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Die
Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Derartige
optische Sensoren bilden nach dem Triangulationsprinzip arbeitende
Distanzsensoren. Im einfachsten Fall weist ein derartiger optischer Sensor
einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einen in einem
Basisabstand zu diesem angeordneten ortsauflösenden Empfänger auf, der insbesondere
aus einer zeilenförmigen
Anordnung von Empfangselementen bestimmt ist. Die von dem Sender
emittierten Sendelichtstrahlen werden von einem zu detektierenden
Objekt als Empfangslichtstrahlen zurückreflektiert und auf den Empfänger geführt. Die Lage
des dadurch generierten Lichtflecks auf dem Empfangselement liefert
ein Maß für die Distanz
des Objekts vom optischen Sensor. Die entsprechende Auswertung der
Empfangssignale erfolgt in der Auswerteeinheit, in welcher aus diesen
Empfangssignalen ein Distanzwert berechnet wird, der dann als Ausgangssignal
des optischen Sensors ausgegeben wird.
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Bei
Objekten mit strukturierten Oberflächen in Form von Erhebungen
und Vertiefungen können bei
der Detektion mit dem optischen Sensor Schattenbildungen auftreten,
die zu Messfehlern führen. Derartige
Schattenbildungen führen
nämlich
zu Verschiebungen oder Verformungen des Lichtflecks auf dem Empfänger, wodurch
eine entsprechende Verfälschung
der zu bestimmenden Distanzwerte auftritt. Messwertverfälschungen
können
auch dann auftreten, wenn Objekte Oberflächen mit unterschiedlichen Reflektivitäten aufweisen.
Beispiele hierfür
sind sehr helle und dunkle Oberflächenbereiche oder Oberflächenbereiche,
die das auftreffende Licht diffus oder gerichtet reflektieren.
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Prinzipiell
könnte
der optische Sensor dahingehend erweitert werden, dass dieser mehrere
Sender aufweist, so dass dann ein Objekt mit den Sendelichtstrahlen
der Sender aus unterschiedlichen Blinkwinkeln detektiert werden
kann. Jedoch führt
dies dazu, dass mit den Sendern oftmals unterschiedliche Oberflächenbereiche
eines Objekts beleuchtet werden. Variieren diese Oberflächenbereiche
stark, sind die mit den einzelnen Sendern erhaltenen Messwerte stark
unterschiedlich und nicht oder nur schwer vergleichbar, was wiederum
zu Messfehlern führen kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor der
eingangs genannten Art so auszubilden, dass mit diesem Objekte mit
unterschiedlichen Oberflächenstrukturen
sicher erfasst werden können.
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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 erfasst nach dem Triangulationsprinzip Distanzen von Objekten
und umfasst einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und wenigstens
einen Empfangslichtstrahlen empfangenden, ortauflösenden Empfänger sowie
eine Auswerteeinheit zur Auswertung von Empfangssignalen des Empfängers. Dem
wenigstens einen ortsauflösenden
Empfänger
werden wenigstens zwei Optikelemente vorgeordnet, wobei durch die
die Optikelemente durchsetzenden, von einem Objekt zurückreflektierten
Empfangslichtstrahlen auf dem ortauflösenden Empfänger wenigstens zwei Lichtflecke
generiert werden. Die durch die Lichtflecke erzeugten Empfangssignale
des ortauflösenden
Empfängers
werden in der Auswerteeinheit verglichen.
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Der
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass trotz der Detektion
eines Objekts mit nur einem Sender mehrere Lichtflecke auf dem wenigstens
einen ortsauflösenden
Empfänger
generiert werden und zur Objektdetektion in der Auswerteeinheit
ausgewertet werden können.
Hierzu werden mehrere Optikelemente eingesetzt die die als Empfangslichtstrahlen
vom Objekt zurückreflektierten Sendelichtstrahlen
in mehrere Teilstrahlen aufspalten und als Lichtflecke auf unterschiedliche,
aber definiert distanzabhängige
Positionen des oder eines ortsauflösenden Empfängers projizieren.
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Die
bei einer Objektdetektion erhaltenen Lichtflecke stellen eine diversitäre, redundante
Information, insbesondere ortsabhängige Information über das
Objekt dar. Durch den Vergleich dieser Informationen in der Auswerteeinheit
wird die Detektionssicherheit des optischen Sensors erheblich erhöht. Ein
wesentlicher Aspekt besteht dabei darin, dass die unterschiedlichen
Lichtflecke von einer Objektdetektion mit den Sendelichtstrahlen
des Senders stammen, das heißt
die Lichtflecke werden von einer einzigen Messung abgeleitet, was
bedeutet, dass die unterschiedlichen Lichtflecke von exakt derselben Detektion
des Objekts stammen. Die mit den unterschiedlichen Lichtflecken
generierten Empfangssignale liefern somit redundante Informationen über die Objektdetektion,
durch deren Vergleich Zusatzinformationen über die Objektbeschaffenheit
gewonnen werden können.
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Die
Auswertung erfolgt dabei vorteilhaft derart, dass in der Auswerteeinheit
die Lagen der Lichtflecke auf dem oder den ortsauflösenden Empfänger zur
Bestimmung der Distanzen von Objekten ausgewertet werden.
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Zusätzlich werden
in der Auswerteeinheit zur Ermittlung von Objektbeschaffenheiten
die Breiten, Symmetrien und Lichtintensitäten der Lichtflecke auf dem
oder den ortsauflösenden
Empfänger
ausgewertet.
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Anhand
dieser zusätzlichen
Auswertung, die durch den Vergleich der von verschiedenen Lichtflecken
stammenden Empfangssignalen erfolgt, können gezielte Informationen über die
Beschaffenheiten von Objekten gewonnen werden. So können beispielsweise
auch Objekte mit Kantenstrukturen und Vertiefungen und Erhöhungen der
Objektoberfläche sicher
erkannt werden. Weiterhin können
auch Objekte mit unterschiedlichen Oberflächenreflektivitäten sicher
erfasst werden. Insbesondere kann ermittelt werden, ob Objekte diffus
reflektierende Oberflächen aufweisen
oder ob es sich um Objekte mit glänzenden Oberflächen handelt,
welche auftreffendes Licht gerichtet reflektieren.
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Besonders
vorteilhaft werden in der Auswerteeinheit Maxima von Lichtintensitäten von
Lichtflecken auf einem ortsauflösenden
Empfänger
und/oder Minima von Lichtintensitäten zwischen Lichtflecken auf
einem ortsauflösenden
Empfänger
ausgewertet.
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Dies
bedeutet eine gegenüber
herkömmlichen
Distanzsensoren erheblich vergrößerte Variationsmöglichkeit
der Signalauswertung. Bei herkömmlichen,
mit einem Sender und einem ortsauflösenden Empfänger arbeitenden optischen
Sensoren, wird bei einer Objektdetektion stets nur ein Lichtfleck
auf dem ortsauflösenden
Empfänger
generiert. Demzufolge kann zur Objektdetektion nur dieser Lichtfleck,
vorzugsweise die Lage des Schwerpunkts auf dem ortsauflösenden Empfänger, ausgewertet
werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen optischen
Sensor können
jedoch auf einem ortsauflösenden
Empfänger
durch den Einsatz mehrerer Optikelemente mehrere Lichtflecke auf
dem ortsauflösenden
Empfänger
erzeugt werden. Demzufolge können
neben dem Maxima für
die Lichtflecke auch die Minima, das heißt die Zwischenräume zwischen
den Lichtflecken, die oft sogar weitgehend unabhängig von den Reflektivitäten der
Objektoberflächen
sind, zur Objektdetektion herangezogen werden, wodurch die Nachweisempfindlichkeit
des erfindungsgemäßen optischen Sensors
weiter erhöht
wird.
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Schließlich werden
bei einer Objektdetektion registrierte Empfangssignale mit während eines
Einlernvorgangs bestimmten Refenzwerten verglichen.
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Dadurch
kann die Nachweisempfindlichkeit des erfindungsgemäßen optischen
Sensors noch weiter erhöht
werden.
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Gemäß einer
ersten Variante weist der optische Sensor einen in Abstand zum Sender
liegenden ortauflösenden
Empfänger
auf, welchem mehrere Optikelemente vorgeordnet sind.
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Diese
Variante weist einen besonders kompakten und einfachen Aufbau auf.
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Gemäß einer
zweiten Variante weist der optischer Sensor zwei in Abstand zueinander
und jeweils in Abstand zum Sender liegende ortsauflösende Empfänger auf,
wobei jedem ortsauflösenden Empfänger wenigstens
ein Optikelement vorgeordnet ist.
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Insbesondere
sind die ortsauflösenden
Empfänger
symmetrisch zum Sender angeordnet und identisch ausgebildet.
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Mit
diesem optischen Sensor können
zwei symmetrische Signalpfade aufgebaut werden, die insbesondere
exakt dieselben Distanzinformationen bei der Objektdetektion liefern.
Durch den Vergleich der Empfangssignale beider Signalpfade können besonders
gut geometrische Objekteigenschaften wie Kantenstrukturen aufgelöst werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Optikelemente
von Linsen gebildet.
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Dabei
sind die Linsen als Einzellinsen oder Linsenelemente einer Mehrfachlinse
ausgebildet.
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Die
Linsen können
in einer kostengünstigen Ausführung aus
Pressglas oder Kunststoff bestehen.
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Die
Linsen können
identisch ausgebildet sein.
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Die
damit generierten Lichtflecke sind dann in der Auswerteeinheit unmittelbar
vergleichbar.
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Ebenso
können
die Linsen unterschiedliche Brennweiten aufweisen.
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Damit
können
unterschiedliche Entfernungsbereiche für die Objektdetektion realisiert
werden.
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In
einer einfachen und kostengünstigen
Ausführungsform
weist der oder jeder ortsauflösende Empfänger eine
zeilenförmige
Anordnung von Empfangselementen auf. Der Sender bildet eine punktförmige Lichtquelle.
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Zur
Steigerung der Ortsauflösung
weist der oder jeder ortsauflösende
Empfänger
eine matrixförmige
Anordnung von Empfangselementen auf. Der Sender bildet eine linienförmige Lichtquelle.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Erstes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen optischen
Sensors bei der Detektion eines diffus reflektierenden Objekts.
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2:
Optischer Sensor gemäß 1 bei der
Detektion eines Objekts mit Glanzanteilen.
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3:
Optischer Sensor gemäß 1 bei der
Detektion eines glänzenden
Objekts.
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4:
Zweites Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen optischen
Sensors.
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5:
Drittes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen optischen
Sensors bei der Detektion eines diffus reflektierenden Objekts.
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6:
Optischer Sensor gemäß 5 bei der
Detektion eines Objekts mit einer Kantenstruktur.
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7:
Variante des optischen Sensors gemäß 5.
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1 zeigt
die optischen und optoelektronischen Komponenten eines ersten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen optischen
Sensors 1. Vorteilhaft befinden sich alle Komponenten des
optischen Sensors 1 in einem nicht dargestellten Gehäuse. Der
optische Sensor 1 bildet einen nach dem Triangulationsprinzip
arbeitenden Distanzsensor. Der optische Sensor 1 weist
einen Sendelichtstrahlen 2 emittierenden Sender 3 auf,
wobei in 1 nur die optische Achse der
Sendelichtstrahlen 2 dargestellt ist. Der Sender 3 bildet
eine punktförmige
Lichtquelle und ist von einer Leuchtdiode oder dergleichen gebildet.
In einem Basisabstand zum Sender 3 ist ein Empfangslichtstahl 4 empfangender
ortsauflösender Empfänger 5 angeordnet.
Der ortsauflösende
Empfänger 5 weist
eine zeilenförmige
Anordnung von Empfangselementen 5a auf. Der ortsauflösende Empfänger 5 kann
beispielsweise von einer CMOS-Zeile oder CCD-Zeile gebildet sein.
Dem ortsauflösenden
Empfänger 5 sind
zwei Optikelemente in Form von zwei in Abstand zueinander liegenden
Linsen 6a, 6b vorgeordnet. Die Linsen 6a, 6b sind
identisch ausgebildet. Mit den Linsen 6a, 6b werden
die von einem Objekt 7 zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 4 in
zwei Teilstrahlen 4a, 4b aufgeteilt, deren Strahlachsen
in 1 dargestellt sind. Dementsprechend werden bei
der Detektion des Objekts 7 zwei Lichtflecke erhalten.
Die zwei dadurch generierten Peaks der Empfangssignale an den Ausgängen der
Empfangselemente 5a des ortauflösenden Empfängers 5 sind in 1 schematisch
dargestellt.
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Diese
beiden Peaks der Empfangssignale werden in einer nicht dargestellten
Auswerteeinheit des optischen Sensors 1 ausgewertet. Aus
den Lagen der Peaks der Empfangssignale auf dem ortsauflösenden Empfänger 5 wird
die Distanz des Objekts 7 zum optischen Sensor 1 ausgewertet.
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Weiterhin
erfolgt in der Auswerteeinheit ein Vergleich der Peaks hinsichtlich
ihrer Symmetrien, Breiten, maximalen Amplituden und Formen ihrer Verteilungen.
Anhand dieses Vergleichs werden Informationen über die Beschaffenheiten der
Objekte 7 gewonnen. Zudem können damit die ermittelten
Distanzwerte korrigiert beziehungsweise überprüft werden.
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Bei
dem in 1 dargestellten Fall wird ein diffus reflektierendes
Objekt 7 detektiert. Die Strahlkeule, das heißt die räumliche
Verteilung der am diffus reflektierenden Objekt 7 zurückreflektierten
Empfangslichtstrahlen 4 ist in 1 mit A
bezeichnet. Da das diffus reflektierende Objekt 7 die Empfangslichtstrahlen 4 im
Wesentlichen ungerichtet reflektiert, sind die mit den Linsen 6a, 6b generierten
Lichtflecke und damit auch die Peaks der Empfangssignale zumindest
näherungsweise
identisch.
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2 zeigt
den Fall einer Detektion eines diffus reflektierenden Objekts 7 mit
einem Glanzanteil mittels des optischen Sensors 1 gemäß 1.
Die Strahlkeule der an diesem Objekt 7 zurückreflektierten
Empfangslichtstrahlen 4 ist in 2 mit B
bezeichnet. Diese Strahlkeule besteht aus einer diffusen Strahlkeule,
der in einer Verzugsrichtung ein gerichtet reflektierender Teil überlagert
ist. Bei der Detektion dieses Objekts 7 werden zwei in
ihrer Maximalamplitude und Breite unterschiedliche Peaks der Empfangssignale
generiert, da die Teilstrahlen 4a, die über die Linse 6a geführt sind,
den gerichtet reflektierten Teil der Empfangslichtstrahlen 4 enthalten, nicht
aber die Teilstrahlen 4b, die über die Linse 6b geführt sind.
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Schließlich zeigt 3 die
Situation bei der Detektion eines vollständig glänzenden Objekts 7 mit dem
optischen Sensor 1 gemäß 1.
In diesem Fall werden die gesamten Sendelichtstrahlen 2 gerichtet
am Objekt 7 zurückreflektiert.
Die Objektorientierung ist dabei derart, dass die Empfangslichtstrahlen 4 gerichtet
nur über
die Linse 6a zum ortsauflösenden Empfänger 5 geführt sind.
Damit wird nur ein einziger Peak der Empfangssignale erhalten.
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Die
in den 1 bis 3 gezeigten unterschiedlichen
Objekte 7 können
durch den Vergleich der mit den Linsen 6a, 6b generierten
Lichtflecke, beziehungsweise der daraus erhaltenen Peaks der Empfangssignale
sicher erkannt und unterschieden werden.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
optischen Sensors 1. Der optische Sensor 1 gemäß 4 entspricht
weitgehend der Ausführungsform
gemäß 1.
Allein die separaten Linsen 6a, 6b sind durch
eine Mehrfachlinse 6 ersetzt, die im Beispiel aus vier
Linsensegmenten bestehen. Die Linsensegmente sind identisch ausgebildet.
Dementsprechend werden bei der Detektion eines diffus reflektierenden
Objekts 7 nicht zwei sondern mehrere, hier vier identische
Peaks der Empfangssignale erhalten, wie in 4 dargestellt.
Die Signalauswertung für
diesen optischen Sensor 1 erfolgt analog zur Ausführungsform
gemäß 1.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
optischen Sensors 1. Dieser optische Sensor 1 weist
einen Sendelichtstrahlen 2 emittierenden Sender 3 und
zwei identisch ausgebildete ortsauflösende Empfänger 5 auf, welche
symmetrisch beidseits des Senders 3 angeordnet sind. Jedem
Empfänger
ist nur eine Linse 6a, 6b vorgeordnet. Die Linsen 6a, 6b sind identisch
ausgebildet. Die Linsen 6a, 6b können auch als
Mehrfachlinsen ausgebildet sein.
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5 zeigt
die Situation bei der Detektion eines diffus reflektierenden Objekts 7.
In diesem Fall wird mit den Linsen 6a, 6b in symmetrischer
Weise auf dem ortsauflösenden
Empfänger 5 jeweils
ein Lichtfleck generiert. Die Lichtfleckpositionen und Lichtfleckformen
sind identisch. Entsprechend ergibt sich an jedem ortsauflösenden Empfänger 5 in
identischer Weise ein Peak der Empfangssignale.
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6 zeigt
die Situation bei der Detektion eines Objektes 7 mit einer
Kante. Durch die Kante erfolgt eine Teilabschattung der Empfangslichtstrahlen 4 derart,
dass diese nur über
die Linse 6a zum ersten Empfänger gelangen, so dass nur
dort ein Peak der Empfangssignale erhalten wird, nicht aber am zweiten
Empfänger.
Wie die Beispiele der 4 und 5 zeigen,
kann aus den Lagen der Lichtflecke auf den beiden ortsauflösenden Empfänger 5 die
Distanz des detektierten Objektes 7 bestimmt werden. Durch
den Vergleich der Peaks der Empfangssignale der Empfänger in
der Auswerteeinheit können
wieder Informationen über
die Objektbeschaffenheiten gewonnen werden.
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6 zeigt
eine Variante der Ausführungsform
des optischen Sensors 1 gemäß 5 dahingehend,
dass die Linsen 6a, 6b nicht mehr identisch sind
sondern unterschiedliche Brennweiten aufweisen. Damit können mit
der Linse 6a und dem zugeordneten ortsauflösenden Empfänger 5 Objekte 7 in einem
ersten Distanzbereich M1 erfasst werden. Mit der Linse 6b und
dem zugeordneten ortsauflösenden Empfänger 5 können Objekte 7 in
einem zweiten Distanzbereich M2 erfasst werden. Auch in diesem Fall können die
einzelnen Linsen 6a, 6b durch Mehrfachlinsen ersetzt
sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Optischer
Sensor
- 2
- Sendelichtstrahlen
- 3
- Sender
- 4
- Empfangslichtstrahlen
- 4a
- Teilstrahl
- 4b
- Teilstrahl
- 5
- Empfänger
- 5a
- Empfangselement
- 6
- Mehrfachlinse
- 6a
- Linse
- 6b
- Linse
- 7
- Objekt
