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Die
Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Ein
derartiger optischer Sensor ist aus der
DE 198 50 270 A1 bekannt.
Dieser Sensor bildet einen nach dem Triangulationsprinzip arbeitenden
Distanzsensor und weist einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender
sowie einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger auf.
Der Empfänger
ist von einer CCD-Zeile gebildet, die eine Linearanordnung von Empfangselementen
aufweist. Der Empfänger
liegt in einem vorgegebenen Abstand neben dem Sender. Die vom Sender
emittierten Sendelichtstrahlen werden auf ein Objekt geführt und
von dort als Empfangslichtstrahlen auf den Empfänger reflektiert. Die Lage
des Empfangslichtflecks auf der CCD-Zeile liefert ein Maß für die Distanz
des Objekts zum optischen Sensor. Zur Distanzbestimmung wird dabei
der Schwerpunkt des Empfangslichtflecks auf der CCD-Zeile ermittelt
und in einer Auswerteeinheit in einen Distanzwert umgerechnet.
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Bei
einem derartigen Auswerteverfahren ist es erforderlich, dass von
den Empfangslichtstrahlen mehrere aufeinander folgende Empfangselemente belichtet
werden. Aus den dadurch generierten Empfangssignalen an den Ausgängen der
Empfangselemente kann dann die Verteilung des Empfangslichtflecks
auf der CCD-Zeile ermittelt werden, wonach aus dieser Verteilung
die Lage des Schwerpunkts des Empfangslichtflecks auf der CCD-Zeile
als Maß für die Objektdistanz
berechnet werden kann.
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Um
einen derart verbreiterten Empfangslichtfleck auf dem Empfänger zu
erhalten, wird bei bekannten optischen Sensoren eine rotationssymmetrische
Emp fangsoptik zur Defokussierung der Empfangslichtstrahlen eingesetzt.
Typischerweise ist eine derartige Empfangsoptik von einer Plankonvexlinse
gebildet, die dem Empfänger
vorgeordnet ist. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass mit einer derartigen Empfangsoptik
ein rotationssymmetrischer Empfangslichtfleck erzeugt wird, von
welchem nur ein geringer Teil auf den Empfänger geführt wird. Da nur ein kleiner
Teil der Empfangslichtmenge auf den Empfänger auftrifft und zur Objektdetektion
genutzt werden kann, sind bei Objekten in großen Distanzen die Pegel der
Empfangssignale an den Ausgängen
der Empfangselemente nicht mehr groß genug um eine sichere Objektdetektion
zu gewährleisten.
Dies führt zu
einer unerwünschten
Begrenzung der maximalen Reichweite des optischen Sensors.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der
eingangs genannten Art so auszubilden, dass mit diesem in einem
möglichst
großen
Entfernungsbereich eine sichere und genaue Objektdetektion durchführbar ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der
erfindungsgemäße optische
Sensor dient zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich
und umfasst einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einen
Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger, bestehend aus einer zeilenförmigen Anordnung
von Empfangselementen. Dem Empfänger
ist eine Vorzugsrichtung aufweisende Empfangsoptik vorgeordnet,
mittels derer ein länglicher
Empfangslichtfleck auf dem Empfänger generiert
wird. Die Längsachse
des Empfangslichtflecks fällt
mit der Längsachse
des Empfängers
zusammen.
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Mit
der erfindungsgemäßen Empfangsoptik wird
einerseits eine Defokussierung der Empfangslichtstrahlen erzielt,
so dass mit den Empfangslichtstrahlen mehrere aufeinander folgende
Empfangselemente des Empfängers
ausgeleuchtet werden. Andererseits wird dabei durch die Vorzugsrichtung
der Empfangsoptik, die an die Orientierung der Längsachse des Empfängers angepasst,
ist ein länglicher Empfangslichtfleck
erzeugt, der nahezu vollständig auf
den zeilenförmigen
Empfänger
auftrifft. Damit wird ein hoher Anteil des Empfangslichts auf den Empfänger fokussiert,
wodurch hohe Pegel der Empfangssignale an den Ausgängen des
Empfängers
generiert werden. Dadurch können
mit dem erfindungsgemäßen optischen
Sensor auch Objekte in großen Entfernungen
sicher detektiert werden.
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Die
erfindungsgemäße Empfangsoptik
ist hierzu bevorzugt von einer Linse mit einer astigmatischen Abbildung,
insbesondere von einer toroidalen Linse, gebildet. Alternativ können zur
Erzielung der gewünschten
optischen Eigenschaften die Grenzflächen der Empfangsoptik auch
als Freiformflächen ausgebildet
sein. Zur Erzielung der gewünschten Strahlformung
der Empfangslichtstrahlen reicht somit ein einzelnes Optikelement
aus, welches zudem kostengünstig
herstellbar ist.
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Durch
die mit der Empfangsoptik erzielte Defokussierung der Empfangslichtstrahlen
in Längsrichtung
des Empfängers
ist gewährleistet,
dass unabhängig
von der Objektdistanz der Empfangslichtfleck auf dem Empfänger mehrere,
vorzugsweise wenigstens drei aufeinander folgende Empfangselemente ausleuchtet.
Die Empfangssignale dieser Empfangselemente können zu einer hochgenauen Objektdetektion,
insbesondere bei einem als Distanzsensor ausgebildeten optischen
Sensor, zu einer hochgenauen Distanzmessung verwendet werden.
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Bei
der Distanzbestimmung von Objekten wird die Lage des Empfangslichtflecks
auf dem zeilenförmigen
Empfänger
als Maß für die Objektdistanz ausgewertet.
Zur Bestimmung der Objektdistanz wird das Maximum der Verteilung
des Empfangslichtflecks oder besonders vorteilhaft der Schwerpunkt der
Verteilung des Empfangslichtflecks auf dem Empfänger bestimmt.
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Da
durch die erfindungsgemäße Empfangsoptik
ein länglicher
Empfangslichtfleck auf dem Empfänger
generiert wird, werden von diesem mehrere Empfangselemente ausgeleuchtet,
so dass deren Empfangssignale einen genauen Intensitäts-Verlauf des
Empfangslichtflecks ergeben, aus dem das Maximum oder der Schwerpunkt
der Verteilung mit hoher Genauigkeit ermittelt werden kann. Diese
Genauigkeit kann durch eine Subpixelauflösung erheblich erhöht werden.
Bei einer derartigen Subpixelauflösung werden zwischen jeweils
benachbarten Empfangselementen äquidistante
Stützstellen
definiert. Für
jede der Stützstellen
wird durch Interpolation der Empfangssignale der zwei benachbarten
Empfangselemente ein rechnerischer Empfangssignalwert bestimmt.
Durch diese Berechnung zusätzlicher
Empfangssignalwerte an den Stützstellen
kann der Intensitätsverlauf
des Empfangslichtflecks auf dem Empfänger mit hoher Genauigkeit
bestimmt werden. Entsprechend erhöht ist die Genauigkeit des
Maximums oder Schwerpunkts des Empfangslichtflecks, welcher zur
Bestimmung des Distanzwerts herangezogen wird.
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Die
Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Schematische Darstellung eines optischen Sensors.
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2:
Schematische Darstellung des Empfängers des optischen Sensors
gemäß 1 mit
einer zeilenförmigen
Anordnung von Empfangselementen und einem auf diesen auftreffenden
Empfangslichtfleck.
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3:
Verlauf der Empfangssignale an den Ausgängen der Empfangselemente des
Empfängers gemäß 2.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau eines optischen Sensors 1 zur Erfassung
von Objekten 2 in einem Überwachungsbereich. Der optische
Sensor 1 ist als Distanzsensor ausgebildet, wobei die Distanzbestimmung
von Objekten 2 nach dem Triangulationsprinzip erfolgt.
Der optische Sensor 1 ist in einem Gehäuse 3 integriert und
weist einen Sendelichtstrahlen 4 emittierenden Sender 4a und
einen Empfangslichtstrahlen 5 empfangenden Empfänger 6 auf. Der
Sender 4a ist von einer Leuchtdiode oder einer Laserdiode
gebildet. Der Empfänger 6 ist
in Form einer Empfängerzeile
ausgebildet, das heißt,
er besteht aus einer zeilenförmigen
Anordnung von Empfangselementen 6a. 2 zeigt
beispielhaft den Aufbau einer derartigen Empfängerzeile. Die Empfängerzeile
kann von einer CCD-Zeile oder einer CMOS-Zeile gebildet sein. Weiterhin
kann der Empfänger 6 aus
einer Anordnung von diskreten Empfangselementen 6a gebildet
sein. Die Empfängerzeile
gemäß 2 weist
zwölf diskrete
Empfangselemente 6a auf. Für den Fall, dass die Empfängerzeile von
einer CCD-Zeile oder einer CMOS-Zeile gebildet ist, kann diese erheblich
mehr Empfangselemente 6a aufweisen.
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Die
vom Sender 4a emittierten Sendelichtstrahlen 4 werden
durch ein Austrittsfenster 7 in der Frontwand des Gehäuses 3 in
den Überwachungsbereich
geführt.
Die auf ein Objekt 2 auftreffenden Sendelichtstrahlen 4 werden
an diesem reflektiert und gelangen als Empfangslichtstrahlen 5 zurück zum optischen
Sensor 1. Die Empfangslichtstrahlen 5 durchsetzen
dabei das Austrittsfenster 7 und werden über eine
Empfangsoptik 8 auf den Empfänger 6 geführt. Zur
Strahlformung der Sendelichtstrahlen 4 kann dem Sender 4a zudem
eine in 1 nicht dargstellte Sendeoptik
nachgeordnet sein.
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Der
Sender 4a und der Empfänger 6 sind
an eine Auswerteeinheit 9 angeschlossen, die von einem
Mikroprozessor oder dergleichen gebildet ist. Die Auswerteeinheit 9 dient
einerseits zur Ansteuerung des Senders 4a und andererseits
zur Auswertung der an den Ausgängen 10 der
Empfangselemente 6a des Empfängers 6 anstehenden
Empfangssignalen. In der Auswerteeinheit 9 wird aus den Empfangssignalen
ein Distanzwert ermittelt, der die Distanz des Objekts 2 zum
optischen Sensor 1 angibt. Dieser Distanzwert wird über einen
Ausgang 10 ausgegeben.
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Wie
aus 1 ersichtlich, liegt der Empfänger 6 um einen definierten
Basisabstand seitlich versetzt zum Sender 4a, wobei die
Längsachse
der Empfängerzeile
senkrecht zur Strahlachse der Sendelichtstrahlen 4 verläuft. Bei
dem nach dem Triangulationsprinzip arbeitenden optischen Sensor 1 wird der
Auftreffpunkt der Empfangslichtstrahlen 5 auf dem Empfänger 6,
das heißt,
die Lage des Empfangslichtflecks auf dem Empfänger 6 als Maß für die Objektdistanz
ausgewertet.
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Die
Empfangsoptik 8, welche dem Empfänger 6 vorgeordnet
ist, ist nicht rotationssymmetrisch ausgebildet, sondern weist eine
in Längsrichtung
der Empfängerzeile
verlaufende Vorzugsrichtung auf. Dadurch erfolgt bei Durchgang der
Empfangslichtstrahlen 5 durch die Empfangsoptik 8 eine
Strahlformung derart, dass ein länglicher,
elliptischer Empfangslichtfleck 5a auf der Empfängerzeile
abgebildet wird. Die Form und Orientierung des durch die Empfangsoptik 8 gemäß 1 generierten
Empfangslichtfleck 5a auf der Empfängerzeile ist in 2 dargestellt.
Die Empfangsoptik 8 ist mit ihrer Vorzugsrichtung in Bezug
auf den Empfänger 6 so
ausgerichtet, dass ein schmaler, langgestreckter elliptischer Empfangslichtfleck 5a entsteht,
dessen Längsachse mit
der Längsachse
der Empfängerzeile
zusammenfällt.
Wie aus 2 ersichtlich, wird durch die
Strahlformung mit der Empfangsoptik 8 erreicht, dass nahezu
die gesamte Empfangslichtmenge auf den Empfänger 6 geführt wird.
Dabei wirkt die Empfangsoptik 8 defokussierend, so dass
mit den Empfangslichtstrahlen 5 nicht nur ein Empfangselement 6a, sondern
mehrere Empfangselemente 6a belichtet werden. Bei der Ausführungsform
gemäß 2 werden
insgesamt vier Empfangselemente 6a der Empfängerzeile
mit dem Empfangslichtfleck 5a belichtet. Insbesondere bei
Empfängern 6,
die als CCD-Zeilen oder CMOS-Zeilen ausgebildet sind, kann mit dem Empfangslichtfleck 5a auch
eine größere Anzahl
von Empfangselementen 6a ausgeleuchtet werden.
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Die
Empfangsoptik 8 ist bevorzugt von einer Linse mit einer
astigmatischen Abbildung gebildet. Insbesondere kann die Empfangsoptik 8 von
einer toroida len Linse gebildet sein. Derartige Linsen weisen allgemein
einen rotationssymmetrischen sowie einen zylindrischen Anteil auf.
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Zur
Bestimmung der Objektdistanz wird die Lage des Empfangslichtflecks 5a auf
der Empfängerzeile
ausgewertet. Im vorliegenden Fall wird als Maß für die Objektdistanz der Schwerpunkt
des Empfangslichtflecks 5a auf der Empfängerzeile bestimmt.
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Die
Lagebestimmung des Empfangslichtflecks 5a ist in 3 veranschaulicht.
Dort sind schematisch die Amplituden der Empfangssignale an den Ausgängen der
zwölf Empfangselemente 6a für den in 2 dargestellten
Empfangslichtflecke auf der Empfängerzeile
aufgetragen. Die Amplitudenwerte an den einzelnen Empfangselementen 6a sind
mit Rechtecken in 3 eingetragen. Je stärker ein Empfangselement 6a von
dem Empfangslichtfleck 5a belichtet ist, desto größer ist
dessen Empfangssignal. Demzufolge werden an den Empfangselementen 9 und 10 die
höchsten
Empfangssignale erhalten, da dort das Zentrum des Empfangslichtflecks 5a liegt. Dabei
ist das Empfangssignal des zehnten Empfangselements 6a geringfügig höher als
das Empfangselement 6a des neunten Empfangselements 6a.
Die Empfangssignale des achten und elften Empfangselements 6a weisen
niedrige Werte auf, da diese im Randbereich des Empfangslichtflecks 5a liegen.
Dabei ist das Empfangssignal des elften Empfangselements 6a höher als
das Empfangssignal des achten Empfangselements 6a. Die
restlichen Empfangselemente 6a sind nicht belichtet, so
dass deren Empfangssignale zumindest näherungsweise den Amplitudenwert
null annehmen.
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Zur
genauen Bestimmung des Schwerpunkts der Verteilung der durch den
Empfangslichtfleck 5a generierten Empfangssignale wird
eine Subpixelauswertung durchgeführt.
In 3 ist die einfachste Form einer Subpixelauswertung
schematisch dargestellt.
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Jeweils
zwischen zwei benachbarten Empfangselementen 6a wird eine
Stützstelle
definiert, die im vorliegenden Fall exakt zwischen den benachbarten
Empfangselementen 6a liegt. Jeder Stützstelle wird durch Interpolation
der Werte der Empfangssignale der benachbarten Empfangselemente 6a ein rechnerischer
Empfangssignalwert zugewiesen. Die rechnerischen Empfangssignale
für die
einzelnen Stützstellen
sind in 3 mit Punkten eingetragen. Der
jeweilige Empfangssignalwert an einer Stützstelle entspricht dem arithmetischen
Mittelwert der Empfangssignale der angrenzenden Empfangselemente 6a.
Bei komplexen Subpixelauswertungen kann eine höhere Anzahl von Stützstellen
vorgesehen sein. Weiterhin kann der Empfangssignalverlauf durch Ausgleichsfunktionen
angenähert
werden. Generell wird durch die Subpixelauswertung ein detaillierter Verlauf
der Empfangssignale erhalten, der eine genauere Berechnung des Schwerpunkts
des Empfangslichtflecks 5a ermöglicht. Im vorliegenden Fall liefert
diese Berechnung das Ergebnis, dass der Schwerpunkt des Empfangslichtflecks 5a zwischen dem
neunten und zehnten Empfangselement 6a liegt. Ohne eine
derartige Subpixelauflösung
hätte die
Auswertung ergeben, dass die Lage des Zentrums des Empfangslichtflecks 5a beim
zehnten Empfangselement 6a liegt, welches den höchsten Empfangssignalwert
liefert.
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- 1
- Optischer
Sensor
- 2
- Objekt
- 3
- Gehäuse
- 4
- Sendelichtstrahlen
- 4a
- Sender
- 5
- Empfangslichtstrahlen
- 5a
- Empfangslichtfleck
- 6
- Empfänger
- 6a
- Empfangselement
- 7
- Austrittsfenster
- 8
- Empfangsoptik
- 9
- Auswerteeinheit
- 10
- Ausgang