-
Die
Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung, insbesondere
einen Lichtschnittsensor, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
-
Zur
Ausleuchtung eines zu überwachenden Bereiches
ist in optoelektronischen Sensoren häufig eine eigene Beleuchtung
vorgesehen. So beinhalten Lichtschnittsensoren üblicherweise eine Laserlichtquelle,
welche im Objektbereich ein Linienmuster erzeugt. Der Lichtschnittsensor
enthält
einen Lichtempfänger,
beispielsweise einen Bildaufnahmechip, mit dessen Hilfe er Verzerrungen
der Linienbeleuchtung im Objektbereich beobachtet und daraus die
Objektkonturen zurückrechnet.
-
Um
eine optimale Messempfindlichkeit und Erkennungssicherheit zu garantieren,
sollte die Bestrahlungsstärke
auf dem Objekt, also die Energie des Linienmusters, so hoch wie
möglich
sein. Die Leistung der Lichtquelle wird aber durch Laserschutzanforderungen
begrenzt, etwa durch die Norm DIN EN 60825. Häufig wird eine Laserklasse
1 gefordert, also eine Leistung, welche auch bei dauerhafter Aussetzung
nicht zu einer Schädigung
führt.
Um die Schutzanforderungen zu erfüllen, muss auch der schlechteste
Fall unter Extrembedingungen und ungeschicktester Bedienung berücksichtigt
werden.
-
Um
das Linienmuster zu erzeugen, wird herkömmlich eine sogenannte Laserlinienquelle
verwendet, welch ein Lichtband ausstrahlt. Diese Laserlinienquelle
besteht aus einem Laser beziehungsweise einer Laserdiode, welche
zuerst kollimiert und dann in einer Raumrichtung, nämlich der
Ausdehnung der Linie, divergiert oder aufgeweitet wird.
-
Diese
Laserlinienquelle befindet sich üblicherweise
nahe an einem Austrittsfenster oder einer Frontscheibe des Gehäuses des
Sensors. Eine Person ist nicht gehindert, ihr Auge beliebig nahe
an die Frontscheibe heranzubewegen. Dadurch kann, wie in 5 illustriert,
die gesamte Strahlungsleistung in dem für die Laserschutzanforderungen
zur berücksichtigenden
schlechtesten Fall durch die Pupille vollständig ins Auge gelangen. Die
Leistung des Lasers ist deshalb darauf abzustimmen, dass auch die maximale
Leistung die Netzhaut nicht schädigen kann,
und dadurch werden der maximalen Ausgangsleistung der Laserlinie
enge Grenzen gesetzt. Da andererseits eine möglichst hohe Leistung für eine gute
Erkennungscharakteristik des Sensors erforderlich ist, begrenzen
somit die Laserschutzanforderungen die Messgenauigkeit des Sensors.
-
Im
Stand der Technik sind Sensoren bekannt, bei denen ein kollimierter
Lichtstrahl beim Austritt aus dem Sensor einen gewissen Raumwinkelbereich überstreicht.
Dieser Lichtstrahl bildet einen im Wesentlichen kreisrunden Lichtfleck.
Da der Strahl eigens kollimiert wird, etwa um ein kooperatives Ziel zu
treffen oder von einem gegenüberliegenden
Sensor empfangen werden zu können,
wird hierbei immer die Gesamtleistung des Strahls auf die gewünschte Laserschutzklasse
abgestimmt, so dass diese Gesamtleistung begrenzt ist.
-
Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, unter Berücksichtigung der Laserschutzanforderungen eine
möglichst
hohe Ausgangsleistung der Beleuchtung für einen Sensor der oben beschriebenen
Art bereitzustellen.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Indem
entweder der Lichtquellpunkt weit genug von der Frontscheibe beabstandet
wird oder das Lichtbündel
genügend
aufgeweitet wird oder beides, kann der in 5 dargestellte
schlimmste Fall nicht mehr eintreten, weil die Pupille selbst dann,
wenn sie die Frontscheibe berührt, nur
noch einen Teil des Lichts der Lichtquelle aufnimmt. Somit ist eine
Schädigung
der Netzhaut auch dann ausgeschlossen, wenn der Laser eine höhere maximale
Leistung hat, weil immer nur ein Ausschnitt der Beleuchtung das
Auge treffen kann. Eine höhere Leistung
der Beleuchtung schafft einen höheren
Kontrast im Beobachtungsbereich und ermöglicht somit eine bessere Erkennungsleistung
der optoelektronischen Vorrichtung beziehungsweise des Lichtschnittsensors.
-
Die
Erfindung geht somit von dem Grundgedanken aus, den Lichtquellpunkt
weit genug ins Innere des Sensors zu verlegen, so dass immer nur
ein Teil der Ausgangsleistung das Auge eines Betrachters treffen
kann. Dabei ist mit Lichtquellpunkt entweder die Lichtquelle selbst
gemeint, also beispielsweise die Laserdiode, sofern sie nämlich direkt
auf die Frontscheibe strahlt. Genauso ist mit Lichtquellpunkt aber
auch der virtuelle Quellpunkt gemeint, in dem sich das effektiv
durch die Frontscheibe gestrahlte Lichtbündel innerhalb des Sensors
trifft. Dieser virtuelle Lichtquellpunkt kann also auch ein optisches
Element wie ein Spiegel, durchaus aber auch ein lediglich optisch
beziehungsweise geometrisch zu bestimmender Punkt sein, in dem sich
physikalisch gar keine Elemente des Sensors befinden.
-
Bevorzugt
ist die Beleuchtungseinrichtung eine Linienbeleuchtung für eine oder
mehrere parallele Linien. Ein solches Muster eignet sich in seiner Ausdehnung
längs der
Linien für
die erfindungsgemäße Möglichkeit
der Leistungserhöhung,
weil das Auge nur von einem Teil der Linien getroffen werden kann,
und es ermöglicht
einem Lichtschnittsensor auf einfache Weise anhand der Verzerrungen
der Linien die Objektkonturen aufzulösen.
-
Vorteilhafterweise
weist die Lichtquelle eine Laserdiode auf. Diese Laserdiode ist
nicht nur eine gute Quelle für
kohärentes
Licht, welche genügend Leistung
für ein
kontraststarkes Bild in den Überwachungsbereich
abgeben kann, gerade für
eine derartige Lichtquelle zeigt die Erfindung ihre Vorteile besonders
stark, weil Laserlicht die Augen in größerem Maße schädigen kann, als andere Arten
von Licht.
-
Bevorzugt
ist die Breite der Frontscheibe längs der Aufweitungsachse und
somit die Breite des Beleuchtungsmusters bei Austritt aus dem Gehäuse zumindest
größer 7 mm
und somit größer der
maximalen Öffnung
der Pupille eines Auges, insbesondere doppelt so groß, so dass
das Auge deutlich überstrahlt
wird. Bei weitem am anfälligsten
gegenüber Laserlicht
ist die Netzhaut des Auges, und die dort auftreffende Lichtleistung
hängt von
der Größe der Pupille
ab, welche zwischen 2 mm bei direkter Sonneneinstrahlung und maximal
7 mm bei auf Dunkelheit eingestelltem Auge variieren kann. Somit
stellt die maximale Größe der Pupille
eine geeignete Referenz dar. Wenn eine Beleuchtungslinie schon bei Austritt
aus der Frontscheibe zumindest die doppelte Größe einer Pupille hat, so kann
allenfalls die halbe Leistung die Netzhaut treffen. In Weiterbildung
dieses Merkmals skaliert die mögliche
maximale Leistung ohne Verletzung der Laserschutzklasse direkt proportional
mit dem Faktor, den die Lichtlinie beim Verlassen der Frontscheibe
die maximale Größe der Pupille übertrifft.
-
Bevorzugt
ist das Gehäuse
so ausgebildet, dass die Breite der Frontscheibe längs der
Aufweitungsachse maximal groß ist,
insbesondere einen dreieckigen Querschnitt aufweist, dessen längste Seite
die Frontscheibe bildet. Eine solche Frontscheibe ermöglicht kleine
Baugrößen des
Sensors bei möglichst
großem
Austrittbereich für
das Licht und somit erneut die Möglichkeit,
für eine
besonders große
Maximalleistung des Lichts.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Aufweitungseinrichtung ein refraktives optisches Element,
insbesondere eine Zylinderlinse, ein diffraktives optisches Element
oder ein reflektives optisches Element, insbesondere ein Spiegel.
Mit solchen optischen Elementen kann der virtuelle Lichtquellpunkt nahezu
unabhängig
von der eigentlichen Lichtquelle angeordnet werden. Ebenso kann
sowohl das gewünschte
Beleuchtungsmuster, beispielsweise eine oder mehrere parallele Linien,
wie auch der gewünschte
Austrittswinkel eingestellt werden.
-
Vorteilhafterweise
ist die Bedingung, dass das Licht in der Aufweitungsachse im Wesentlichen über die
gesamte Breite der Frontscheibe aus dem Gehäuse austritt, durch Beabstanden
des Lichtquellpunkts gegenüber
der Frontscheibe erfüllt,
indem die Lichtquelle in dem Gehäuse
zur Lichtabstrahlung durch die Frontscheibe über einen Spiegel angeordnet
ist, insbesondere einen Faltungsspiegel oder einen gekrümmten Spiegel,
der zugleich die Aufweitungseinrichtung ist. Damit kann die Anordnung
von Lichtquelle und optischen Elementen innerhalb des Gehäuses variiert
werden und gleichzeitig der erfindungsgemäße Vorteil einer erhöhten möglichen
Maximalleistung der Beleuchtung verwirklicht werden.
-
Alternativ
ist die Bedingung, dass das Licht in der Aufweitungsachse im Wesentlichen über die
gesamte Breite der Frontscheibe aus dem Gehäuse austritt, durch Beabstanden
der Lichtquelle selbst gegenüber
der Frontscheibe erfüllt.
Dies ist eine einfachere Anordnung, welche ohne zusätzliche
optische Elemente auskommt, zugleich aber eine besondere Lage der
Lichtquelle erfordert, die mit anderen Elementen des Lichtschnitt sensors
in Einklang gebracht werden muss. Je nach Anwendung kann die Einfachheit
des Aufbaus aber von Vorteil sein.
-
Bevorzugt
ist im Strahlengang zwischen Lichtquelle und Aufweitungseinrichtung
ein optisches Element, insbesondere eine Linse, zur Kollimation des
Lichts vorgesehen. Der Laserstrahl wird also zunächst gebündelt, so dass eine gesamte
Leistung ausgenutzt werden kann, und trifft dann gezielt auf die
Aufweitungseinrichtung. Somit kann zum einen der Strahlengang innerhalb
des Sensors zwischen Lichtquelle und Aufweitungseinrichtung gesteuert werden,
zum anderen die volle Leistung der Lichtquelle für das aufgeweitete, nach außen gestrahlte Lichtbündel ausgenutzt
werden.
-
Vorteilhafterweise
erzeugt die Aufweitungseinrichtung längs der Aufweitungsachse einen
Beleuchtungswinkel von über
45°. Ein
solcher größerer Beleuchtungswinkel
sorgt, ähnlich
wie der Abstand des virtuellen Lichtquellpunkts, für eine genügende Ausdehnung
des Beleuchtungsmusters beim Austritt aus dem Sensor.
-
Bevorzugt
ist ein Lichtempfänger,
insbesondere ein Matrix- oder Zeilen-Bildsensor sowie eine Auswertungseinrichtung
vorgesehen, welche dafür ausgebildet
ist, Objektkonturen aus Verzerrungen der Beleuchtungslinien zu ermitteln.
Mit dieser Funktionsrealität
eines Lichtschnittsensors spielt die Erfindung ihre Vorteile eines
besonders kontraststarken, durch die höhere mögliche Maximalleistung noch verstärkten Kontrastmusters
für die
Bestimmung von Objektkonturen aus.
-
Die
Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und
Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen
erläutert.
Die Figuren der Zeichnung zeigen in:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors als
Lichtschnittsensor in der Draufsicht;
-
2 eine
Draufsicht auf Gehäuse,
Frontscheibe und Beleuchtungseinrichtung einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Sensors;
-
3 eine
Draufsicht auf Gehäuse,
Frontscheibe und Beleuchtungseinrichtung einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Sensors;
-
4 eine
Draufsicht auf Gehäuse,
Frontscheibe und Beleuchtungseinrichtung einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Sensors;
-
5 eine
Draufsicht auf Gehäuse,
Frontscheibe und Beleuchtungseinrichtung nach dem Stand der Technik
zur Erläuterung
des dort bestehenden Problems mit der Laserschutzklasse.
-
1 zeigt
in Draufsicht eine erste Ausführungsformen
eines erfindungsgemäßen Sensors 10. In
einem Gehäuse 12 mit
einer Frontscheibe 14 ist eine Beleuchtungseinrichtung 16 vorgesehen,
welche eine Lichtquelle 18 und ein vorgeschaltetes optisches
Element 20 aufweist, dargestellt als Zylinderlinse. Das
Licht der Lichtquelle 18, bevorzugt eine Laserdiode, wird
von der Zylinderlinse 20 in einer Achse fokussiert (in
der Zeichnung auf die Papierebene) und in einer Aufweitungsachse
aufgeweitet. Anschließend
tritt das Licht durch die Frontscheibe 14 in den Überwachungsbereich 22,
und zwar als Beleuchtungslinie unter Ausnutzung der vollen Breite der
Frontscheibe 14. Damit wird, wie auch noch im Zusammenhang
mit den weiteren Figuren zu erläutern
sein wird, die lokale Lichtleistung bei Austritt aus dem Sensor 10 begrenzt,
um Laserschutzklassen zu erfüllen.
-
Im Überwachungsbereich 22 trifft
die Beleuchtungslinie auf einen Hintergrund 24 und Objekte,
die stellvertretend durch ein würfelförmiges Objekt 26 angedeutet
sind. Hintergrund 24 kann eine Wand sein, alternativ kann
der Überwachungsbereich
aber auch offen sein, so dass sich Licht der Beleuchtung in der
Entfernung verliert. Das Beleuchtungsmuster, im dargestellten Fall
also eine Linie 28a, 28b, 28c, wird durch
das Objekt 26 verzerrt. Ein Bildsensor 30, beispielsweise
ein Aufnahmechip in CCD- oder CMOS-Technik, nimmt ein Bild des Überwachungsbereichs 22 und
der Beleuchtungslinie 28 auf und leitet pixelaufgelöste Bilddaten
an eine Steuerung oder Auswertungseinheit 32 weiter. Diese
Auswertungseinheit 32 kann anhand der verzerrten, hier
gebrochenen Beleuchtungslinie 28 das Objekt 26 und
anhand der Form der Verzerrung mittels eines Lichtschnittverfahrens
auch eine Konturlinie des Objektes 26 bestimmen.
-
Damit
erhält
der Sensor 10 Informationen über die räumliche Anordnung von Objekten 26 im Überwachungsbereich 22.
-
Die
Ausgangsleistung der Laserdiode 18 muss zur Erfüllung von
Laserschutzbestimmungen so ausgelegt sein, dass auch ein Auge in
der ungünstigsten
Position nicht mehr Licht auffangen kann, als für die Netzhaut unschädlich ist.
Aus diesem Grund tritt die Beleuchtungslinie in voller Breite durch
die Frontscheibe 14, so dass die Pupille, welche nur einen
Teil der Frontscheibe 14 abdecken kann, auch nur einen
entsprechenden Teil der Laserleistung durchlassen kann.
-
Dies
wird anhand der schematischen 2 mit einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung und der 5, welche einen Stand der Technik
darstellt, nunmehr noch genauer erklärt. Dabei sind nicht alle Elemente
des Sensors 10 eingezeichnet, es fehlt etwa die Steuerung
oder strahlformende Elemente zur Kollimation und zur Aufweitung,
wobei die Aufweitungsachse hier parallel zur Frontscheibe 14 liegt. Soweit
Merkmale eingezeichnet sind, sind sie mit denselben Bezugszeichen
bezeichnet, wie in 1.
-
Das
Gehäuse 12 des
Sensors ist in der Draufsicht der 2, also
in seinem Querschnitt, dreieckig. Die Frontscheibe 14 ist
in der längsten
Seite dieses Dreiecks angeordnet, so dass sie eine möglichst
große
Austrittsfläche
bietet. Wie in der Darstellung des Standes der Technik in 5 zu
sehen, wird herkömmlich
die Beleuchtung 18 in der Nähe der Frontscheibe 14 angeordnet.
Dann kann die Pupille 34 des Auges eines Benutzers das
gesamte ausgesandte Lichtband 36 aufnehmen. Somit kann
im Extremfall die gesamte Ausgangsleistung der Laserdiode 18 auf
die Netzhaut einer Person treffenden und diese schädigen.
-
Erfindungsgemäß ist dagegen
die Laserdiode 18 zu der Frontscheibe 14 beabstandet
angeordnet, so dass das Lichtband 36 die Pupille 34 deutlich überstrahlt
und nur ein kleiner Teil der Beleuchtungslinie auf der Netzhaut
abgebildet werden kann. Sofern die Beleuchtung, wie dargestellt,
eine Linie ist, kann der das Auge treffende Anteil der Ausgangsleistung
gegenüber
der Gesamtleistung unmittelbar als die Beziehung des Durchmessers
der Pupille 38 zur Ausdehnung 40 der Frontscheibe 14 angegeben werden.
Um diesen Faktor kann also die maximale Ausgangsleistung der Laserdiode 18 höher angesetzt
werden. Wenn das Beleuchtungsmuster keine Linie ist, sondern allgemein
ein in Richtung der maximalen Breite der Frontscheibe 14 gedehntes
Lichtbündel,
ist die Beziehung nicht ganz so einfach, das Prinzip der möglichen
Erhöhung
der Laserleistung wird dadurch aber nicht verändert.
-
Gemäß der Ausführungsform,
die in 2 dargestellt ist, wird das Überstrahlen des Auges allein
durch einen Abstand der Laserdiode 18 von der Frontscheibe 14 erreicht.
Dies kann aber auch durch das Zusammenspiel der Aufweitung der Lichtquelle einerseits
und dieser Beabstandung andererseits erreicht werden. Dabei kommt
es nicht auf die Lage der Lichtquelle selbst an, sondern auf den
sogenannten virtuellen Lichtquellpunkt, welcher letztlich ein mathematisches
Konstrukt ist und dem gedachten Punkt entspricht, in dem sich das
austretende Lichtbündel vereinigen
würde.
Dieser virtuelle Lichtquellpunkt kann mit der Laserbeleuchtung 18 selbst,
aber auch mit einem optischen Elemente zusammenfallen oder irgendwo
im Raum liegen.
-
Zwei
weitere Beispiele, mit denen der Erfindungsgedanke umgesetzt werden
kann, sind in den 3 und 4 dargestellt.
Bei der Ausführungsform
gemäß 3 ist
die Laserdiode relativ nah bei der Frontscheibe 14 angeordnet,
ein direktes Abstrahlen von Laserlicht durch die Frontscheibe wird aber
durch eine Abschirmung 42 verhindert. Stattdessen gelangt
das Licht der Laserdiode 18 zunächst ins Sensorinnere und dort
auf einen Spiegel 44, etwa einen Faltungsspiegel oder einen
gekrümmten
Spiegel, der das Lichtbündel
in der gewünschten
Achse aufgeweitet nach außen
sendet. Dabei spielt hier und auch in allen anderen Darstellungen
entweder die Ausdehnung der Lichtquelle 18 gegenüber der
Ausdehnung des Lichtbands 36 insgesamt keine Rolle, oder
die Lichtquelle ist von dem Spiegel in der dritten Dimension senkrecht
zur Papierebene getrennt, so dass die Lichtquelle 18 dem
aus- und eintretenden Licht durch die Frontscheibe 14 nicht
im Wege steht. Im Ausführungsbeispiel
gemäß 3 ist
also der Spiegel 44 zugleich die Aufweitungseinrichtung
und der virtuelle Lichtquellpunkt.
-
Bei
einer Ausführungsform
gemäß 4 ist die
Lichtquelle 18 maximal von der Frontscheibe 14 beabstandet,
wird aber zunächst
von einer Linse 46 kollimiert und dann von einem diffraktiven
optischen Element 48 in Richtung der Aufweitungsachse aufgeweitet.
Auf diese Weise kann das Gehäuseinnere
teilweise von Licht freigehalten werden, um dort andere Elemente
anzuordnen. Die in den 2 bis 4 gezeigten
optischen Elemente können
auch in anderer als der dargestellten Weise kombiniert werden, um
den Erfindungsgedanken zu verwirklichen, dass das Lichtband 36 die
Frontscheibe 14 mit möglichst großer Breite
verlässt.
-
Durch
Zurücksetzen
des virtuellen Lichtquellpunkts wird also erfindungsgemäß bewirkt,
dass die Pupille des Auges stark überstrahlt wird, selbst wenn
sich das Auge direkt vor dem Austrittsfenster oder der Frontscheibe 14 befindet.
Damit kann unter Einhaltung der Laserschutzbestimmungen eine vielfach
höhere
Laserleistung für
die Beleuchtung verwendet werden, damit der Kontrast im Überwachungsbereich 22 und
somit die Erkennungsgenauigkeit des Sensors 10 deutlich
erhöht
werden kann.