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Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor zur Erfassung eines Objekts in einem Überwachungsbereich nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Viele optoelektronische Sensoren arbeiten nach dem Tastprinzip, bei dem ein Lichtstrahl in den Überwachungsbereich ausgesandt und der von einem Objekt zurückgeworfene Lichtstrahl wieder empfangen wird, um dann das Empfangssignal elektronisch auszuwerten, beispielsweise für eine Abstandsmessung. Dabei wird oft die Lichtlaufzeit mit einem bekannten Phasen- oder Pulsverfahren gemessen, um den Abstand eines angetasteten Objekts zu bestimmen. Optoelektronische Sensoren, die dieses Verfahren verwenden, werden häufig als Lichttaster, TOF (Time-of-Flight) Sensoren oder LIDAR (Light Detection And Ranging) Sensoren bezeichnet. Im Folgenden soll stellvertretend der Begriff Lichttaster verwendet werden
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Lichttaster der eingangs genannten Art können mit sichtbarem Licht, aber auch mit Licht im infraroten Wellenlängenbereich arbeiten. Die Verwendung infraroten Lichts hat den Vorteil, dass die Messung nicht als störend wahrgenommen wird. Zudem sind Lichtquellen, die infrarotes Licht emittieren, beispielsweise Oberflächenemitter Laser (vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL)), in kleineren Baugrößen verfügbar als Laserdioden, die sichtbares Licht emittieren. Ein Sensor kann also entsprechend kleiner gebaut werden.
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Ein infrarotes Lichtsignal hat jedoch den Nachteil, dass der Detektionsbereich, insbesondere der konkrete Ort der Abstandsmessung auf der jeweiligen Oberfläche, mit dem menschlichen Auge ohne zusätzliche Hilfsmittel nicht erkannt werden kann, was insbesondere die Montage und Justierung des Sensors erschwert.
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Im Stand der Technik wird daher dem infraroten Messstrahl ein sichtbarer sogenannter Pilot- oder Zielstrahl überlagert, üblicherweise mit einem dichroitischen Spiegel, wie beispielsweise in der
US 2004 0070745 A1 beschrieben. Derartige Systeme sind jedoch verhältnismäßig groß, zudem ist die Justage von Messstrahl und Pilotstrahl aufwändig und anfällig für Dejustagen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Sensor nach Art eines Lichttasters bereitzustellen, der eine kompakte und robuste Bauweise aufweist,
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen optoelektronischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Der erfindungsgemäße optoelektronischer Sensor ist ein Lichttaster mit wenigstens einer Messlichtquelle zum Aussenden von wenigstens einem Messlichtstrahl im infraroten Wellenlängenbereich. Lichtstrahlen sind dabei nicht als Strahlen im Sinne der Strahlenoptik innerhalb eines größeren Lichtbündels zu verstehen, sondern als Lichtbündel, die im Überwachungsbereich beim Auftreffen auf ein Objekt entsprechende Lichtflecken erzeugen. Ein zugehöriger Lichtempfänger ist in der Lage, aus reflektierten oder remittierten Messlichtstrahlen Empfangssignale zu erzeugen. Eine Steuer-und Auswerteeinheit steuert die Lichtquellen und den Lichtempfänger und kann die Empfangssignale des Lichtempfängers auswerten, um Informationen über das Objekt, wie beispielsweise einen Abstand zum Sensor, zu gewinnen.
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Zur Ausrichtung des für das menschliche Auge unsichtbaren, infraroten Messlichtstrahles ist wenigstens ein von einer Pilotlichtquelle im sichtbaren Wellenlängenbereich ausgesendeter Pilotlichtstrahl vorgesehen sowie ein optisches Element zum Überlagern von Messlichtstrahl und Pilotlichtstrahl, so dass diese im Überwachungsbereich im Wesentlichen überlappende Lichtflecken erzeugen.
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Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, als optisches Element zum Überlagern von Messlichtstrahl und Pilotlichtstrahl einen Lichtwellenleiter zu verwenden. Dies hat den Vorteil, dass die Überlagerung der Lichtstrahlen im Lichtwellenleiter weitgehend justagefrei erfolgen kann.
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Zum Überlagern von Messlichtstrahl und Pilotlichtstrahl weist der Lichtwellenleiter einen ersten Abschnitt mit einer ersten Einkoppelstelle zum Einkoppeln des Messlichtstrahls, einen zweiten Abschnitt mit einer zweiten Einkoppelstelle zum Einkoppeln des Pilotlichtstrahls sowie einen dritten Abschnitt zum Überlagern von Messlichtstrahl und Pilotlichtstrahl mit einer Auskoppelstelle zum Auskoppeln der überlagerten Lichtstrahlen auf, wobei die Abschnitte diskrete Elemente eines mehrteiligen Lichtwellenleiters oder Bereiche eines einteiligen Lichtwellenleiters sein können.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann der Lichtwellenleiter zum Überlagern von Messlichtstrahl und Pilotlichtstrahl wie ein optischer Gabelkoppler oder Y-Koppler ausgelegt sein. Derartige Koppler sind aus dem Stand der Technik, beispielswiese aus der optischen Datenübertragung bekannt, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt jeweils in einen Winkel zum dritten Abschnitt angeordnet sind. Die Winkel werden für eine hohe Kopplungseffizienz möglichst klein gewählt, vorzugsweise kleiner als 10 Grad. Der kleinstmögliche Winkel bestimmt sich in der Regel durch die Geometrie der Bauteile, insbesondere der Baugröße der Lichtquellen. Der in den ersten Abschnitt eingekoppelte Messlichtstrahl und der in den zweiten Abschnitt eingekoppelte Pilotlichtstrahl werden an der Schnittstelle der drei Abschnitte vereinigt und im dritten Abschnitt überlagert.
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In einer alternativen Variante der Erfindung ist der Lichtwellenleiter zum Überlagern von Messlichtstrahl und Pilotlichtstrahl so auslegt, dass der erste Abschnitt und der dritte Abschnitt koaxial angeordnet sind und der zweite Abschnitt in einem Winkel zum ersten und dritten Abschnitt angeordnet ist. Der in den ersten Abschnitt eingekoppelte Messlichtstrahl durchläuft den Lichtwellenleiter also entlang einer Geraden. Im Vergleich zur vorher beschriebenen Ausführungsform weist diese Variante eine verbesserte Kopplungseffizienz von Messlichtstrahl und Pilotlichtstrahl auf. Wie in der oben beschriebenen Ausführungsform wird der Winkel für eine hohe Kopplungseffizienz möglichst klein gewählt, vorzugsweise kleiner als 10 Grad. Der kleinstmögliche Winkel bestimmt sich in der Regel durch die Geometrie der Bauteile, insbesondere der Baugröße der Lichtquellen.
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Die Lichtwellenleiter sind bevorzugt in einer elektro-optischen Leiterplatte integriert, wobei die Lichtwellenleiter durch photolithographische Verfahren erzeugt werden können. Auf der elektro-optischen Leiterplatte können zusätzlich die Lichtquellen und/oder die Steuer- und Auswerteeinheit angeordnet sein. Dies ermöglicht einen hochintegrierten Sensoraufbau mit minimalem Platzbedarf.
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Zur Verbesserung der Lichtmischung kann der dritte Abschnitt des Lichtwellenleiters einen Strahlhomogenisierer in Form eines Lichtleitstabs mit viereckigem oder sechseckigen Querschnitt aufweisen.
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Der dritte Abschnitt des Lichtwellenleiters kann zum Auskoppeln der überlagerten Lichtstrahlen eine Auskoppelstelle mit einem möglichst kleinen Querschnitt aufweisen, um einen kleinen Messlichtfleck im Überwachungsbereich erzeugen zu können. Der Querschnitt ist bevorzugt kleiner als 100 µm, besonders bevorzugt kleiner als 50 µm. Hierzu kann der Strahlhomogenisierer oder Lichtwellenleiter im dritten Abschnitt getapert sein, also eine Verjüngung des Lichtwellenleiter-Querschnitts in Richtung Auskoppelstelle aufweisen.
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Der erste Abschnitt des Lichtwellenleiters kann im Bereich der Einkoppelstelle für den Messlichtstrahl einen vergrößerten Querschnitt zur Einkopplung von Messlichtstrahlen mit größerem Strahldurchmesser oder mehrerer parallele Messlichtstrahlen aufweisen. So kann durch die Verwendung vom Multiemitter VCSEL die eingekoppelte Lichtleistung erhöht werden. Dadurch können schlechtere Koppeleffizienten, insbesondere von planaren Lichtwellenleitern, ausgeglichen werden.
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Die elektro-optische Leiterplatte kann an den Enden des Lichtwellenleiters Spiegelelemente zur Ein- und Auskopplung der Lichtstrahlen aufweisen. Alternativ können an den Enden der Lichtwellenleiter Einkoppelprismen, welche verspiegelt sind oder nach dem Prinzip der Totalreflexion arbeiten, angeordnet sein.
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Die Auskopplung von Mess- und Pilotlichtstrahl kann an einer Stirnfläche der Leiterplatte erfolgen, so dass auf eine Strahlumlenkung verzichtet werden kann.
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Die Pilotlichtquelle kann Pilotlichtstrahlen mit einer an die Lichtempfindlichkeit des menschlichen Auges angepasste Wellenlänge emittieren. Beispielsweise wird für das menschliche Auge grünes Licht mit einer Wellenlänge von 550 nm 31-mal heller empfunden als rotes Licht mit einer Wellenlänge von 670 nm. Bei Verwendung von grünem Licht kann daher eine Pilotlichtquelle mit geringerer Leistung verwendet werden.
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Dem Lichtempfänger kann ein optisches Filter zur Unterdrückung von Störlicht, insbesondere von reflektierten oder remittierten Pilotlichtstrahlen vorgeordnet sein.
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Die Steuer- und Auswerteeinheit des Sensors kann dazu eingerichtet sein, verschiedene Betriebsmodi des Sensors bereit zu stellen. Ein Betriebsmodus kann beispielsweise ein Justagemodus sein, in dem Messlichtstrahl und Pilotlichtstrahl gleichzeitig aktiviert sind. Ein weiterer Betriebsmodus kann ein Messmodus sein, in dem der Pilotlichtstrahl deaktiviert ist, so dass durch den Pilotlichtstrahl erzeugtes Störlicht für den Lichtempfänger reduziert wird.
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Gemäß einer Weiterbildung ist der Lichttaster dazu ausgebildet, den Abstand der jeweiligen Oberfläche zum Lichttaster aus einer Laufzeit eines pulsförmigen Lichtsignals zur jeweiligen Oberfläche und zurück oder aus der Phasenverschiebung eines von dem Lichttaster ausgesandten modulierten Lichtsignales zu dem an der jeweiligen Oberfläche reflektierten Lichtsignal zu ermitteln. Der Lichttaster kann also insbesondere nach dem Time-of-Flight-Prinzip (ToF) funktionieren.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Sensors;
- 2a eine schematische Darstellung eines als Y-Koppler ausgeführten Lichtwellenleiters;
- 2b eine schematische Darstellung eines Lichtwellenleiters mit seitlicher Einkopplung des Pilotlichtstrahls;
- 2c eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Lichtwellenleiters;
- 3 eine schematische Darstellung eines in einer elektro-optischen Leiterplatte angeordneten Lichtwellenleiters.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Sensors 10 in einer Ausführungsform als Lichtaster. Der Sensor 10 weist eine Messlichtquelle 12, beispielsweise eine Laserdiode oder einen Oberflächenemitter (vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL)) auf, die einen Messlichtstrahl 14 im infraroten Wellenlängenbereich emittiert, der an einer ersten Einkoppelstelle 62 eines Lichtwellenleiters 18 in den Lichtwellenleiter 18 eingekoppelt wird. Der Sensor 10 weist weiterhin eine Pilotlichtquelle 20, beispielsweise eine Leuchtdiode (LED) auf, die Pilotlichtstrahlen 22 im sichtbaren Wellenlängenbereich emittiert. Die Pilotlichtstrahlen 22 werden an einer zweiten Einkoppelstelle 66 des Lichtwellenleiters 18 in den Lichtwellenleiter 18 eingekoppelt. Der Messlichtstrahl 14 und der Pilotlichtstrahl 22 werden im Lichtwellenleiter 18 überlagert und an einer Auskoppelstelle 72 aus dem Lichtwellenleiter 18 ausgekoppelt. Die überlagerten Messlicht- und Pilotlichtstrahlen 26 können mit einer Sendeoptik 28 kollimiert und durch ein Fenster 30 im Gehäuse 32 des Sensors 10 in einen Überwachungsbereich 34 projiziert werden. Das an einem Objekt 36 im Überwachungsbereich 34 reflektierte oder remittierte Licht wird als Empfangslicht 38 über ein optisches Filter 40 zur Unterdrückung von Störlicht eine Empfangsoptik 42 auf einen Lichtempfänger 44 geleitet.
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Der Lichtempfänger 44 ist bevorzugt als Photodiode, APD (Avalanche Photo Diode), oder SPAD (Single-Photon Avalanche Diode), oder SPAD Matrix (SPAD Array) ausgebildet.
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In dem Sensor 10 ist weiterhin eine Steuer- und Auswertungseinheit 46 vorgesehen, die mit der Messlichtquelle 12, der Pilotlichtquelle 20 und dem Lichtempfänger 44 verbunden ist. Die Steuer- und Auswerteeinheit 46 umfasst eine Messlichtquellensteuerung 48, eine Pilotlichtquellensteuerung 50, eine Lichtlaufzeitmesseinheit 52, und eine Objektentfernungsschätzeinheit 54, wobei dies zunächst nur funktionale Blöcke sind, die auch in gleicher Hardware oder in anderen funktionalen Einheiten wie in den Lichtquellen 12, 20 oder im Lichtempfänger 44 implementiert sein können. Über eine Schnittstelle 56 kann die Steuer- und Auswertungseinheit 46 Messdaten ausgeben beziehungsweise umgekehrt Steuer- und Parametrieranweisungen entgegennehmen. Die Steuer- und Auswertungseinheit 46 kann auch in Form von lokalen Auswertungsstrukturen auf einem Chip des Lichtempfängers 12 angeordnet sein oder als Teilimplementierung mit den Funktionen einer zentralen Auswertungseinheit (nicht gezeigt) zusammenwirken.
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Die Steuer- und Auswertungseinheit 46 kann dazu ausgelegt sein, Pilotlichtquelle 20 und Messlichtquelle 12 unabhängig voneinander zu aktivieren und zu deaktivieren.
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Die 2a zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Lichtwellenleiters 18 zum Überlagern eines Messlichtstrahls 14 mit einem Pilotlichtstrahl 22 in einer Auslegung als Y-Koppler.
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Der Lichtwellenleiter 18 weist einen ersten Abschnitt 60 mit einer ersten Einkoppelstelle 62 zum Einkoppeln des Messlichtstrahls 12, einen zweiten Abschnitt 64 mit einer zweiten Einkoppelstelle 66 zum Einkoppeln des Pilotlichtstrahls 22, sowie einen dritten Abschnitt 68 zum Überlagern von Messlichtstrahl 14 und Pilotlichtstrahl 22 auf, wobei die Grenzen der Abschnitte durch punktierte Linien 70 angedeutet sind. Die Abschnitte 60, 64, 68 können dabei diskrete Elemente eines mehrteiligen Lichtwellenleiters 18 sein, beispielsweise durch eine Schmelzverbindung zusammengefügte Faserelemente, oder Bereiche eines einteiligen Lichtwellenleiters 18, der beispielsweise durch ein photolithographisches Verfahren in einer Leiterplatte erzeugt wurde.
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Der erste Abschnitt 60 und der zweite Abschnitt 64 sind jeweils in einem ersten Winkel α und zweiten Winkel β zum dritten Abschnitt 68 angeordnet. Der in den ersten Abschnitt 60 eingekoppelte Messlichtstrahl 14 und der in den zweiten Abschnitt 64 eingekoppelte Pilotlichtstrahl 22 werden an der Schnittstelle der drei Abschnitte vereinigt und im dritten Abschnitt 68 überlagert. Der dritte Abschnitt 68 weist eine Auskoppelstelle 72 zum Auskoppeln der überlagerten Lichtstrahlen 26 auf.
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Die 2b zeigt eine alternative Variante eines Lichtwellenleiters 18 zum Überlagern von Messlichtstrahl 14 und Pilotlichtstrahl 22, der so ausgelegt ist, dass der erste Abschnitt 60 und der dritte Abschnitt 68 koaxial angeordnet sind und der zweite Abschnitt 64 in einem dritten Winkel γ zum ersten Abschnitt 60 und dritten Abschnitt 68 angeordnet ist. Der in den ersten Abschnitt 60 eingekoppelte Messlichtstrahl 14 durchläuft den Lichtwellenleiter 18 also entlang einer Geraden 74.
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Die 2c zeigt eine alternative Variante eines Lichtwellenleiters 18 aus 2b der so auslegt ist, dass der erste Abschnitt 60 und der dritte Abschnitt 68 koaxial angeordnet sind und der zweite Abschnitt 64 im Übergang zum ersten und dritten Abschnitt eine Krümmung 76 aufweist.
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Die 3 zeigt eine schematische Darstellung einer elektro-optischen Leiterplatte 80, in die ein Lichtwellenleiter 18 integriert ist. Auf der elektro-optischen Leiterplatte 80 sind eine Messlichtquelle 12 und eine Pilotlichtquelle 20 angeordnet, die Messlichtstrahlen 14 und Pilotlichtstrahlen 22 senkrecht zur Leiterplattenebene 82 in den Lichtwellenleiter 18 hinein emittieren. Der Lichtwellenleiter 18 weist an den Einkoppelstellen 62, 66 Umlenkelemente 86, 88 auf, die die Lichtstrahlen 14, 22 parallel zur Leiterplattenebene 82 umlenken. Im Lichtwellenleiter 18 werden Messlichtstrahl 14 und Pilotlichtstrahl 22 überlagert und an der Auskoppelstelle 72 durch ein weiteres Umlenkelement 90 senkrecht zur Leiterplattenebene 82 aus dem Lichtwellenleiter 18 ausgekoppelt. Eine Sendeoptik 28 kollimiert die ausgekoppelten überlagerten Lichtstrahlen 26. Alternativ kann die Auskopplung auch an einer Stirnseite 92 der Leiterplatte 80 erfolgen, das weitere Umlenkelement 90 an der Auskoppelstelle 72 kann dann entfallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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