangsspiegel, dann können die Sende- und Empfangsspiegel entweder trieblich miteinander gekoppelt oder auf einem gemeinsamen Trägerelement angeordnet sein.
Da Lichtreflexionen sowohl von dem Sendespiegel als auch möglicherweise von außen auf den Empfangsspiegel auftreffen können, ist es erforderlich, zwischen dem Übergangsbereich von Sendespiegeln und Empfangsspiegeln eine Blende vorzusehen, durch die diese ungewollten Lichteinflüsse auf den Empfangsspiegel verhindert sind und ausschließlich die von dem Gegenstand reflektierten Lichtstrahlen als Lichtimpulse auf den Empfangsspiegel auftreffen und von diesem an die Auswerteeinheit weitergeleitet sind, um auf der Grundlage der Lichtlaufzeitmessung den Abstand des Gegenstandes von der Messvorrichtung zu bestimmen.
Um solche unerwünschten Lichtreflexionen unmittelbar im Übergangsbereich zwischen dem Sende- und dem Empfangsspiegel zu verhindern, kann auf die Oberfläche dieser optoelektronischen Bauteilen eine Licht absorbierende Schicht aufgetragen sein.
Da die Blende an dem die optoelektronischen Bauteile umschließenden Gehäuse angebracht ist, kann diese kostengünstig montiert und an die jeweilige Einbausituation angepasst sein, so dass der Abstand zwischen der Unterseite der Blende, die also benachbart zu dem Sende- und Empfangsspiegel verläuft, äußerst gering bemessen ist, ohne dass der erforderliche Schwingungswinkel, um den die Sende- und Empfangsspiegel um deren jeweilige Schwingungsachse oszillierend angetrieben sind, in ihrer jeweiligen Auslenkung behindert sind.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Messvorrichtung dargestellt, das nachfolgend näher erläutert ist. Im Einzelnen zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer optoelektronischen Messvorrichtung, die aus einer Sendeeinheit und einer Empfangseinheit besteht, so dass Lichtwellen in Richtung eines Überwachungsbereiches ausgestrahlt und von einem Sendespiegel in diesen oszillierend ausgelenkt sind und von einem in den Überwachungsbereich eintauchenden Gegenstand in Richtung eines Empfangsspiegel reflektiert sind und anschließend durch eine Auswerteinrichtung der Abstand errechenbar ist,
2a ein vergrößerter Ausschnitt der Messvorrichtung gemäß 1, in denen die Sende- und Empfangsspiegel in einem Gehäuse eingebaut sind und ein an dem Gehäuse befestigte Blende, die zwischen dem Sendespiegel und dem Empfangsspiegel angeordnet ist,
2b ein vergrößerter Teilausschnitt des Gehäuses gemäß 2a und eines Trägerelements, auf dem die Sende- und Empfangsspiegel befestigt sind,
3a die Messvorrichtung gemäß 1 mit einer auf dem Sende- und Empfangsspiegel aufgebrachten Licht absorbierenden Schicht,
3b die Messvorrichtung gemäß 1 mit einer zwischen dem Sende- und Empfangsspiegel eingearbeiteten Aussparung, in die die Blende während der Auslenkung der Sende- und Empfangsspiegel eintaucht.

Aus den 1, 2a sowie 2b ist eine optoelektronische Messvorrichtung 1 zur Bestimmung des Abstandes a von Gegenständen 3 innerhalb eines dreidimensionalen Überwachungsbereiches 2 zu entnehmen. Die Messvorrichtung 1 besteht dabei zunächst aus einer Sendeeinheit 4, durch die eine Lichtquelle 5 betrieben ist. Durch die Lichtquelle 5 werden Lichtwellen generiert, insbesondere hochintensive Laserlichtwellen, die von dieser Lichtquelle 5 in Richtung eines ersten Strahlenganges 6 ausgestrahlt sind. Durch die Sendeeinheit 4 wird sowohl die Frequenz als auch die Lichtintensität der Lichtquelle 5 gesteuert.
In dem ersten Strahlengang 6 der Lichtwellen ist ein Sendespiegel 7 vorgesehen, durch den die Lichtwellen aus dem ersten Strahlengang 6 in einen zweiten Strahlengang 8 überführt sind, der den Überwachungsbereich 2 vollständig überstreicht, so dass Gegenstände 3, die in den Überwachungsbereich 2 eintauchen, von den Lichtwellen des zweiten Strahlenganges 8 erfasst sind. Sobald die Lichtwellen auf den Gegenstand 3 auftreffen, werden diese reflektiert. Dieser dritte Strahlengang ist mit der Bezugsziffer 9 gekennzeichnet.
Üblicherweise sollen die derart reflektierten Lichtwellen des dritten Strahlenganges 9 auf einen Empfangsspiegel 10 auftreffen, oder auf eine Vielzahl von Fotodioden oder sonstigen optoelektronischen Bauteilen, wodurch die von dem Gegenstand 3 reflektierten Lichtwellen des dritten Strahlengangs 9 Messwerte oder Stromimpulse erzeugt sind. Die Lichtimpulse des Empfangsspiegels 10 werden an eine Auswerteeinrichtung 14 weitergeleitet und auf der Grundlage von physikalischen Formeln kann über die Lichtlaufzeitmessung der Abstand zwischen der Messvorrichtung 1 und dem Gegenstand 3 errechnet werden.
Insbesondere den 2a und 2b ist zu entnehmen, dass die Sende- und Empfangsspiegel 7,10 auf einem gemeinsamen Trägerelement 12 angeordnet sind. Der Übergangsbereich zwischen dem Sendespiegel 7 und den Empfangsspiegel 10 ist mit der Bezugsziffer 24 gekennzeichnet. Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1 handelt es sich um eine sogenannte mikro-elektro-mechanische angetriebene Messvorrichtung, die folglich um eine Schwingungsachse 13 mit einer vorgegebenen und einstellbaren Frequenz schwingt. Dabei ist in 2b die Betriebsweise für die Schwingungserzeugung des Trägerelementes 12 abgebildet. Zunächst ist ein Gegenlager 18 an einem der Messvorrichtung 1 zugeordneten Gehäuse 15 befestigt. Zwischen dem Gegenlager 18 und dem Trägerelement 12 ist eine Torsionsfeder 16 angeordnet, die koaxial zu der Schwingungsachse 13 ausgerichtet ist. Über einen MEMS-Antrieb 11 wird die Torsionsfeder 16 oder in dem Gegenlager 18 vorhandene Membrane oder sonstige elektromechanische Bauteile angeregt und demnach in Schwingung versetzt, wodurch das Trägerelement 12 um die Schwingungsachse 13 in einem vorgegebenen Auslenkungswinkel α oszillierend in Schwingung versetzt ist. Demnach bewegen sich die Sende- und Empfangsspiegel 7,10 synchron miteinander und es ist lediglich ein MEMS-Antrieb 11 vorzusehen, ohne dass die jeweilige Auslenkung der Sendespiegel 7 und der Empfangsspiegel 10 miteinander zu vergleichen und zu korrigieren ist.
Um die ungewollten und störenden Lichteinflüsse im Übergangsbereich 24 zwischen dem Sendespiegel 7 und dem Empfangsspiegel 10 zu verhindern, ist eine an dem Gehäuse 15 der Messvorrichtung 1 befestigte Blende 21 vorgesehen, die beanstandet zu dem Trägerelement 12 verläuft. Der Abstand zwischen der Oberfläche des Trägerelementes 12 bzw. den Sende- und Empfangsspiegel 7,10 ist mit dem Buchstaben Δs gekennzeichnet. Dieser Abstand Δs ist äußerst gering zu bemessen und derart festzulegen, dass die Schwingungen des Trägerelementes 12 um die Schwingungsachse 13 durch die Blende 21 nicht behindert ist. Gleichzeitig sollen die von dem Sendespiegel 7 in den Überwachungsbereich 2 abgestrahlten Lichtwellen nicht auf den Empfangsspiegel 10 gelangen, um ungewollte Abstandsmessungen zu vermeiden.
Um die zuverlässige Funktion und eine exakte Abstandsmessung für die erfindungsgemäße Messvorrichtung 1 überhaupt erreichen zu können, ist es erforderlich, dass die Länge I der Sende- und Empfangsspiegel 7,10 bzw. des Trägerelementes 13 in einem Verhältnis von 2,5 zu der Breite b der Sende- und Empfangsspiegel 7,10 bzw. des Trägerelementes 13 stehen. Wenn nämlich dieses Verhältnis kleiner als 2,5 beträgt, ist die Flächengröße derart gering, dass eine zuverlässige Betriebsweise und Abstandsmessung nicht gewährleistet ist.
In den 3a und 3b sind zusätzliche konstruktive bzw. technische Maßnahmen abgebildet, um die Zuverlässigkeit der Abstandsmessung für die Messvorrichtung 1 zu erhöhen. In 3a ist in dem Übergangsbereich 24 eine Absorptionsschicht 22 aufgetragen, durch die mögliche Lichtreflexionen von dem Sendespiegel 7 oder von außen, beispielsweise durch die Blende 21 verhindert sind. In 3b ist im Übergangsbereich 24 eine Aussparung 23 eingearbeitet, die fluchtend zu der Blende 21 ausgerichtet ist. Sobald das Trägerelement 12 um die Schwingungsachse 13 ausgelenkt ist, taucht die Blende 21 in die Aussparung 23 ein, so dass der Abstand Δs zwischen dem Sende-und Empfangsspiegel 7,10 und der Blende 21 äußerst gering bemessen sein kann.
Das Trägerelement 12 bzw. die Sende- und Empfangsspiegel 7,10 weisen eine rechteckförmige oder elliptische Flächenausdehnung auf. Die Längsseite dieser Bauteile ist mit dem Buchstaben I und die Schmalseite mit dem Buchstaben b bezeichnet. Das Längen-Breitenverhältnis beträgt mindestens 2,5 zwischen der Längs- und der Schmalseite I bzw. b dieser Bauteile. Zudem verläuft die Blende 21 senkrecht zu der Längsseite I und parallel zu der Schmalseite b der Träger des Trägerelement des 12.
Es ist ohne weiteres möglich, das Trägerelement 12 durch eine betriebliche Kopplung zwischen dem Sendespiegel 7 und dem Empfangsspiegel 10 zu ersetzen. Der Überwachungsbereich 2 befindet sich außerhalb des Gehäuses 15.

Claims

Optoelektronische Messvorrichtung (1) zur Bestimmung des Abstandes (a) von Gegenständen (3) innerhalb eines dreidimensionalen Überwachungsbereiches (2), bestehend aus - einer Sendeeinheit (4), der mindestens eine Lichtstrahlen emittierende Lichtquelle (5) zugeordnet ist, deren Lichtstrahlen einem vorgegebenen ersten Strahlengang (6) folgen, - einem Sendespiegel (7), der im Strahlengang (6) angeordnet ist und der durch einen MEM-Motor (11) in Schwingung versetzt ist, durch die die Lichtstrahlen in einem zweiten Strahlengang (8) in den Überwachungsbereich (2) mit einer vorgegebenen Frequenz, - und aus einem in der von dem Sendespiegel (7) gebildeten Ebene angeordneten Empfangsspiegel (10), durch den die von dem Gegenstand (3) reflektierten Lichtstrahlen in einem dritten Strahlengang (9) erfasst und an eine Auswerteeinrichtung (14) weitergeleitet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Sende- und der Empfangsspiegel (7, 10) trieblich miteinander gekoppelt oder auf einem flächigem Trägerelement (12) gemeinsam befestigt sind, dass die Länge zur Breite der Sende- und Empfangsspiegel (7, 10) in einem Verhältnis von mindestens 2,5 stehen und dass zwischen dem Übergangsbereich (24) von Sende- und Empfangsspiegel (7, 10) eine Licht absorbierende oder Licht reflektierende Blende (21) angeordnet ist, derart, dass der Sende- und Empfangsspiegel (7, 10) um deren gemeinsame Längsachse (13) ungehindert in einem vorgegebenen Winkel (α) schwingen bzw. verkippen.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (21) zu dem Sende- und Empfangsspiegel (7, 10) um einen Abstand (Δs) beabstandet ist und dass der Abstand (Δs) zwischen dem Sende- und Empfangssiegel (7, 10) in den jeweils maximalen Auslenkungswinkel (a) an der Blende (21) anliegen bzw. von dieser geringfügig beabstandet sind.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (21) senkrecht zu der Längsachse (13) ausgerichtet ist und dass die Breite der Sende- und Empfangsspiegel (7, 10) parallel zu der Blende (21) ausgerichtet ist.
Messvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangsspiegel (7, 10) bzw. deren Trägerelement (12) in einem Gehäuse (15) angeordnet sind und dass der Überwachungsbereich (2) außerhalb des Gehäuses (15) liegt.
Messvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (12) an einer Welle (16) gehalten ist und dass die Welle (16) koaxial zu der Längsachse (13) ausgerichtet und von dem Motor (11) rotierend angetrieben ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (16) an zwei gegenüberliegenden Seitenwänden des Gehäuses (15) gelagert ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (21) an dem der Überwachungsbereich (2) zugewandten Seite des Gehäuses (15) befestigt ist.
Messvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Sende- und Empfangsspiegeln (7, 10) bzw. dem Trägerelement (12) eine rechteckförmige Aussparung (23) eingearbeitet oder vorgesehen ist und dass die Blende (21) in den von der Aussparung (23) freigegebenen Raum während der Auslenkung des Trägerelements (12) eintaucht bzw. dass die Aussparung (23) fluchtend zu der Blende (21) verläuft.
Messvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Übergangsbereich (24) eine Absorptionsschicht (22) auf die Oberseite der Sende- und Empfangsspiegel (7, 10) aufgebracht ist, durch die die von dem Sendespiegel (7) reflektierten Lichtstrahlen die in Richtung des Empfangsspiegel (10) gelegen abgelenkt oder absorbiert sind.