DE19652440A1 - Optoelektronische Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 44 05 376 C1 bekannt. Diese Vorrichtung dient zur Erfassung der Positionen von Gegenständen oder Personen im Überwachungsbereich und wird insbesondere in Applikationen des Personenschutzes eingesetzt. Beispielsweise kann die Vorrichtung an der Front­ seite einer Maschine angeordnet sein. Der Überwachungsbereich erstreckt sich dann auf das Vorfeld der Maschine. Tritt eine Person oder ein Gegenstand in den Überwachungsbereich, so wird dies von der Vorrichtung erkannt. Dies führt zu einer Warnsignalabgabe, welche dazu verwendet werden kann, die Maschine außer Betrieb zu setzen, um eine eventuelle Gefährdung von Personen im Über­ wachungsbereich zu vermeiden.

Problematisch bei derartigen Anwendungsfällen ist, daß die Oberflächen der in den Überwachungsbereich eindringenden Gegenstände sehr unterschiedlich aus­ geprägt sein können. Ist beispielsweise ein Reflektor oder ein spiegelndes Objekt im Überwachungsbereich angeordnet, so wird ein sehr großer Anteil der vom Sendeelement emittierten Sendelichtstrahlen auf die Vorrichtung zurückre­ flektiert.

Ist andererseits eine dunkel gekleidete Person im Überwachungsbereich ange­ ordnet, so wird von dieser nur ein sehr kleiner Teil der Sendelichtmenge auf die Vorrichtung zurückreflektiert. Diese Lichtmenge kann je nach Oberflächenbe­ schaffenheit der Kleidung oder der Distanz der Person zur Vorrichtung so gering sein, daß die in der Vorrichtung registrierte Lichtmenge kaum noch aus­ reicht, die Person zu detektieren.

Ist in diesem Fall durch äußere Störeinflüsse wie zum Beispiel Staub das Aus­ trittsfenster verschmutzt, so wird die nutzbare Lichtmenge so vermindert, daß eine Detektion der Person nicht mehr mit der notwendigen Detektionssicherheit gewährleistet werden kann. Dies bedeutet, daß die Person unter Umständen un­ erkannt bleibt, wodurch diese innerhalb des Überwachungsbereichs durch die Maschine zu Schaden kommen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art so auszubilden, daß eine Verschmutzung des Austrittsfensters der Vorrichtung nicht zu unkontrollierbaren Gefahrenzuständen für Personen oder Gegenstände innerhalb des Überwachungsbereichs führt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß ist zur Kontrolle der Verschmutzung des Austrittsfensters ein zweites Sendeelement vorgesehen, welches Testsendelichtstrahlen emittiert, die das gesamte Austrittsfenster periodisch abtasten. Dabei ist die Strahlführung so gewählt, daß die Testsendelichtstrahlen die gesamte Höhe des Austrittsfensters erfassen. Durch die Rotationsbewegung der Ablenkeinheit sind die Testsende­ lichtstrahlen zudem in Richtung der Drehbewegung über den gesamten vom Austrittsfenster umfaßten Winkelbereich geführt.

Die vom Austrittsfenster reflektierte Lichtmenge wird innerhalb des gesamten vom Austrittsfenster umspannten Winkelbereichs als Maß für die Verschmut­ zung des Austrittsfensters ausgewertet. Auf diese Weise kann erfaßt werden, ob das Austrittsfenster auf seiner gesamten Oberfläche eine hinreichend geringe Verschmutzung aufweist, welche die Detektion von Gegenständen beeinflussen kann. Ist dies nicht der Fall, so wird zweckmäßigerweise eine Signalabgabe generiert, welche die Vorrichtung und damit beispielsweise auch eine Maschine, deren Vorfeld mittels der Vorrichtung überwacht wird, außer Betrieb setzt. Auf diese Weise können Gefährdungen von Personen und Gegenständen im Über­ wachungsbereich mit großer Sicherheit ausgeschlossen werden.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen optoelek­ tronischen Vorrichtung

Fig. 1 zeigt eine optoelektronische Vorrichtung 1 zum Erfassung von Gegen­ ständen oder Personen in einem Überwachungsbereich. Die Vorrichtung 1 weist ein in einem Gehäuse 2 integriertes Sendeelement 3 auf. Die vom Sendeelement 3 emittierten Sendelichtstrahlen 4 werden über eine Ablenkeinheit 5 periodisch abgelenkt und überstreichen dabei einen den Überwachungsbereich bildenden, vorgegeben Winkelbereich Ω. Die im Überwachungsbereich geführten Sende­ lichtstrahlen 4 durchdringen dabei ein Austrittsfenster 6 in der Gehäusewand, wobei die Ausdehnung des Austrittsfensters 6 in Drehrichtung der Ablenkeinheit 5 die Größe des Winkelbereichs Ω definiert.

Der Winkelbereich Ω liegt vorzugsweise im Bereich 90° < Ω < 270°, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel Ω = 180° beträgt.

Das Gehäuse 2 weist eine im wesentlichen zylindrische Form auf und ist aus lichtundurchlässigem Kunststoff oder Metall gebildet. Das Austrittsfenster 6 be­ steht aus lichtdurchlässigem Kunststoff oder Glas und erstreckt sich entlang der Mantelfläche der Gehäuseoberfläche. Die Höhe des Austrittsfensters 6 ist über den gesamten Winkelbereich Ω konstant.

Die Strahlachse der über die Ablenkeinheit 5 abgelenkten Sendelichtstrahlen 4 liegt in einer horizontalen Ebene senkrecht zur Drehachse D der Ablenkeinheit 5. Demzufolge wird mit den Sendelichtstrahlen 4 ein halbkreisförmiger, ebener Überwachungsbereich überstrichen.

Mittels der Vorrichtung 1 wird die Position der Gegenstände im Überwachungs­ bereich erfaßt. Hierzu ist an der Ablenkeinheit 5 ein nicht dargestellter Winkel­ geber vorgesehen, welcher die momentane Winkelposition der Ablenkeinheit 5 und damit der Sendelichtstrahlen 4 fortlaufend erfaßt. Die Signale des Winkel­ gebers werden in eine ebenfalls nicht dargestellte zentrale Auswerteeinheit ein­ gelesen. Die Auswerteeinheit kann von einem Microcontroller gebildet sein.

Zudem weist die Vorrichtung 1 einen Distanzsensor zur Bestimmung der Dis­ tanz eines Gegenstands zur Vorrichtung 1 auf. Der Distanzsensor besteht aus dem Sendeelement 3 und einem diesem zugeordneten Empfangselement 7.

Die Distanzmessung erfolgt zweckmäßigerweise nach dem Prinzip der Laufzeit­ methode. Das Sendeelement 3 weist vorzugsweise einen von einer Laserdiode gebildeten Sender 7 mit nachgeordneter Sendeoptik 9 auf. Das Empfangsele­ ment 7 besteht beispielsweise aus einem von einer pin Photodiode gebildeten Empfänger 10 und einer diesem vorgeordneten Empfangsoptik 11.

Die Meßmethode der Laufzeitmessung kann zum einen als Phasenmessung aus­ geprägt sein. In diesem Fall wird die Laserdiode im CW-Betrieb betrieben, wo­ bei den Sendelichtstrahlen 4 eine Amplitudenmodulation aufgeprägt ist. Emp­ fangsseitig wird die Distanzinformation durch einen Vergleich der Phasenlagen der emittierten Sendelichtstrahlen 4 und der auf den Empfänger 10 auftreffenden Empfangslichtstrahlen 12 ermittelt.

Alternativ kann die Distanzmessung nach der Impulslaufzeitmethode erfolgen. In diesem Fall werden vom Sender 8 kurze Sendelichtimpulse emittiert. Die Distanzinformation wird in diesem Fall durch direkte Messung der Laufzeit eines Sendelichtimpulses zu einem Gegenstand und zurück zur Vorrichtung 1 gewonnen.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind das Sende- 3 und das Empfangs­ element 7 ortsfest im Gehäuse 2 oberhalb der rotierenden Ablenkeinheit 5 ange­ ordnet. Dabei sind das Sende- 3 und Empfangselement 7 koaxial angeordnet, wobei das Empfangselement 7 oberhalb des Sendeelements 3 angeordnet ist. Der Querschnitt der Empfangsoptik 11 ist dabei erheblich größer als der Quer­ schnitt der Sendeoptik 9. Die Sende- 4 und Empfangslichtstrahlen 12 verlaufen koaxial.

Die vom Sender 8 emittierten Sendelichtstrahlen 4 treffen auf das Zentrum der Ablenkeinheit 5 und durchdringen das Austrittsfenster 6 in dessen Zentrum.

Diese von einem Gegenstand reflektierten Empfangslichtstrahlen 12 durchdrin­ gen das Austrittsfenster 6 in den Randbereichen und treffen demzufolge auch auf die Randbereiche der Ablenkeinheit 5. Von dort treffen sie auf die Randbe­ reiche der großflächigen Empfangsoptik 11, welche die Empfangslichtstrahlen 12 auf den Empfänger 10 fokussiert. Somit führt die Abschattung der Empfangs­ lichtstrahlen 12 durch das Sendeelement 3 nur zu einer geringen Verminderung der auf den Empfänger 10 auftreffenden Empfangslichtmenge.

Zur Kontrolle von Verschmutzungen des Austrittsfensters 6 weist die Vor­ richtung 1 ein zweites Sendeelement 13 auf, welches Testsendelichtstrahlen 14 emittiert. Die Testsendelichtstrahlen 14 sind über die Ablenkeinheit 5 geführt und überstreichen das gesamte Austrittsfenster 6.

Zweckmäßigerweise emittieren das erste und das zweite Sendelement 3, 13 Licht in einem Wellenlängenbereich, in dem das Austrittsfenster 6 nahe zu voll­ ständig transparent ist.

Die Ablenkeinheit 5 weist einen beidseitig verspiegelten Drehspiegel 15 auf. Die Spiegelebene des Drehspiegels 15 ist um 45° bezüglich dessen Drehachse D geneigt. Die Sendelichtstrahlen 4 und Empfangslichtstrahlen 12 treffen auf die erste, obere Spiegelfläche 16 des Drehspiegels 15.

Die Testsendelichtstrahlen 14 und die vom Austrittsfenster 6 reflektierten Test­ empfangslichtstrahlen 17 treffen auf die zweite, untere Spiegelfläche 18 des Drehspiegels 15. Durch diese Anordnung treffen bei jeder Umdrehung des Dreh­ spiegels 15 die Sendelichtstrahlen 4 und Testsendelichtstrahlen 14 jeweils um 180° phasenversetzt auf das Austrittsfenster 6. Dadurch kann eine gegenseitige Beeinflussung von Sendelichtstrahlen 4 und Testsendelichtstrahlen 14 auf ein­ fache Art vermieden werden. Diese Testsendelichtstrahlen 14 und Testemp­ fangslichtstrahlen 17 sind dabei koaxial über die Ablenkeinheit 5 geführt, wobei die Strahlachsen der an der Ablenkeinheit 5 abgelenkten Testsendelichtstrahlen 14 und Testempfangslichtstrahlen 17 in der Ebene des Überwachungsbereichs verlaufen.

Der Drehspiegel 15 sitzt auf einem rotierenden Sockel 19 auf, welcher mittels eines nicht dargestellten Motors angetrieben wird. Der Sockel 19 weist eine Öffnung 20 auf, durch welche die Testsendelichtstrahlen 14 ungehindert zum Austrittsfenster 6 gelangen. Entsprechend sind die Testempfangslichtstrahlen 17 durch die Öffnung 20 geführt.

Dem zweiten Sendeelement 13 ist ein zweites Empfangselement 21 zugeordnet, welche zusammen einen Reflexionslichttaster bilden. Das zweite Sendeelement 13 besteht aus einer Leuchtdiode. Das zweite Empfangselement 21, auf welches die Testempfangslichtstrahlen 17 auftreffen, ist von einer Photodiode gebildet.

Der Reflexionslichttaster ist im Innern des rotierenden Sockels 19 der Ablenk­ einheit 5 ortsfest angeordnet. Zweckmäßigerweise befindet er sich auf einem nicht dargestellten Aufsatz, der am Boden des Gehäuses 2 befestigt ist.

Dem Sende- 13 und Empfangselement 21 des Reflexionslichttasters sind ein teildurchlässiger Spiegel 22 zugeordnet, dessen Spiegelfläche jeweils um 45° zu den optischen Achsen des Empfangselements 21 und des Sendeelements 13 des Reflexionslichttasters geneigt ist, wobei die optischen Achsen des Sendeele­ ments 13 und des Empfangselements 21 im rechten Winkel zueinander ver­ laufen. Die vom Sendeelement 13 emittierten Testsendelichtstrahlen 14 durch­ dringen den teildurchlässigen Spiegel 22 teilweise und treffen auf eine Linse 23. Diese bildet ein Mittel zur Strahlaufweitung der Testsendelichtstrahlen 14, wo­ bei die Aufweitung der Testsendelichtstrahlen 14 so erfolgt, daß diese über die gesamte Höhe des Austrittsfensters 6 verteilt sind. Die Testempfangslichtstrah­ len 17 durchdringen dieselbe Linse 23 und werden dann am teildurchlässigen Spiegel 22 teilweise zum Empfangselement 21 reflektiert. Die Linse 23 ist ebenfalls ortsfest angeordnet.

Im Strahlengang der Testsendelichtstrahlen 14 ist hinter der Linse 23 eine Blende 24 angeordnet, welche die innerhalb des Gehäuses 2 reflektierten Stör­ lichtstrahlen ausblendet. Die Blendenöffnung ist kreisförmig ausgebildet. Die Blende 24 ist an der Innenwand des Sockels 19 angeordnet und rotiert mit diesem mit.

Durch die Drehbewegung der Ablenkeinheit 5 wird das gesamte Austrittsfenster 6 mit den Testsendelichtstrahlen 14 abgetastet. Für jede Winkelposition inner­ halb des Winkelbereichs Ω wird die Lichtmenge der vom Austrittsfenster 6 re­ flektierten Testempfangslichtstrahlen 17 registriert. Die Bewertung der Licht­ menge erfolgt mittels eines Schwellwerts, mit dem das am Ausgang des Emp­ fangselements 21 anstehende Empfangssignal verglichen wird.

Die Höhe des Schwellwerts ist so gewählt, daß bei unterhalb des Schwellwerts liegendem Empfangssignal die Verschmutzung des Austrittsfensters 6 so groß ist, daß die Detektionssicherheit bei der Erkennung von Gegenständen einen vorgegebenen Mindestwert nicht mehr erreicht. Diese Auswertung erfolgt in der zentralen Auswerteeinheit, an welche das Sende- 13 und Empfangselement 21 des Reflexionslichttasters angeschlossen sind. Zweckmäßigerweise ist der Schwellwert so bemessen, daß bei dem dem Schwellwert entsprechenden Emp­ fangssignal ein sehr dunkler Gegenstand in einer vorgegebenen, den Über­ wachungsbereich in radialer Richtung begrenzenden Maximaldistanz gerade noch mit der erforderlichen Detektionssicherheit erfaßt werden kann.

Liegt das Empfangssignal unterhalb des Schwellwerts, so erfolgt eine die Ver­ schmutzung signalisierende Signalabgabe, welche zweckmäßigerweise die gesamte Vorrichtung 1 außer Betrieb setzt.

Prinzipiell kann die Signalabgabe derart erfolgen, daß außer der Warnmeldung auch eine zusätzliche Meldung erfolgt, in welchem Winkelbereich die Ver­ schmutzung vorliegt. Anhand dieser Meldung kann die Verschmutzung auf ein­ fache Weise vom Bedienpersonal lokalisiert werden.

Aufgrund von Alterungen von Bauelementen oder ähnlichen internen oder externen Störeinflüssen kann sich die Lage des Schwellwerts im Laufe der Zeit verändern. Ebenso kann die Sendeleistung des Sendeelements 13 des Refle­ xionslichtstasters driften. Um diese Langzeitdrift zu kompensieren ist an der dem Austrittsfenster 6 gegenüberliegenden Innenseite des Gehäuses 2 ein Referenzobjekt 25 angeordnet, auf welches die Testsendelichtstrahlen 14 geführt sind. Das Referenzobjekt 25 besteht vorzugsweise aus alterungsbeständigem Kunststoff. Die Ausdehnung des Referenzobjekts 25 in vertikaler Richtung ist so gewählt, daß sämtliche Testsendelichtstrahlen 14 auf das Referenzobjekt 25 geführt sind. Die Ausdehnung des Referenzobjekts 25 in Umfangsrichtung ist an die geforderte Meßzeit angepaßt. Mit Hilfe der Referenzmessung wird die Lage des Schwellwerts geeicht. Zudem kann das Referenzobjekt 25 auch zur Eichung der Distanzmessung mittels des Distanzsensors verwendet werden. Die jeweilige Sollwertvergabe für die bei der Referenzmessung generierten Emp­ fangssignale erfolgt zentral über die Auswerteeinheit.

Claims (15)

1. Optoelektronische Vorrichtung (1) zum Erfassen von Gegenständen in einem Überwachungsbereich mittels von einem in einem Gehäuse (2) in­ tegrierten, Sendelichtstrahlen (4) emittierenden ersten Sendeelement (3), wobei die Sendelichtstrahlen (4) über eine Ablenkeinheit (5) innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs Ω periodisch abgelenkt sind, durch ein Austrittsfenster (6) aus dem Gehäuse (2) geführt sind, und den Über­ wachungsbereich überstreichen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kon­ trolle der Verschmutzung des Austrittsfensters (6) von einem zweiten Sendeelement (13) Testsendelichtstrahlen (14) emittiert werden und über die Ablenkeinheit (5) auf das Austrittsfenster (6) geführt sind, wobei die Testsendelichtstrahlen (14) durch Mittel zur Strahlaufweitung aufgeweitet sind, so daß diese sich über die gesamte Ausdehnung des Austrittsfensters (6) quer zur Ablenkrichtung erstrecken, und daß die von dem Austritts­ fenster (6) reflektierte Lichtmenge der Testsendelichtstrahlen (14) als Maß für die Verschmutzung des Austrittsfensters (6) ausgewertet wird.

2. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelbereich Ω, über welchen sich der Überwachungsbereich und das Austrittsfenster (6) erstrecken, im Bereich von 90° < Ω < 180° liegt.

3. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelbereich Ω = 180° beträgt.

4. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlachse der über die Ablenkeinheit (5) abge­ lenkten Sendelichtstrahlen (4) in einer horizontalen Ebene senkrecht zur Drehachse D der Ablenkeinheit (5) liegt.

5. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der Gegenstände im Überwachungsbe­ reich erfaßt wird, indem mittels eines Winkelgebers die aktuelle Win­ kelposition der Ablenkeinheit (5) bestimmt wird und das Sendeelement (7) mit einem diesem zugeordneten Empfangselement (7) als Distanzsensor ausgebildet ist, welcher die Distanz von Gegenständen zur optoelektroni­ schen Vorrichtung (1) ermittelt.

6. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzmessung nach dem Prinzip der Laufzeitmethode erfolgt.

7. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die vom Sendeelement (3) emittierten Sendelichtstrahlen (4) und die auf das Empfangselement (7) auftreffenden Empfangslichtstrahlen (12) koaxial geführt sind, wobei die Sendelichtstrahlen (4) das Austritts­ fenster (6) in dessen Zentrum und die Empfangslichtstrahlen (12) das Austrittsfenster (6) in dessen Randbereichen durchdringen.

8. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheit (5) einen beidseitig verspiegelten Drehspiegel (15) aufweist, wobei die Sendelichtstrahlen (4) und die Emp­ fangslichtstrahlen (12) auf die erste Spiegelfläche (16) des Drehspiegels (15) auftreffen und die Testsendelichtstrahlen (14) sowie die vom Austritts­ fenster (6) reflektierten Testempfangslichtstrahlen (17) auf die zweite Spiegelfläche (18) des Drehspiegels (15) auftreffen.

9. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Testsendelichtstrahlen (14) und die Testempfangs­ lichtstrahlen (17) koaxial über die Ablenkeinheit (5) geführt sind, wobei die Strahlachsen der Testsendelichtstrahlen (14) und der Testempfangs­ lichtstrahlen (17) in derselben Ebene wie die Strahlachse der Sendelicht­ strahlen (4) verlaufen.

10. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Sendeelement (13) und das diesem zuge­ ordnete zweite Empfangselement (21) einen Reflexionslichttaster bilden.

11. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß das am zweiten Empfangselement (21) anstehende Empfangssig­ nal mit einem Schwellwert bewertet wird, wobei bei unterhalb des Schwellwerts liegendem Empfangssignal eine die Verschmutzung des Austrittsfensters (6) signalisierende Signalabgabe erfolgt.

12. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß diese infolge der Signalabgabe außer Betrieb gesetzt wird.

13. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Sendeelement (13) und dem zweiten Empfangselement (21) ein teildurchlässiger Strahlteilerspiegel (22) zu­ geordnet ist, über welchen die Testsendelichtstrahlen (14) und die Test­ empfangslichtstrahlen (17) über eine gemeinsame, das Mittel zur Strahl­ aufweitung bildende Linse (23) geführt sind.

14. Optoelektronische Vorrichtung, nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß im Strahlengang der Testsendelichtstrahlen (14) und der Testemp­ fangslichtstrahlen (17) zwischen dem Drehspiegel (15) und dem teildurch­ lässigen Spiegel (22) eine Blende (24) zur Ausblendung innerhalb des Ge­ häuses (2) verlaufender Störlichtstrahlen angeordnet ist.

15. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-14, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Austrittsfenster (6) gegenüberliegenden Innenseite des Gehäuses (2) ein Referenzobjekt (25) angeordnet ist, auf welches die Testsendelichtstrahlen (14) treffen, und daß die von dem Re­ ferenzobjekt (25) zurückreflektierte Lichtmenge im zweiten Empfangsele­ ment (21) registriert und zur Eichung des Schwellwerts verwendet wird.