DE202011052106U1

DE202011052106U1 - Distance measuring optoelectronic sensor

Info

Publication number: DE202011052106U1
Application number: DE202011052106U
Authority: DE
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2012-01-03
Anticipated expiration: 2021-11-26

Abstract

Entfernungsmessender optoelektronischer Sensor (10) zur Erfassung von Objekten und/oder Objektkonturen in einem Überwachungsbereich (12) mit einem Lichtsender (14) zur Aussendung von Sendelicht (16) in den Überwachungsbereich (12), einem Lichtempfänger (30) für aus dem Überwachungsbereich (12) remittiertes oder reflektiertes Empfangslicht (28) sowie mit einer Auswerteeinheit (32), welche dafür ausgebildet ist, eine Position erfasster Objekte und/oder eine Objektkontur aus der Lichtlaufzeit zwischen Aussendung des Sendelichts (16) und Empfang des Empfangslichts (28) und einer Beobachtungsrichtung zu gewinnen, wobei eine insbesondere omnidirektionale Empfangsoptik (24, 24b) vorgesehen ist, um das Empfangslicht (28) unabhängig von der Beobachtungsrichtung auf den Lichtempfänger (30) zu leiten, dadurch gekennzeichnet, dass dem Lichtempfänger (30) ein elektrisch steuerbares optisches Element (22, 22b) mit einer Vielzahl von in ihrer Lichtdurchlässigkeit steuerbaren Zonen (36) vorgeordnet ist und dass eine wählbare Beobachtungsrichtung durch höhere Lichtdurchlässigkeit von Zonen (36b), die der gewählten Beobachtungsrichtung zugeordnet sind, und geringere Lichtdurchlässigkeit der übrigen Zonen (36a) vorgebbar ist.Distance-measuring optoelectronic sensor (10) for detecting objects and / or object contours in a monitoring area (12) with a light transmitter (14) for emitting transmission light (16) into the monitoring area (12), a light receiver (30) for out of the monitoring area ( 12) received or reflected reception light (28) and with an evaluation unit (32) which is designed to detect a position of objects and / or an object contour from the time of light between the transmission of the transmission light (16) and reception of the reception light (28) and one Obtaining the direction of observation, wherein in particular omnidirectional receiving optics (24, 24b) are provided in order to direct the receiving light (28) to the light receiver (30) independently of the direction of observation, characterized in that the light receiver (30) has an electrically controllable optical element (22, 22b) with a plurality of zones (36) which can be controlled in terms of their translucency t and that a selectable observation direction can be predetermined by higher light transmission of zones (36b) which are assigned to the selected observation direction and lower light transmission by the other zones (36a).

Description

Die Erfindung betrifft einen entfernungsmessenden optoelektronischen Sensor zur Erfassung von Objekten und/oder Objektkonturen in einem Überwachungsbereich nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a distance-measuring optoelectronic sensor for detecting objects and / or object contours in a surveillance area according to the preamble of claim 1.

Für zahlreiche Vermessungs- und Überwachungsanwendungen werden Laserscanner eingesetzt, welche die räumliche Struktur ihrer Umgebung in Form eines Abstandsprofils einer festgelegten Ebene erfassen. Dazu wird ein Sendestrahl mittels eines Drehspiegels über einen Winkelbereich bis zu 360° abgelenkt, um die Ebene in diskreten Winkelschritten abzutasten. Zu jedem Winkel wird ein kurzer Lichtpuls ausgesandt und die Lichtlaufzeit bis zum Empfang des aus der Überwachungsebene von einem Objekt reflektierten oder remittierten Sendestrahls gemessen, die dann über die Lichtgeschwindigkeit in eine Entfernungsinformation umgerechnet wird. Ein alternatives Verfahren zur Lichtlaufzeitbestimmung ist Messung der Phasenverschiebung zwischen amplitudenmoduliertem Sendelicht und Empfangslicht. Durch diese Erfassung der räumlichen Struktur in Abstand und Winkel werden Objektpositionen oder Objektkonturen in Polarkoordinaten bestimmt. Dabei lässt sich eine objektive Abgrenzung zwischen der Erfassung einer Objektkontur und eines Objekts nicht angeben, da man jede Teilkontur auch als Objekt auffassen kann und umgekehrt.Many surveying and monitoring applications use laser scanners that capture the spatial structure of their environment in the form of a distance profile of a specified plane. For this purpose, a transmission beam is deflected by means of a rotating mirror over an angular range of up to 360 ° in order to scan the plane in discrete angular steps. For each angle, a short pulse of light is emitted and measured the light transit time to the reception of the reflected from the monitoring plane of an object or remitted transmit beam, which is then converted via the speed of light in a distance information. An alternative method of determining the time of flight is to measure the phase shift between amplitude-modulated transmitted light and received light. This detection of the spatial structure in distance and angle determines object positions or object contours in polar coordinates. In this case, an objective distinction between the detection of an object contour and an object can not be specified, since each subcontour can also be understood as an object and vice versa.

Trotz des bewährten Prinzips haben Laserscanner auch Nachteile. Durch die serielle Abtastung der Scanbewegung ist die Messfrequenz auf Werte im Bereich um 30 Hz begrenzt. Die mechanische Drehbewegung macht das System anfällig für mechanische Umwelteinflüsse. Der Platzbedarf für den Drehspiegel führt zu einer gewissen Mindestbaugröße. Der Drehspiegel sorgt dabei nicht allein für die Ablenkung des Sendelichts, sondern zugleich dafür, dass auch das Sichtfeld des Empfängers auf die zu beobachtende Richtung gelenkt und begrenzt wird, um Störeffekte durch Fremdlicht gering zu halten. In den meisten praktischen Ausführungen verdeckt außerdem der mechanische Aufbau des Scanners und des Drehspiegels einen Teil des horizontalen Sichtbereichs, so dass anstelle von 360° meist nur bis zu 270° Grad zur Verfügung stehen. Schließlich entstehen durch die Präzisionsanforderungen und die aufwändige Justage und Montage relativ hohe Kosten.Despite the proven principle, laser scanners also have disadvantages. Due to the serial scanning of the scanning movement, the measuring frequency is limited to values in the range around 30 Hz. The mechanical rotation makes the system susceptible to mechanical environmental influences. The space required for the rotating mirror leads to a certain minimum size. The rotating mirror not only ensures the deflection of the transmitted light, but at the same time that also the field of view of the receiver is directed and limited to the direction to be observed in order to minimize the effects of interference from extraneous light. In most practical versions, the mechanical structure of the scanner and the rotating mirror also obscures part of the horizontal viewing area, so that instead of 360 ° usually only up to 270 ° degrees are available. Finally, due to the precision requirements and the complex adjustment and installation relatively high costs.

Es ist bekannt, Kamerachips nach einem der oben genannten Lichtlaufzeitprinzipien aufzubauen und so in jedem Pixel nicht nur einen Grau- oder Farbwert, sondern auch eine Entfernungsinformation zu gewinnen. Dazu wird beispielsweise bei einem dreidimensionalen CMOS-Bildsensor gemäß US 6,232,942 B1 jedem Pixel ein Zähler zugeordnet, um eine Pulslaufzeit zu messen. Bekannt sind auch sogenannte Photonmischdetektoren (PMD), die in intelligenten Pixeln mit Hilfe einer Ladungsschaukel den Phasenunterschied zu einem ausgesandten amplitudenmodulierten Sendelicht messen. Mit derartigen Bildsensoren lässt sich prinzipiell simultan ein Abstandbild erzeugen. Im Vergleich mit einfachen Empfängern wie gewöhnlichen Photodioden sind solche Bildsensoren aber sehr aufwändig. Kameras haben außerdem einen begrenzten Sichtwinkel von bestenfalls 90°, der somit noch weit unterhalb der für den Laserscanner genannten 270° liegt.It is known to construct camera chips according to one of the above-mentioned time-of-flight principles and thus to obtain not only a gray or color value in each pixel, but also distance information. For this purpose, for example, in a three-dimensional CMOS image sensor according to US 6,232,942 B1 Each pixel is assigned a counter to measure a pulse transit time. Also known are so-called photon mixing detectors (PMD), which measure the phase difference to a transmitted amplitude-modulated transmitted light in intelligent pixels with the aid of a charge swing. In principle, a distance image can be generated simultaneously with such image sensors. In comparison with simple receivers like ordinary photodiodes such image sensors are very complex. Cameras also have a limited viewing angle of at best 90 °, which is still far below the 270 ° specified for the laser scanner.

Es sind im Stand der Technik omnidirektionale Optiken bekannt, die auch als 360°-Optik oder Fischauge bezeichnet werden. In der DE 20 2006 014 939 U1 wird eine derartige Superweitwinkeloptik eingesetzt, um den vor dem Sensor liegenden Halbraum nahezu vollständig zu erfassen. Selbst noch mit besonders hochwertigen Superweitwinkeloptiken lassen sich aber Abbildungsfehler gerade im Randbereich, der für eine Überwachungsebene ähnlich einem Laserscanner genutzt wird, nicht vermeiden, so dass eine hohe Fremdlichtempfindlichkeit verbleibt. Außerdem ist dieses herkömmliche Optiksystem auf einen komplexen und damit kostenintensiven Bildsensor angewiesen, der ortsaufgelöst in zahlreichen Pixeln simultan eine Lichtlaufzeit berechnen kann.Omnidirectional optics are known in the prior art, which are also referred to as 360 ° optics or fish eye. In the DE 20 2006 014 939 U1 Such a super wide-angle optical system is used to almost completely detect the half-space in front of the sensor. Even with particularly high-quality super wide-angle optics, aberrations can not be avoided, especially in the edge area, which is used for a monitoring plane similar to a laser scanner, so that a high sensitivity to extraneous light remains. In addition, this conventional optical system relies on a complex and thus costly image sensor, which can calculate spatially resolved in numerous pixels simultaneously a light transit time.

Die noch unveröffentlichte europäische Patentanmeldung unter dem Aktenzeichen 10152298.5 beschreibt eine Weiterentwicklung der DE 20 2006 014 939 U1 mit einer besonders geeigneten 360°-Optik. Dabei wird das Fremdlicht mit Hilfe einer Sternblende unterdrückt. Ein ortsaufgelöster Bildsensor mit Lichtlaufzeitbestimmung in dessen Pixeln bleibt aber erforderlich. Ohne einen solchen Bildsensor wäre in diesem Sensor auch die Fremdlichtunterdrückung durch die Sternblende weitgehend wirkungslos.The still unpublished European patent application number 10152298.5 describes a further development of DE 20 2006 014 939 U1 with a particularly suitable 360 ° optics. The extraneous light is suppressed with the help of a star shutter. A spatially resolved image sensor with time of flight determination in its pixels remains required. Without such an image sensor in this sensor, the external light suppression by the star aperture would be largely ineffective.

Das CSEM (Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique) bietet unter der Bezeichnung MuFly eine 360°-Kamera für autonome Fluggeräte an. Dabei sendet eine kranzförmige Anordnung von radial nach außen gerichteten Lasermodulen jeweils ein fächerförmiges Lichtbündel aus, das in der Draufsicht ein Netz aus feinen Linien bildet. Dies wird mit einem catadioptrischen Linsensystem, das aus einem hyperbolischen Spiegel und einer Abbildungslinse besteht, auf einen Bildsensor abgebildet. Mittels Triangulation werden Entfernungen bestimmt. Durch das Triangulationsprinzip wird, will man mehr als ein grobes Profil des Überwachungsbereichs gewinnen, eine sehr große Anzahl von Lichtquellen benötigt, da diese Anzahl die Auflösung in Umfangsrichtung begrenzt.The CSEM (Center Suisse d'Electronique et de Microtechnique) offers a 360 ° camera for autonomous aircraft under the name MuFly. In this case, a ring-shaped arrangement of radially outward-facing laser modules each emits a fan-shaped light bundle, which forms a network of fine lines in plan view. This is mapped onto an image sensor with a catadioptric lens system consisting of a hyperbolic mirror and an imaging lens. Using triangulation distances are determined. The triangulation principle, if you want to gain more than a rough profile of the surveillance area, a very large number of light sources needed, since this number limits the resolution in the circumferential direction.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Fremdlichtempfindlichkeit eines entfernungsmessenden optoelektronischen Sensors mit omnidirektionaler Optik zu reduzieren.It is therefore an object of the invention, the extraneous light sensitivity of a distance-measuring opto-electronic sensor with omnidirectional optics.

Diese Aufgabe wird durch einen entfernungsmessenden optoelektronischen Sensor zur Erfassung von Objekten und/oder Objektkonturen gemäß Anspruch 1 gelöst. Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, zwar mittels einer omnidirektionalen Empfangsoptik aus mehreren Richtungen Licht zu empfangen, aber dasjenige Empfangslicht zu blockieren, welches nicht von Objekten aus der momentanen Beobachtungsrichtung stammt. Dazu wird vor dem Lichtempfänger ein elektrisch steuerbares optisches Element angeordnet. Dieses Element weist Zonen auf, in denen die Lichtdurchlässigkeit durch Ansteuerung veränderbar ist. Die Lichtdurchlässigkeit der Zonen wird dann so vorgegeben, dass Licht aus der momentanen Beobachtungsrichtung durchgelassen und Licht aus anderen Richtungen abgeschwächt wird. Oft ist es vorteilhaft, den Spielraum der steuerbaren Lichtdurchlässigkeit auszuschöpfen und die Zonen, welche mit der momentanen Beobachtungsrichtung korrespondieren, so transparent wie möglich beziehungsweise die übrigen Zonen so intransparent wie möglich zu machen.This object is achieved by a distance-measuring optoelectronic sensor for detecting objects and / or object contours according to claim 1. The invention is based on the basic idea of receiving light from a plurality of directions by means of omnidirectional receiving optics, but blocking the receiving light which does not originate from objects from the instantaneous observation direction. For this purpose, an electrically controllable optical element is arranged in front of the light receiver. This element has zones in which the light transmission is variable by driving. The light transmission of the zones is then specified so that light from the current viewing direction is transmitted and light is attenuated from other directions. Often it is advantageous to exhaust the scope of controllable light transmission and to make the zones which correspond to the current observation direction as transparent as possible or the other zones as intransparent as possible.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass den Lichtempfänger aus anderen Richtungen als dem jeweils zu einem zu beobachtenden Zeitpunkt interessierenden Winkelbereich weniger Fremdlicht erreicht. Dies führt zu einer erhöhten Robustheit und Zuverlässigkeit der Objekterfassung. Zumindest empfangsseitig kann auf eine drehbare Ablenkeinheit samt deren Motoreinheit verzichtet werden. Weitere Kostenvorteile über den Verzicht auf diese Bauteile hinaus ergeben sich durch eine vereinfachte Justage und Montage. Außerdem entsteht weniger Verschleiß und Wartung, und es wird eine geringere Baugröße ermöglicht.The invention has the advantage that the light receiver reaches less extraneous light from directions other than the angular range of interest at any time to be observed. This leads to an increased robustness and reliability of the object detection. At least on the receiving side can be dispensed with a rotatable deflection unit together with their motor unit. Further cost advantages over the abandonment of these components also result from a simplified adjustment and assembly. In addition, less wear and maintenance, and it is possible a smaller size.

Einer Bewegungsrichtung zugeordnete Zonen sind solche, auf die vornehmlich Empfangslicht aus dieser Bewegungsrichtung fällt. Dagegen wird die Zuordnung nicht von Anteilen des Empfangslichts festgelegt, welches Zonen aufgrund unvermeidlicher Abbildungsfehler der omnidirektionalen Empfangsoptik erreicht.Zones associated with a direction of movement are those on which primarily received light falls from this direction of movement. In contrast, the assignment is not determined by portions of the received light, which reaches zones due to unavoidable aberrations of the omnidirectional receiving optics.

Der Begriff der omnidirektionalen Empfangsoptik ist hier weit zu verstehen und bedeutet nicht unbedingt, dass der gesamte Raum oder Halbraum erfassbar ist. Für Laserscanneranwendungen beispielsweise wird meist nur eine Ebene oder deren Umgebung in einem Komplement eines Doppelkegels überwacht. Auch innerhalb dieser Ebene sind Einschränkungen auf nur einen Winkelbereich denkbar. Es ist zwar nicht zwingend, meist aber aus Kostengründen und zur Vermeidung unnötiger Abbildungsfehler zweckmäßig, wenn die omnidirektionale Empfangsoptik einen entsprechend angepassten Sichtbereich aufweist.The term omnidirectional receiving optics is to be understood here broadly and does not necessarily mean that the entire space or half-space is detectable. For laser scanner applications, for example, usually only one plane or its environment is monitored in a complement of a double cone. Even within this level restrictions on only one angular range are conceivable. Although it is not mandatory, but usually for cost reasons and to avoid unnecessary aberrations expedient if the omnidirectional receiving optics has a correspondingly adapted field of view.

Das elektrisch steuerbare optische Element weist bevorzugt eine Flüssigkristallanzeige auf. Derartige Elemente sind kostengünstig erhältlich und in der Lage, mit ausreichender Geschwindigkeit und Ortsauflösung die erforderlichen Unterschiede in der Lichtdurchlässigkeit zu erzeugen.The electrically controllable optical element preferably has a liquid crystal display. Such elements are available inexpensively and capable of generating the required differences in light transmission at sufficient speed and spatial resolution.

Die Zonen sind bevorzugt als Winkelsegmente ausgebildet, oder es sind alternativ Gruppen von Zonen zu Winkelsegmenten zusammengefasst, wobei jeweils ein Winkelsegment und eine wählbare Beobachtungsrichtung einander zugeordnet sind. Je nach Ortsauflösung des elektrisch steuerbaren optischen Elements werden dabei die Zonen jeweils so geformt, dass sie gerade einen Winkelbereich abdecken, oder es werden mehrere kleinere Zonen zu einer solchen Form kombiniert. Damit besteht ein geometrischer Zusammenhang zwischen den Zonen und den Beobachtungsrichtungen, der zu einer besonders gut angepassten Lichtdurchlässigkeit führt.The zones are preferably designed as angle segments, or alternatively groups of zones are combined into angle segments, wherein in each case one angle segment and one selectable observation direction are associated with one another. Depending on the spatial resolution of the electrically controllable optical element while the zones are each formed so that they just cover an angular range, or several smaller zones are combined into such a shape. This results in a geometric relationship between the zones and the observation directions, which leads to a particularly well-adjusted light transmission.

Die Auswerteeinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, das elektrisch steuerbare Element so anzusteuern, dass zyklisch und nacheinander benachbarte Beobachtungsrichtungen gewählt sind, so dass eine virtuelle Drehbewegung der Beobachtungsrichtung entsteht. Das wird beispielsweise dadurch realisiert, dass jeweils genau ein Winkelsegment transparent geschaltet wird, während alle anderen Zonen intransparent sind.The evaluation unit is preferably designed to control the electrically controllable element in such a way that cyclically and successively adjacent observation directions are selected so that a virtual rotational movement of the observation direction is produced. This is realized, for example, by the fact that in each case exactly one angle segment is switched transparent, while all other zones are intransparent.

Nach einem gewissen Zeitraum, beispielsweise angepasst an die Aufnahmefrequenz des Lichtempfängers oder die Pulsfrequenz des Lichtsenders, wechselt das transparente Winkelsegment auf einen Nachbarn. Dadurch wird die herkömmliche Drehbewegung eines Drehspiegels auf dem elektrisch steuerbaren Element emuliert. Dies erleichtert die Übernahme der Auswertungselektronik von herkömmlichen Laserscannern.After a certain period of time, for example, adapted to the receiving frequency of the light receiver or the pulse frequency of the light emitter, the transparent angle segment changes to a neighbor. Characterized the conventional rotational movement of a rotating mirror is emulated on the electrically controllable element. This facilitates the adoption of the evaluation electronics of conventional laser scanners.

Dem Lichtsender ist bevorzugt eine omnidirektionale Sendeoptik zugeordnet. Damit wird auch sendeseitig das Konzept einer festen Optik anstelle eines herkömmlichen Drehspiegels verfolgt, so dass gänzlich auf mechanisch bewegte Teile verzichtet wird. Der Lichtsender sendet seine Lichtpulse über die omnidirektionale Sendeoptik in den gesamten Überwachungsbereich. Die Selektion einer Richtung erfolgt empfangsseitig.The light transmitter is preferably associated with an omnidirectional transmission optics. As a result, the concept of a fixed optics instead of a conventional rotating mirror is also pursued on the transmission side so that mechanically moved parts are completely dispensed with. The light transmitter sends its light pulses via the omnidirectional transmission optics into the entire surveillance area. The selection of a direction is made at the receiving end.

Der Lichtsender weist bevorzugt eine Vielzahl einzeln oder in Gruppen aktivierbarer Lichtquellen auf. Eine größere Anzahl von Lichtquellen ermöglicht eine größere Leistung als Ausgleich für den Verlust an Leistungsdichte, wenn das Sendelicht ohne Bündelung in alle Richtungen ausgesandt wird. Durch selektive Aktivierung einzelner Lichtquellen können aber auch jeweils nur diejenigen Lichtquellen angesprochen werden, deren Licht über die omnidirektionale Sendeoptik in denjenigen Winkelbereich ausgesandt wird, welcher der momentan gewählten Beobachtungsrichtung des elektrisch steuerbaren optischen Elements entspricht.The light transmitter preferably has a plurality of individually or in groups activatable light sources. A larger number of light sources allow more power to compensate for the loss of power density when the transmitted light is emitted without bundling in all directions. By selective activation of individual light sources but only those light sources can be addressed, whose light on the omnidirectional transmission optics is emitted in those angular range, which corresponds to the currently selected observation direction of the electrically controllable optical element.

Dem Lichtsender ist bevorzugt ein weiteres elektrisch steuerbares optisches Element mit einer Vielzahl von in ihrer Lichtdurchlässigkeit steuerbaren Zonen zugeordnet, mit dem eine wählbare Beobachtungsrichtung durch höhere Lichtdurchlässigkeit von Zonen, durch die Sendelicht in die gewählte Beobachtungsrichtung fällt, und geringere Lichtdurchlässigkeit der übrigen Zonen vorgebbar ist. In dieser Ausführungsform wird das empfangsseitige Konzept der Richtungswahl auch sendeseitig eingesetzt. Dadurch wird verhindert, dass Sendelicht unnötig in Teile des Überwachungsraums ausgesandt wird, aus denen momentan ohnehin das Empfangslicht von dem empfangsseitigen elektrisch steuerbaren optischen Element ausgewertet wird. Je nach Anordnung von Lichtsender und Lichtempfänger kann das empfangsseitige elektrisch steuerbare optische Element zugleich die Funktion des sendeseitigen weiteren elektrisch steuerbaren optischen Elements erfüllen.The light transmitter is preferably associated with a further electrically controllable optical element having a plurality of controllable in their light transmission zones, with which a selectable direction of observation by higher light transmission of zones, by the transmitted light falls in the selected direction of observation, and lower light transmittance of the other zones can be predetermined. In this embodiment, the reception-side concept of the direction selection is also used on the transmission side. This prevents transmission light from being emitted unnecessarily in parts of the interstitial space from which the received light from the receiving-side, electrically controllable optical element is currently being evaluated anyway. Depending on the arrangement of the light emitter and the light receiver, the receiving side electrically controllable optical element can simultaneously fulfill the function of the emitter-side further electrically controllable optical element.

Dabei ist besonders bevorzugt die Auswerteeinheit dafür ausgebildet, das weitere elektrisch steuerbare Element so anzusteuern, dass zyklisch und nacheinander benachbarte Beobachtungsrichtungen gewählt sind, so dass eine virtuelle Drehbewegung der Beobachtungsrichtung entsteht. Auch sendeseitig wird damit die herkömmliche Scanbewegung eines Drehspiegels emuliert, mit vergleichbaren Vorteilen wie bei entsprechendem Vorgehen auf Empfangsseite.In this case, the evaluation unit is particularly preferably configured to control the further electrically controllable element in such a way that cyclically and successively adjacent observation directions are selected so that a virtual rotational movement of the observation direction is produced. Also on the transmitter side, the conventional scanning movement of a rotating mirror is emulated, with comparable advantages as with the corresponding procedure on the receiving side.

In einer alternativen Ausführungsform ist eine drehbare Ablenkeinheit im Strahlengang des Lichtsenders angeordnet, um das Sendelicht periodisch in unterschiedliche Beobachtungsrichtungen zu führen. Hier wird sendeseitig wie herkömmlich ein Drehspiegel, ein Polygonspiegelrad oder dergleichen verwendet. Der erfindungsgemäße Vorteil bleibt dennoch größtenteils gewahrt, weil eine drehbare Ablenkeinheit für das Sendelicht nur deutlich kleinere Abmessungen erfordert als für das Empfangslicht.In an alternative embodiment, a rotatable deflection unit is arranged in the beam path of the light transmitter in order to periodically guide the transmission light in different observation directions. Here, on the transmitting side, as conventionally, a rotating mirror, a polygon mirror wheel or the like is used. The advantage according to the invention nevertheless remains largely preserved because a rotatable deflection unit for the transmitted light requires only significantly smaller dimensions than for the received light.

Wird sende- und empfangsseitig ein elektrisch steuerbares optisches Element eingesetzt, so sind die virtuelle Drehbewegung des elektrisch steuerbaren optischen Elements und die virtuelle Drehbewegung des weiteren elektrisch steuerbaren optischen Elements bevorzugt miteinander synchronisiert. Wird sendeseitig eine Ablenkeinheit eingesetzt, so sind bevorzugt die virtuelle Drehbewegung des elektrisch steuerbaren optischen Elements und die Drehbewegung der Ablenkeinheit miteinander synchronisiert. Damit entspricht die momentan gewählte Beobachtungsrichtung der jeweiligen Senderichtung.If an electrically controllable optical element is used at the transmitting end and at the receiving end, then the virtual rotational movement of the electrically controllable optical element and the virtual rotational movement of the further electrically controllable optical element are preferably synchronized with one another. If a deflection unit is used on the transmission side, preferably the virtual rotary motion of the electrically controllable optical element and the rotary movement of the deflection unit are synchronized with one another. Thus, the currently selected observation direction corresponds to the respective transmission direction.

Die omnidirektionale Empfangsoptik weist bevorzugt eine Sternblende auf, welche den Überwachungsbereich in Sektoren aufteilt. Die Sternblende umfasst zum Beispiel mehrere plattenförmige, undurchsichtige Bereiche, welche in einer Draufsicht auf die Empfangsoptik sternförmig von deren Mittelachse radial nach außen verlaufen beziehungsweise längs einer Verbindungslinie von der Mittelachse in die Ecken eines senkrecht zu der Hauptachse liegenden, regelmäßigen Vielecks angeordnet sind. Diese plattenförmigen Bereiche können die Empfangsoptik durchdringen oder ihr vorgelagert sein. Eine Sternblende begrenzt Abbildungsfehler der omnidirektionalen Empfangsoptik, weil sie streifend auftreffendes Licht aus Nachbarsektoren unterdrückt. Dies führt zu einer noch besseren Fremdlichtunterdrückung und damit letztlich einer höheren Auflösung des Sensors.The omnidirectional receiving optics preferably has a star shutter, which divides the monitoring area into sectors. The star shutter comprises, for example, a plurality of plate-shaped, opaque regions which, in a plan view of the receiving optics, extend radially outward from their central axis or are arranged along a connecting line from the central axis into the corners of a regular polygon perpendicular to the main axis. These plate-shaped areas may penetrate or be in front of the receiving optics. A star shutter limits aberrations of the omnidirectional receiving optics because it suppresses grazing incident light from neighboring sectors. This leads to even better extraneous light suppression and thus ultimately a higher resolution of the sensor.

Zwischen dem elektrisch steuerbaren optischen Element und dem Lichtempfänger ist bevorzugt eine zusätzliche Empfangsoptik angeordnet. Diese zusätzliche Empfangsoptik ist nicht omnidirektional, sondern beispielsweise eine einfache Sammellinse, die lediglich das Licht aus dem elektrisch steuerbaren optischen Element auf den Lichtempfänger bündelt. Alternativ weist die zusätzliche Empfangsoptik eine Vielzahl von Teillinsen zum Bündeln von durch eine Zone oder durch eine Gruppe von Zonen tretendem Empfangslicht auf den Lichtempfänger auf. Beispielsweise sind die Teillinsen an Winkelsegmente angepasst. Durch die Teillinsen wird Streulicht aus anderen Richtungen als die gewählte Beobachtungsrichtung weiter unterdrückt.Between the electrically controllable optical element and the light receiver, an additional receiving optical system is preferably arranged. This additional receiving optics is not omnidirectional, but for example, a simple converging lens, which focuses only the light from the electrically controllable optical element on the light receiver. Alternatively, the additional receiving optics comprises a plurality of sub-lenses for bundling received light passing through a zone or through a group of zones onto the light receiver. For example, the partial lenses are adapted to angle segments. Due to the partial lenses scattered light from other directions than the selected direction of observation is further suppressed.

Zwischen dem elektrisch steuerbaren optischen Element und dem Lichtempfänger ist bevorzugt ein optisches Trennelement mit einer Vielzahl von zueinander lichtundurchlässigen Kanälen angeordnet, welche jeweils eine abgeschirmte Lichtführung für durch eine Zone oder durch eine Gruppe von Zonen tretendes Empfangslicht auf den Lichtempfänger bilden. Jeder Kanal oder Tubus verhindert das Eindringen von Fremdlicht. Ist der Lichtempfänger ortsauflösend, so kann der Tubus das Empfangslicht auch selektiv auf den richtigen Pixelbereich lenken. Sofern Teillinsen vorgesehen sind, ist vorteilhafterweise jeweils ein Tubus je Teillinse vorgesehen.Between the electrically controllable optical element and the light receiver, an optical separating element with a plurality of mutually opaque channels is preferably arranged, each of which form a shielded light guide for passing through a zone or by a group of zones receiving light on the light receiver. Each channel or tube prevents the ingress of extraneous light. If the light receiver is spatially resolving, the tube can also selectively direct the received light to the correct pixel range. If partial lenses are provided, one tube per each partial lens is advantageously provided in each case.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Gesichtsfeld des Sensors in eine Matrix aus Pixeln unterteilt, wobei die Zonen höherer Lichtdurchlässigkeit einem oder mehreren Pixeln und die Zonen geringerer Lichtdurchlässigkeit dem Inversen des einen oder mehreren Pixel entsprechen. Das elektrisch steuerbare Element dient hier dazu, statt einer virtuellen Drehbewegung eine Ortsauflösung des Sensors über die Fläche zu erzielen, ohne dafür einen pixelaufgelösten Lichtempfänger verwenden zu müssen. Damit entsteht per Zeitmultiplexing verschiedener mit hoher Lichtdurchlässigkeit angesteuerter Pixelzonen ein ortsaufgelöster, entfernungsmessender Sender aus einfachen Bausteinen. Im Gegensatz zu bekannten dreidimensionalen Bildsensoren, beispielsweise PMD-Chips, sind elektrisch steuerbare Elemente kostengünstig und mit hoher Auflösung verfügbar. Insgesamt wird somit ein besonders kostengünstiger und hochauflösender 3D-Sensor erreicht.In an advantageous development, the field of view of the sensor is subdivided into a matrix of pixels, wherein the zones of higher light transmission correspond to one or more pixels and the zones of lower light transmission correspond to the inverse of the one or more pixels. The electrically controllable element serves here instead of a virtual rotational movement to achieve a spatial resolution of the sensor over the surface, without having to use a pixel-resolved light receiver. This creates by time multiplexing of various controlled with high light transmission Pixel Zones a spatially resolved, range-measuring transmitter made of simple components. In contrast to known three-dimensional image sensors, for example PMD chips, electrically controllable elements are available inexpensively and with high resolution. Overall, a particularly cost-effective and high-resolution 3D sensor is thus achieved.

Der Lichtsender ist für diese Weiterbildung vorteilhafterweise eine Flächenbeleuchtung. Zur Lichtlaufzeitbestimmung wird dieser Lichtsender nochmals bevorzugt gepulst oder moduliert betrieben. Unabhängig von der jeweils konkreten Wahl der lichtdurchlässigen Zone gelangt somit reflektiertes Sendelicht auf den Lichtempfänger, so dass aus dessen Signal mittels puls- oder phasenbasiertem Verfahren ortsaufgelöste Abstandsbilder der ausgeleuchteten Fläche aufgenommen werden können.The light emitter is advantageously a surface illumination for this development. For determining the time of flight of light, this light transmitter is again preferably pulsed or modulated. Regardless of the particular concrete choice of the translucent zone so reflected transmitted light reaches the light receiver, so that spatially resolved distance images of the illuminated area can be recorded from the signal by means of pulse or phase-based method.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:The invention will be explained in more detail below with regard to further features and advantages by way of example with reference to embodiments and with reference to the accompanying drawings. The illustrations of the drawing show in:

1 eine Querschnittsdarstellung durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit Einkopplung des Sendelichts durch einen Strahlteiler; 1 a cross-sectional view through an embodiment of a sensor according to the invention with coupling of the transmitted light through a beam splitter;

2 eine Draufsicht auf ein elektrisch steuerbares optisches Element des Sensors gemäß 1; 2 a plan view of an electrically controllable optical element of the sensor according to 1 ;

3 eine Querschnittsdarstellung durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit zusätzlicher sendeseitiger omnidirektionaler Sendeoptik; 3 a cross-sectional view through a further embodiment of a sensor according to the invention with additional transmitting side omnidirectional transmission optics;

4 eine Querschnittsdarstellung einer alternativen Ausgestaltung der omnidirektonalen Sende- und Empfangsoptik der 3; 4 a cross-sectional view of an alternative embodiment of the omni-directional transmission and reception optics of 3 ;

5 eine Querschnittsdarstellung durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit Einkopplung des Sendelichts durch eine drehbare Ablenkeinheit; 5 a cross-sectional view through a further embodiment of a sensor according to the invention with coupling of the transmitted light through a rotatable deflection unit;

6 eine Draufsicht auf eine omnidirektionale Empfangsoptik mit Sternblende; 6 a plan view of an omnidirectional receiving optics with star aperture;

7 eine Draufsicht auf eine zusätzliche Empfangsoptik mit Teillinsen; 7 a plan view of an additional receiving optics with partial lenses;

8a eine Querschnittsdarstellung eines optischen Trennelements zur Kanaltrennung im Empfangspfad; 8a a cross-sectional view of an optical separation element for channel separation in the receive path;

8b eine Draufsicht auf das optische Trennelement gemäß 8a; und 8b a plan view of the optical separating element according to 8a ; and

9 die zentralen Elemente und den Strahlengang einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors. 9 the central elements and the beam path of another embodiment of a sensor according to the invention.

1 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen entfernungsmessenden optoelektronischen Sensors 10 zur Überwachung eines Überwachungsbereichs 12. Ein Lichtsender 14 erzeugt Sendelicht 16 in Form von Lichtpulsen oder amplitudenmoduliertem Licht in einem Nutzlichtfrequenzband. Der Lichtsender ist beispielsweise eine einzelne LED oder Laserlichtquelle oder eine Anordnung derartiger Lichtquellen. Geeignete Lichtquellen sind beispielsweise wegen der hohen optischen Ausgangsleistung VCSEL-Arrays (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), es können aber auch andere Laserdioden wie Kantenemitter eingesetzt werden. 1 shows a cross-sectional view of a first embodiment of a distance-measuring optoelectronic sensor according to the invention 10 for monitoring a surveillance area 12 , A light transmitter 14 generates transmitted light 16 in the form of light pulses or amplitude modulated light in a useful light frequency band. The light emitter is for example a single LED or laser light source or an arrangement of such light sources. Suitable light sources are, for example, because of the high optical output power VCSEL arrays (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), but it can also be used other laser diodes such as edge emitter.

Das Sendelicht 16 wird von einem Strahlteiler 18 umgelenkt und tritt danach in dieser Reihenfolge durch eine strahlformende Optik 20, ein elektrisch steuerbares Element 22 und eine omnidirektionale oder 360°-Optik 24. Die strahlformende Optik 20 bildet aus dem Sendelicht 16 einen gebündelten Sendestrahl. Eine weitere, nicht dargestellte strahlformende Optik kann zwischen dem Lichtsender 14 und dem Strahlteiler 18 vorgesehen sein, um mit der strahlformenden Optik 20 zusammen zu wirken. Aufbau und Funktion des elektrisch steuerbaren Elements 22 wird weiter unten anhand der 2 näher erläutert.The transmitted light 16 is from a beam splitter 18 deflected and then occurs in this order by a beam-forming optics 20 , an electrically controllable element 22 and an omnidirectional or 360 ° optic 24 , The beam-forming optics 20 forms from the transmitted light 16 a bundled transmission beam. Another, not shown, beam-forming optics can between the light emitter 14 and the beam splitter 18 be provided with the beam-shaping optics 20 to work together. Structure and function of the electrically controllable element 22 will be explained below on the basis of 2 explained in more detail.

Die omnidirektionale Optik 24 lenkt das Sendelicht 16 durch eine umlaufende Frontscheibe 26 in den Überwachungsbereich 12. Dabei wird zumindest eine Überwachungsebene, je nach Ausgestaltung der omnidirektionalen Optik 24 auch der gesamte obere Halbraum ausgeleuchtet. Im letzteren Fall müsste sich die Frontscheibe 26 entsprechend über den oberen Bereich des Sensors 10 erstrecken. Es ist nicht nur vorteilhaft, statt einer Ebene den Halbraum zu beleuchten und zu erfassen. Dadurch wird zwar ein größerer Bereich überwacht. Dafür verringert sich aber die Reichweite erheblich, weil sich die Sendeenergie viel stärker verteilt, und zudem kann mehr Fremdlicht in den Sensor 10 eindringen.The omnidirectional optics 24 directs the transmitted light 16 through a rotating windscreen 26 in the surveillance area 12 , In this case, at least one monitoring level, depending on the configuration of the omnidirectional optics 24 also the entire upper half-space lit up. In the latter case, the windscreen would have to 26 correspondingly over the upper area of the sensor 10 extend. It is not only advantageous to illuminate and capture the half-space instead of a plane. This will monitor a larger area. But this reduces the range considerably, because the transmission energy is much more distributed, and also can more extraneous light in the sensor 10 penetration.

Trifft das Sendelicht 16 in dem Überwachungsbereich 12 auf ein Objekt, so wird ein Teil reflektiert oder remittiert und kehrt als Empfangslicht 28 zu dem Sensor 10 zurück. Dabei nimmt es den umgekehrten Weg des Sendelichts 16 durch die omnidirektionale Optik 24, das elektrisch steuerbare optische Element 22 und die strahlformende Optik 20. An dem Strahlteiler 18 wird ein Anteil des 28 Empfangslichts zum Lichtsender 14 gespiegelt und geht verloren. Das übrige Empfangslicht 28 fällt auf einen Lichtempfänger 30 und wird dort in ein elektrisches Signal umgewandelt.Meets the transmitted light 16 in the surveillance area 12 on an object, a part is reflected or remitted and returns as a receiving light 28 to the sensor 10 back. It takes the reverse path of the transmitted light 16 through the omnidirectional optics 24 , the electrically controllable optical element 22 and the beam-forming optics 20 , At the beam splitter 18 will be a share of 28 Receiving light to the light transmitter 14 mirrored and lost. The rest of the reception light 28 falls to one light receiver 30 where it is converted into an electrical signal.

Erfindungsgemäß genügt es, wenn der Lichtempfänger nur ein einziges einfaches Element ist, beispielsweise eine gewöhnliche Photodiode oder eine Lawinenphotodiode (APD). Die Entfernung zu einem erfassten Objekt ermittelt eine mit dem Lichtempfänger 30 verbundene Auswertungseinheit 32 mit einem phasenbasierten Lichtlaufzeitverfahren anhand eines Phasenunterschieds zu amplitudenmoduliertem Sendelicht 16 oder mit einem pulsbasierten Lichtlaufzeitverfahren anhand der Laufzeit von als Lichtpulsen ausgesandtem Sendelicht 16. Alternativ könnte auch ein einleitend beschriebener Bildsensor mit zahlreichen laufzeitmessenden Einzelelementen eingesetzt werden (smart pixel). Die Position eines Pixels auf dem Bildsensor trägt dabei noch eine Positionsinformation des erfassten Objekts in sich, nämlich in Winkelrichtung den Winkel innerhalb der Überwachungsebene 12 (Azimut) und in radialer Richtung den Höhenversatz gegenüber dieser Überwachungsebene 12 (Höhenwinkel).According to the invention it is sufficient if the light receiver is only a single simple element, for example a common photodiode or avalanche photodiode (APD). The distance to a detected object determines one with the light receiver 30 connected evaluation unit 32 with a phase-based light transit time method based on a phase difference to amplitude modulated transmitted light 16 or with a pulse-based light transit time method based on the duration of emitted as light pulses transmitted light 16 , Alternatively, an initially described image sensor with numerous time-measuring individual elements could be used (smart pixel). The position of a pixel on the image sensor still carries a position information of the detected object in it, namely in the angular direction of the angle within the monitoring plane 12 (Azimuth) and in the radial direction the height offset from this monitoring level 12 (Elevation angle).

Die Auswerteeinheit 32 fungiert zugleich als Steuerung des Sensors 10. Dazu ist sie zusätzlich mit dem Lichtsender 14 oder dessen nicht dargestellter Treiberschaltung und dem elektrisch steuerbaren optischen Element 22 verbunden. Über einen Ausgang 34 werden Objektpositionen, Objektkonturen oder sonstige Messdaten ausgegeben. Alternativ werden lediglich Rohdaten an dem Ausgang 34 bereitgestellt, und die Auswertungen werden extern vorgenommen.The evaluation unit 32 at the same time acts as a control of the sensor 10 , In addition it is in addition with the light transmitter 14 or its driver circuit, not shown, and the electrically controllable optical element 22 connected. About an exit 34 object positions, object contours or other measured data are output. Alternatively, only raw data will be at the output 34 provided, and the evaluations are made externally.

Der Empfangskanal des Sensors 10 ist aufgrund der omnidirektionalen Optik 24 so ausgelegt, dass der Lichtempfänger 30 prinzipiell Empfangslicht 28 aus allen Richtungen empfängt. Ist der Lichtempfänger 30 nicht ortsaufgelöst, so steht nicht ohne Weiteres eine Winkelinformation über Objektpositionen in dem Überwachungsbereich 12 zur Verfügung. Diese Positionsinformationen werden, wie sogleich erläutert, über das elektrisch steuerbare Element 22 gewonnen.The receiving channel of the sensor 10 is due to the omnidirectional optics 24 designed so that the light receiver 30 in principle receiving light 28 receives from all directions. Is the light receiver 30 not spatially resolved, so is not readily an angle information on object positions in the surveillance area 12 to disposal. This positional information is, as explained immediately, over the electrically controllable element 22 won.

2 zeigt eine Draufsicht auf das elektrisch steuerbare optische Element 22, mit dem eine Richtungsselektivität ermöglicht wird. Das elektrisch steuerbare Element 22 weist eine Vielzahl von Zonen 36 auf, die eine variable Lichtdurchlässigkeit aufweisen. Dazu weist das elektrisch steuerbare Element 22 beispielsweise eine Flüssigkristallanzeige (LCD) auf. Durch Ansteuerung der Auswerteeinheit 32 werden einzelne Winkelsegmente 36a möglichst intransparent, um das Empfangslicht 28 zu blocken, und jeweils nur ein Winkelsegment 36b in einer gewählten Beobachtungsrichtung ist transparent, so dass nur aus diesem Winkelbereich Empfangslicht 28 zu dem Lichtempfänger 30 durchgelassen wird. 2 shows a plan view of the electrically controllable optical element 22 , with which a directional selectivity is made possible. The electrically controllable element 22 has a variety of zones 36 on, which have a variable light transmittance. For this purpose, the electrically controllable element 22 For example, a liquid crystal display (LCD). By controlling the evaluation unit 32 become single angle segments 36a as intransparent as possible to the received light 28 to block, and only one angular segment at a time 36b in a selected observation direction is transparent, so that only from this angular range received light 28 to the light receiver 30 is allowed through.

Um nun die Überwachungsebene 12 zu erfassen, wechselt das transparente Winkelsegment 36b zyklisch und nacheinander auf ein benachbartes Winkelsegment 36b, wie durch einen Pfeil 38 angedeutet. Dadurch entsteht so etwas wie eine virtuelle Drehbewegung, bei der das Sendelicht 16 und das zugehörige Sichtfenster für das Empfangslicht 28 periodisch die Überwachungsebene 12 abtastet. Für die Funktion ist letztlich nicht entscheidend, in welcher Reihenfolge die Winkelsegmente 36 transparent geschaltet werden. Somit sind auch abweichende Aktivierungsschemata möglich. Das elektrisch steuerbare optische Element 22 lässt sogar ein beliebiges Durchlässigkeitsmuster zu, bei dem mehrere Winkelsegmente 36 transparent sind, die Lichtdurchlässigkeit abgestuft statt nur binär zwischen transparent und intransparent verändert wird oder andere geometrische Strukturen als Winkelsegmente 36 gebildet werden.Now to the monitoring level 12 to capture, the transparent angle segment changes 36b cyclically and successively to an adjacent angle segment 36b as if by an arrow 38 indicated. This creates something like a virtual twisting motion in which the transmitted light 16 and the associated viewing window for the received light 28 periodically the monitoring level 12 scans. For the function it is ultimately not decisive in which order the angle segments 36 be switched transparent. Thus, deviating activation schemes are possible. The electrically controllable optical element 22 even allows for any permeability pattern where multiple angle segments 36 are transparent, the light transmittance graded instead of only binary between transparent and non-transparent changed or other geometric structures as angle segments 36 be formed.

Die Winkelsegmente 36 müssen nicht notwendig den Zonen entsprechen. Denkbar ist auch eine Pixelstruktur des elektrisch steuerbaren Elements 22, in der jeweils eine Zone einem Pixel entspricht und die Pixel geeignet zu Winkelsegmenten 36 verbunden werden. Selbstverständlich kann auch eine andere, insbesondere eine wesentlich größere Anzahl von Winkelsegmenten 36 gebildet werden als in 2 dargestellt. Die Anzahl von Winkelsegmenten 36 muss aber nicht direkt die Winkelauflösung des Sensors 10 bestimmen. Bei der Ausführungsform gemäß 1 ist das im Wesentlichen der Fall, weil auch der vom Sendelicht 16 ausgeleuchtete Bereich nur durch die Winkelsegmente 36 begrenzt wird. Wen aber, wie in noch zu beschreibenden Ausführungsformen erläutert, das Sendelicht 16 eine präzisere Winkelposition erhält, so bildet das empfangsseitige Winkelsegment 36 lediglich ein grobes Fenster für das Empfangslicht 28, um weniger Angriffsfläche für Fremdlicht zu lassen. Die Winkelposition wird in diesem Fall aber nicht über das transparente Winkelsegment 36, sondern über die bekannte Senderichtung bestimmt.The angle segments 36 do not necessarily have to correspond to the zones. Also conceivable is a pixel structure of the electrically controllable element 22 in which each one zone corresponds to one pixel and the pixels are suitable for angle segments 36 get connected. Of course, also another, in particular a much larger number of angle segments 36 be formed as in 2 shown. The number of angle segments 36 But not directly the angular resolution of the sensor 10 determine. In the embodiment according to 1 This is essentially the case, because of the transmitted light 16 illuminated area only by the angle segments 36 is limited. But who, as explained in embodiments to be described, the transmitted light 16 receives a more precise angular position, so forms the receiving-side angle segment 36 just a rough window for the received light 28 to leave less exposure to extraneous light. The angular position is not in this case over the transparent angle segment 36 , but determined by the known transmission direction.

Soll nicht nur eine Ebene, sondern ein größerer Anteil des Halbraums überwacht werden und auch eine Information über den Höhenwinkel erfasst werden, so kann zusätzlich zu einer Einteilung der Zonen in Winkelrichtung auch eine Segmentierung in radialer Richtung erfolgen. Dabei entsteht so etwas wie eine Zwiebelstruktur mit mehreren inneren und äußeren Ringen, wobei die radiale Position der Zonen die Information über den Höhenwinkel trägt.If not only one plane, but a larger portion of the half-space is to be monitored and also information about the elevation angle is detected, segmentation in the radial direction can be carried out in addition to a division of the zones in the angular direction. This creates something like an onion structure with multiple inner and outer rings, with the radial position of the zones carrying information about the elevation angle.

3 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen entfernungsmessenden optoelektronischen Sensors 10. Statt wie in der Ausführungsform gemäß 1 durch eine Faltung von Sende- und Empfangskanal mit Hilfe eines Strahlteilers 18 sind hier getrennte, gegenüberliegende Sende- und Empfangskanäle vorgesehen. Gleiche oder einander entsprechende Elemente sind dabei hier und im Folgenden mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. 3 shows a cross-sectional view of another embodiment of a distance-measuring optoelectronic sensor according to the invention 10 , Instead of as in the embodiment according to 1 by a convolution of transmitting and receiving channel by means of a beam splitter 18 are here separate, opposite transmitting and receiving channels provided. The same or corresponding elements are here and below provided with the same reference numerals.

Durch die Aufspaltung in einen eigenen Sendekanal und einen eigenen Empfangskanal sind die optischen Elemente 20, 22 und 24 nun zweifach vorhanden, nämlich im Lichtweg des Sendelichts 16 eine sendeseitige strahlformende Optik 20a, ein sendeseitiges elektrisch steuerbares optisches Element 22a und eine sendeseitige omnidirektionale Optik 24a sowie im Lichtweg des Empfangslichts 28 eine empfangsseitige omnidirektionale Optik 24b, ein empfangsseitiges elektrisch steuerbares optisches Element 22b und eine empfangsseitige strahlformende Optik 20b. Der Sendekanal und der Empfangskanal werden durch eine Abschirmung 40 optisch voneinander getrennt, um optisches Übersprechen zu verhindern. Empfangsseitig unterscheidet sich der Aufbau bis auf den fehlenden Strahlteiler 18 nicht von 1.Due to the splitting into its own transmission channel and its own reception channel are the optical elements 20 . 22 and 24 now in duplicate, namely in the light path of the transmitted light 16 a transmitting side beam-forming optics 20a , a transmitting side electrically controllable optical element 22a and a transmission side omnidirectional optics 24a as well as in the light path of the receiving light 28 a reception-side omnidirectional optics 24b , a receiving side electrically controllable optical element 22b and a receiving side beam-forming optics 20b , The transmit channel and the receive channel are shielded 40 optically separated to prevent optical crosstalk. At the receiving end, the structure differs except for the missing beam splitter 18 not from 1 ,

Sendeseitig wird das Sendelicht 16 zunächst in der strahlformenden Optik 20a gebündelt. Das sendeseitige elektrisch steuerbare optische Element 22a ist mit dem empfangsseitigen elektrisch steuerbaren optischen Element 22b synchronisiert, um Sendelicht 16 jeweils nur in den Winkelbereich auszusenden, der gerade von dem Lichtempfänger 30 beobachtet wird. Alternativ kann das sendeseitige elektrisch steuerbare optische Element 22a auch weggelassen werden. Dann wird der gesamte Überwachungsbereich 12 zugleich beleuchtet. Als sendeseitige omnidirektionale Optik 24a dient hier beispielhaft ein gewölbter Spiegel.Transmission side is the transmitted light 16 initially in the beam-forming optics 20a bundled. The transmitting side electrically controllable optical element 22a is with the receiving side electrically controllable optical element 22b synchronized to transmit light 16 in each case send out only in the angular range, just from the light receiver 30 is observed. Alternatively, the transmitting side electrically controllable optical element 22a also be omitted. Then the entire surveillance area 12 illuminated at the same time. As transmitting side omnidirectional optics 24a Here is an example of a curved mirror.

Der Lichtsender 14 kann eine Vielzahl von einzelnen Lichtquellen aufweisen. Dies dient zum einen dazu, eine höhere optische Ausgangsleistung zu erzielen, denn im Gegensatz zu einem gebündelten Strahl wie bei einem Laserscanner verteilt sich das Sendelicht 16 über den gesamten Überwachungsbereich 12. Noch bevorzugter sind die Lichtquellen einzeln aktivierbar. Dann wird jeweils nur diejenige Lichtquelle oder Gruppe von Lichtquellen aktiviert, deren Licht in den von dem Lichtempfänger 30 momentan erfassten Winkelbereich fällt. Sofern der Lichtsender 14 in geeigneter Weise ringförmig ausgebildet ist, wird die optische Ausgangsleistung vornehmlich auf eine gewünschte Überwachungsebene gebündelt.The light transmitter 14 may have a plurality of individual light sources. This serves on the one hand to achieve a higher optical output power, because in contrast to a collimated beam as in a laser scanner, the transmitted light is distributed 16 over the entire surveillance area 12 , More preferably, the light sources are individually activated. Then only that light source or group of light sources is activated, whose light in the light of the receiver 30 currently detected angle range falls. Unless the light transmitter 14 is suitably ring-shaped, the optical output power is focused primarily on a desired surveillance level.

Alle dargestellten omnidirektionalen Optiken 24, 24a, 24b sind lediglich als Beispiele zu verstehen. 4 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung. Die omnidirektionalen Optiken 24a–b sind als Rotationskörper um eine vertikale Mittelachse ausgebildet. Eine Lichteintrittsfläche 42 der sendeseitigen omnidirektionalen Optik 24a an deren oberem Ende ist konvex und dient somit dazu, Sendelicht 16 zu einem Strahl zu bündeln. Die sendeseitige strahlformende Optik 20 wird dadurch ersetzt oder ergänzt. Gegenüber der Lichteintrittsfläche ist eine konische Ausnehmung 44 vorgesehen, an deren Innenfläche 46 das Sendelicht 16 totalreflektiert und so um etwa 90° umgelenkt wird. Eine konkave umlaufende Lichtaustrittsfläche 48 streut das Sendelicht 16 in einem gewünschten Winkel in den Überwachungsbereich 12 auf. Wird die Lichtaustrittsfläche 48 dagegen flach ausgebildet, so wird eine Überwachungsebene 12 ausgeleuchtet.All shown omnidirectional optics 24 . 24a . 24b are to be understood as examples only. 4 shows another possible embodiment. The omnidirectional optics 24a -B are formed as a body of revolution about a vertical central axis. A light entry surface 42 the transmission side omnidirectional optics 24a at its upper end is convex and thus serves to transmit light 16 to bundle to a beam. The transmitting side beam-forming optics 20 will be replaced or supplemented. Opposite the light entry surface is a conical recess 44 provided, on the inner surface 46 the transmitted light 16 totally reflected and thus deflected by about 90 °. A concave circumferential light exit surface 48 scatter the transmitted light 16 at a desired angle in the surveillance area 12 on. Will the light exit surface 48 On the other hand, it is flat, so it becomes a surveillance level 12 illuminated.

Der Aufbau der empfangsseitigen omnidirektionalen Optik 24b ist ganz ähnlich. Das Empfangslicht 28 tritt durch eine umlaufende konvexe Lichteintrittsfläche 50 ein, wird über eine konische Ausnehmung 52 durch Totalreflexion an deren Innenfläche 54 um etwa 90° umgelenkt und tritt durch eine ebene Lichtaustrittsfläche 56 wieder aus. Die Formgebung der omnidirektionalen Optiken 24a–b lässt in der Ausgestaltung der Lichteintrittsflächen 42, 50 und der Lichtaustrittsflächen 48, 56 viele Freiheitsgrade, um die Verteilung des Sendelichts 16 und/oder die Abbildung des Empfangslichts 22 zu optimieren.The structure of the receiving side omnidirectional optics 24b is very similar. The receiving light 28 passes through a circumferential convex light entry surface 50 A, is over a conical recess 52 by total reflection on the inner surface 54 deflected by about 90 ° and passes through a flat light exit surface 56 out again. The shaping of omnidirectional optics 24a -B leaves in the design of the light entry surfaces 42 . 50 and the light exit surfaces 48 . 56 many degrees of freedom to the distribution of transmitted light 16 and / or the image of the receiving light 22 to optimize.

5 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen entfernungsmessenden optoelektronischen Sensors 10. Wie schon bei der Ausführungsform gemäß 3 sind Sendekanal und Empfangskanal getrennt. Im Sendekanal ist anstelle einer omnidirektionalen Optik ein Drehspiegel 58 vorgesehen, der von einem Motor 60 angetrieben wird. Der Motor 60 ist mit einem nicht dargestellten Sensor zur Feststellung der Winkelposition versehen und mit der Auswerteeinheit 32 verbunden. Da das Sendelicht 16 zu einem kleinen Strahldurchmesser gebündelt ist, genügt im Gegensatz zu einem herkömmlichen Laserscanner, bei dem auch das Empfangslicht über einen Spiegel geführt wird, ein kleiner Drehspiegel 58 und Motor 60. Das jeweils transparent geschaltete Winkelsegment 36 des elektrisch steuerbaren optischen Elements 22 wird synchron so gewählt, dass es der Senderichtung entspricht. Der Winkel, unter dem zu einem bestimmten Zeitpunkt Sendelicht 16 ausgesandt wird, ist dem Sensor 10 genau bekannt, so dass eine Winkelauflösung erzielt werden kann, die über die Größe der Winkelsegmente 36 hinausgeht. 5 shows a cross-sectional view of another embodiment of a distance-measuring optoelectronic sensor according to the invention 10 , As in the embodiment according to 3 the transmission channel and the reception channel are separated. In the transmission channel is a rotating mirror instead of an omnidirectional optics 58 provided by a motor 60 is driven. The motor 60 is provided with a sensor, not shown, for determining the angular position and with the evaluation unit 32 connected. Because the transmitted light 16 is bundled to a small beam diameter, is sufficient in contrast to a conventional laser scanner, in which the receiving light is guided through a mirror, a small rotating mirror 58 and engine 60 , The respective transparent connected angle segment 36 the electrically controllable optical element 22 is selected synchronously so that it corresponds to the transmission direction. The angle under which transmitted light at a given time 16 is sent out to the sensor 10 exactly known, so that an angular resolution can be achieved that exceeds the size of the angle segments 36 goes.

Im Empfangskanal dieser Ausführungsform ist die omnidirektionale Optik 24b als Kombination eines konvexen und eines konkaven Spiegels ausgebildet. Dies soll lediglich ein weiteres Beispiel einer möglichen Ausgestaltung einer omnidirektionalen Optik liefern. Grundsätzlich kann jede Form von omnidirektionaler Optik, wie sie beispielhaft in den 1, 3, 4 und 5 gezeigt ist, unabhängig von der jeweils konkret dargestellten Kombination in jeder Ausführungsform des Sensors 10 eingesetzt werden.In the reception channel of this embodiment, the omnidirectional optics 24b formed as a combination of a convex and a concave mirror. This is merely intended to provide another example of a possible embodiment of omnidirectional optics. Basically, any form of omnidirectional optics, as exemplified in the 1 . 3 . 4 and 5 is shown, regardless of the particular concretely illustrated combination in each embodiment of the sensor 10 be used.

Mit Hilfe des elektrisch steuerbaren optischen Elements 22 kann Empfangslicht 28 selektiv nur aus wählbaren Beobachtungsrichtungen empfangen werden. Um diesen Effekt zu unterstützen, kann es sinnvoll sein, eine Winkelsegmentierung auch an anderen Stellen im Empfangspfad vorzunehmen. With the help of the electrically controllable optical element 22 can receive light 28 can be received selectively only from selectable observation directions. To support this effect, it may be useful to make an angle segmentation at other locations in the receive path as well.

6 zeigt eine Draufsicht auf die empfangsseitige omnidirektionale Optik 24b. Eine Sternblende 62 unterteilt die empfangsseitige omnidirektionale Optik 24b in Winkelsegmente. Dazu weist die Sternblende 62 Blendenelemente in Form von Flächen senkrecht zu der zentralen Ebene des Überwachungsbereichs 12 auf, die wie die Strahlen eines Sterns radial nach außen zeigen. Diese Flächen durchdringen den Körper der omnidirektionalen Optik 24b, oder sie sind zur vereinfachten Fertigung vorgeordnet, so dass keine Schlitze oder dergleichen vorgesehen sein müssen. Die Sternblende 62 verhindert, dass streifend auftreffendes Empfangslicht wegen Abbildungsfehlern in ein anderes Winkelsegment abgebildet wird. 6 shows a plan view of the receiving side omnidirectional optics 24b , A star aperture 62 divides the reception-side omnidirectional optics 24b in angle segments. This is indicated by the star aperture 62 Shutter elements in the form of surfaces perpendicular to the central plane of the surveillance area 12 which, like the rays of a star, point radially outward. These surfaces penetrate the body of omnidirectional optics 24b , or they are arranged upstream for simplified production, so that no slots or the like must be provided. The star aperture 62 prevents grazing incident light from being displayed in another angle segment due to aberrations.

7 zeigt eine alternative Ausgestaltung der strahlformenden Optik 20 mit mehreren Teillinsen 64. Die Teillinsen 64 sind hier tränenförmig ausgebildet und jeweils einem Winkelsegement 36 des elektrisch ansteuerbaren optischen Elements 22 zugeordnet, so dass jeweils das Licht aus einem Winkelsegment 36 auf den Lichtempfänger 30 geführt wird. 7 shows an alternative embodiment of the beam-forming optics 20 with several partial lenses 64 , The partial lenses 64 are tear-shaped here and each one Winkelsegement 36 of the electrically controllable optical element 22 assigned, so that each light from an angular segment 36 on the light receiver 30 to be led.

8a zeigt in einer Schnittdarstellung und 8b in einer Draufsicht ein Trennelement 66, welches zwischen dem elektrisch steuerbaren optischen Element 22 und der strahlformenden Optik 20 angeordnet ist. Das Trennelement 66 weist für jedes Winkelsegment 36 jeweils einen Kanal oder Tubus auf, die zueinander lichtundurchlässig sind. Das Trennelement 66 ist praktisch eine Fortsetzung der Sternblende 62, so dass das Trennelement 66 zur omnidirektionalen Optik 24 hin verlängert werden beziehungsweise sogar in die Sternblende 62 übergehen kann. Sind Teillinsen 64 gemäß 7 vorgesehen, so ist bevorzugt für jede Teillinse 64 jeweils ein Tubus des Trennelements 66 vorgesehen. 8a shows in a sectional view and 8b in a plan view a separator 66 , which between the electrically controllable optical element 22 and the beam-forming optics 20 is arranged. The separating element 66 points for each angle segment 36 each have a channel or tube, which are opaque to each other. The separating element 66 is practically a continuation of the star aperture 62 so that the separating element 66 for omnidirectional optics 24 extended or even into the star aperture 62 can go over. Are partial lenses 64 according to 7 provided so is preferred for each partial lens 64 in each case a tube of the separating element 66 intended.

9 zeigt die wesentlichen Elemente und den Strahlengang für eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Dabei wird keine virtuelle Drehbewegung erzeugt, sondern das elektrisch ansteuerbare Element 22 wird ausgenutzt, um ein ortsaufgelöstes Abbild des Überwachungsbereichs 12 mit einem Lichtempfänger 30 aufzunehmen, obwohl dieser Lichtempfänger selbst nicht ortsaufgelöst ist, sondern beispielsweise eine einfache Photodiode. Der Überwachungsbereich 12 wird dabei flächig beleuchtet. 9 shows the essential elements and the beam path for a further embodiment of the invention. In this case, no virtual rotation is generated, but the electrically controllable element 22 is exploited to a spatially resolved image of the surveillance area 12 with a light receiver 30 Although this light receiver itself is not spatially resolved, but for example, a simple photodiode. The surveillance area 12 is illuminated areally.

In einem Zeitmultiplexing werden nacheinander jeweils einem anderen Pixel entsprechende Regionen des elektrisch steuerbaren Elements 22 lichtdurchlässig und die übrige Fläche des elektrisch steuerbaren Elements 22 lichtundurchlässig geschaltet. 9 zeigt mit durchgezogenen Linien den Strahlengang für ein lichtdurchlässiges Pixel und mit gestrichelten Linien den Strahlengang für ein anderes lichtdurchlässiges Pixel. Dabei sind also zwei unterschiedliche Zeitpunkte des Zeitmultiplexings in einer Zeichnung übereinander gelegt. Durch sequentielles Durchschalten durch alle oder die gewünschten Pixel wird damit ein vollständiges Bild des Überwachungsbereichs 12 aufgenommen. Damit ist es möglich, einen orts- und entfernungsaufgelösten Lichtempfänger durch Zeitmultiplexing zu emulieren. Die Wahl der Zonen als rechteckige Pixel einer Pixelmatrix ist dabei beispielhaft zu verstehen. Es können auch andere Formen der Zonen und andere Anordnungen der Zonen verwendet werden, um eine Ortsinformation abzuleiten.In time division multiplexing, respective regions of the electrically controllable element corresponding to a different pixel are successively selected 22 translucent and the remaining surface of the electrically controllable element 22 switched opaque. 9 shows with solid lines the beam path for a translucent pixel and with dashed lines the beam path for another translucent pixel. In this case, two different times of the time division multiplexing are superimposed in a drawing. By sequentially switching through all or the desired pixels thus becomes a complete picture of the surveillance area 12 added. This makes it possible to emulate a spatially and distance-resolved light receiver by time division multiplexing. The choice of the zones as rectangular pixels of a pixel matrix is to be understood as an example. Other forms of the zones and other arrangements of the zones may also be used to derive location information.

Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf einzelne Darstellungen beschrieben wurde, sind auch Mischformen mit Kombinationen aus Merkmalen von der Erfindung umfasst, die jeweils zu unterschiedlichen Figuren erläutert wurden. Insbesondere können die sämtlichen Maßnahmen zur Winkelbegrenzung gemäß der 6 bis 8 einzeln oder in Kombination und die diversen omnidirektionalen Optiken 24, 24a, 24b in allen Ausführungsformen eingesetzt werden. Eine Pixelaufteilung gemäß 9 lässt sich vorteilhaft mit den übrigen Ausführungsformen kombinieren, um eine verbesserte Ortsauflösung zu erhalten.Although the invention has been described with reference to embodiments with reference to individual representations, also mixed forms are combined with combinations of features of the invention, which have been explained in each case to different figures. In particular, all the measures for limiting the angle according to 6 to 8th individually or in combination and the various omnidirectional optics 24 . 24a . 24b be used in all embodiments. A pixel layout according to 9 can be advantageously combined with the other embodiments in order to obtain an improved spatial resolution.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6232942 B1 [0004]
DE 202006014939 U1 [0005, 0006]
EP 10152298 [0006]

Claims

Distance measuring optoelectronic sensor ( 10 ) for detecting objects and / or object contours in a surveillance area ( 12 ) with a light transmitter ( 14 ) for transmitting transmitted light ( 16 ) into the surveillance area ( 12 ), a light receiver ( 30 ) for out of the surveillance area ( 12 ) reflected or reflected received light ( 28 ) and with an evaluation unit ( 32 ), which is designed to be a position of detected objects and / or an object contour from the light transit time between transmission of the transmitted light ( 16 ) and reception of the receiving light ( 28 ) and an observation direction, wherein a particularly omnidirectional receiving optics ( 24 . 24b ) is provided to the received light ( 28 ) regardless of the direction of observation on the light receiver ( 30 ), characterized in that the light receiver ( 30 ) an electrically controllable optical element ( 22 . 22b ) with a plurality of controllable in their light transmission zones ( 36 ) and that a selectable direction of observation by higher light transmission of zones ( 36b ), which are assigned to the selected observation direction, and lower light transmittance of the other zones ( 36a ) can be specified.

Sensor ( 10 ) according to claim 1, wherein said zones are angular segments ( 36 ) or groups of zones into angular segments ( 36 ) are summarized, wherein in each case an angular segment ( 36 ) and a selectable observation direction are associated with each other.

Sensor ( 10 ) according to claim 1 or 2, wherein the evaluation unit ( 32 ) is adapted to the electrically controllable element ( 22 . 22b ) so that cyclically and successively adjacent observation directions are selected, so that a virtual rotational movement of the observation direction arises.

Sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the light emitter ( 16 ) an omnidirectional transmission optics ( 24a ) assigned.

Sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the light emitter ( 14 ) has a plurality of individually or in groups activatable light sources.

Sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the light emitter ( 14 ) another electrically controllable optical element ( 22a ) with a plurality of controllable in their light transmission zones ( 36 ), with which a selectable observation direction by higher light transmission of zones ( 36b ), by the transmitted light ( 16 ) falls in the selected direction of observation, and lower light transmittance of the other zones ( 36a ) and in particular the evaluation unit ( 32 ) is adapted to the further electrically controllable element ( 22a ) so that cyclically and successively adjacent observation directions are selected, so that a virtual rotational movement of the observation direction arises.

Sensor ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, wherein a rotatable deflection unit ( 58 . 60 ) in the beam path of the light transmitter ( 14 ) is arranged to transmit the transmitted light ( 16 ) periodically in different directions of observation.

Sensor ( 10 ) according to claim 3 and 6, wherein the virtual rotational movement of the electrically controllable optical element ( 22b ) and the virtual rotational movement of the further electrically controllable optical element ( 22a ) are synchronized with each other or according to claim 3 and 7, wherein the virtual rotational movement of the electrically controllable optical element ( 22b ) and the rotational movement of the deflection unit ( 58 . 60 ) are synchronized with each other.

Sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the omnidirectional receiving optics ( 24b ) a star aperture ( 62 ), which covers the surveillance area ( 12 ) divides into sectors.

Sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein between the electrically controllable optical element ( 22 . 22b ) and the light receiver ( 30 ) an additional receiving optics ( 20 . 20b ), in particular a plurality of partial lenses ( 64 ) for bundling through a zone ( 36 ) or by a group of zones ( 36 ) passing receiving light ( 28 ) on the light receiver ( 30 ) having.

Sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein between the electrically controllable optical element ( 22 . 22b ) and the light receiver ( 30 ) an optical separating element ( 66 ) is arranged with a plurality of mutually opaque channels, each having a shielded light guide for through a zone ( 36 ) or by a group of zones ( 36 ) passing receiving light ( 28 ) on the light receiver ( 30 ) form.

Sensor ( 10 ) according to claim 1, wherein the field of view of the sensor is subdivided into a matrix of pixels, and wherein the zones ( 36b ) higher light transmission one or more pixels and the zones ( 36a ) lower transmittance correspond to the inverse of the one or more pixels.

Sensor according to claim 12, wherein the light transmitter ( 14 ) is a surface lighting.