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Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor zur Erfassung von Objekten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Scanner werden für vielfältige Überwachungs- und Vermessungsaufgaben verwendet. Dazu tastet ein Sendelicht- oder Scanstrahl in einem Überwachungsbereich einen Abtastbereich ab und wertet das remittierte oder reflektierte Licht aus. Ziel ist dabei Helligkeit und Entfernung von Objekten zu bestimmen. Derartige entfernungsmessende Laserscanner arbeiten nach einem Lichtlaufzeitprinzip, bei dem die Laufzeit vom Scanner in die Szenerie und zurück gemessen wird und anhand der Lichtgeschwindigkeit Entfernungsdaten berechnet werden.
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Zwei Arten des Lichtlaufzeitverfahrens sind weit verbreitet. Bei phasenbasierten Verfahren moduliert der Lichtsender den Scanstrahl, und es wird die Phase zwischen einer Referenz und dem empfangenen Scanstrahl ermittelt. Pulsbasierte Verfahren prägen dem Scanstrahl ein signifikantes Muster auf, beispielsweise einen schmalen Puls von nur wenigen Nanosekunden Dauer und bestimmen den Empfangszeitpunkt dieses Musters. In einer als Pulsmittelungsverfahren bezeichneten Verallgemeinerung werden mehrere Pulse oder eine Pulsfolge ausgesandt und die empfangenen Pulse statistisch ausgewertet.
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Zur periodischen Abtastung einer Überwachungsebene oder eines Segments einer Überwachungsebene weisen bekannte Laserscanner eine Ablenkeinheit mit einem Antrieb und einem um eine Drehachse rotierenden Ablenkspiegel mit einer Spiegelfläche auf, die in einem Winkel von 45 Grad zur Drehachse steht. Dadurch wird ein parallel zur Drehachse ausgesendeter Lichtstrahl, der an Schnittpunkt von Drehachse und Spiegelfläche auf die Spiegelfläche trifft, um 90 Grad in einen Überwachungsbereich abgelenkt und spannt bei Rotation des Ablenkspiegels im Überwachungsbereich eine Überwachungsebene auf, die im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse des Ablenkspiegels ausgerichtet ist. Der Lichtstrahl beschreibt also auf einer parallel zur Drehachse ausgerichteten, die Drehachse umschließende Zylinderfläche eine Linie. Die Detektion von aus dem Überwachungsbereich reflektierten oder remittierten Empfangslicht erfolgt dabei vorzugsweise koaxial, die optischen Achsen von Lichtsender- und Empfänger sind im Wesentlichen parallel und fallen mit der Drehachse des Ablenkspiegels zusammen. Es sind aus dem Stand der Technik ebenfalls Laserscanner bekannt, bei denen Lichtsender- und Empfänger nebeneinander angeordnet sind. Die optische Achse des Lichtempfängers ist dabei parallel zu der Drehachse des Ablenkspiegels und die optische Achse des Lichtsenders weist eine leichte Neigung hin zur Drehachse auf. Dies ist beispielsweise in der
EP 2 381 268 B1 der Fall, in der mehrere Lichtsender im Überwachungsbereich überlagert werden.
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Viele Anwendungen erfordern aber die Abtastung eines dreidimensionalen Raumbereichs und nicht lediglich einer Fläche. Ein herkömmlicher Ausweg besteht darin, für eine Relativbewegung zwischen Laserscanner und Objekt zu sorgen, wie beispielsweise in der
DE 197 41 730 B4 . Dies erfordert erheblichen Aufwand, und zahlreiche Anwendungen eignen sich gar nicht für eine solche kontrollierte Relativbewegung.
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Um eine Bewegung des Laserscanners gegenüber dem zu vermessenden Objekt zu vermeiden, werden Laserscanner zu 3D-Scannern weitergebildet. Beispielsweise wird in der
DE 10 2008 032 216 A1 die gesamte Scaneinheit samt Sender, Empfänger und Drehspiegel auf einem Ablenkteller angeordnet. Durch Verschwenken des Ablenktellers wird dann die Scanebene variiert, um so insgesamt einen dreidimensionalen Raumbereich zu überwachen. Dies erfordert aber erheblichen Zusatzaufwand für den Ablenkte-ller und den zusätzlichen Verschwenkantrieb.
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Eine Mehrebenenabtastung als Schritt in Richtung eines 3D-Scanners kann auch erreicht werden, indem Rasterspiegel mit unterschiedlich geneigten Facetten als Ablenkeinheit verwendet werden. Dadurch entsteht ein Winkelversatz der jeweils zu einer Facette gehörigen Abtastebene. Zugleich wird aber der Scanwinkelbereich der jeweiligen Abtastebene auf den Winkelanteil der Facette von typischerweise weniger als 100° beschränkt. Die
EP 1 286 178 A2 überwacht nach einem ganz ähnlichen Prinzip in einem vorderen Winkelbereich von nahezu 180° eine Hauptabtastebene und in einem rückwärtigen Winkelbereich über zwei um wenige Grad verkippte Spiegel zwei weitere Abtastebenen, die auf einen Winkelbereich von 40° beschränkt sind.
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Als weiterer Lösungsansatz ist bekannt, eine zusätzliche Ablenkeinheit meist in Form eines Schwingspiegels zu verwenden, der für eine Ablenkung des Scanstrahls in einer zweiten Richtung sorgt. Dadurch kann die Abtastebene verschwenkt werden. Durch die Verwendung zweier Ablenkeinheiten entstehen aber erhöhte Kosten und ein größerer Bauraumbedarf, somit ein hoher optischer und mechanischer Aufwand, zudem mit zusätzlichen Sende- und Empfangssignalverlusten. In einer speziellen Lösung mit zusätzlichem Schwingspiegel gemäß
DE 20 2009 012 114 U1 wird der 360°-Abtastbereich eines Drehspiegels aufgeteilt. In einem vorderen Winkelbereich wird in herkömmlicher Weise eine Fläche abgetastet. In einem hinteren Winkelbereich wird der Sendelichtstrahl mehrfach umgelenkt und fällt dann auf einen Schwingspiegel, der in einer Richtung quer zu der Ablenkrichtung des Drehspiegels verschwenkt wird. Somit wird über den hinteren Winkelbereich ein Raumausschnitt anstelle einer Fläche abgetastet.
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Vor diesem Hintergrund ist Aufgabe der Erfindung, die Erweiterung des Überwachungsbereichs eines optoelektronischen Sensors mit einfachen Mitteln zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor zur Erfassung von Objekten nach Anspruch 1 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Sensor ist ein Mehrfachtaster, vorzugsweise ein Laserscanner, der mit mehreren räumlich beabstandeten Lichtsendern Sendelichtstrahlen aussendet. Die Lichtsender können eigene Lichtquellen wie LEDs oder Laser aufweisen, oder beispielsweise durch Lichtleitfasern mit einer zentralen Lichtquelle verbunden sein. Sendelichtstrahlen und Empfangslichtstrahlen sind dabei nicht als Strahlen im Sinne der Strahlenoptik innerhalb eines größeren Lichtbündels zu verstehen, sondern als voneinander separierte Lichtbündel und somit vereinzelte Abtaststrahlen, die im Überwachungsbereich voneinander beabstandete Abtastbereiche beleuchten und beim Auftreffen auf ein Objekt entsprechend vereinzelte, voneinander beabstandete Lichtflecken erzeugen. Die Radien der Abtastbereiche entsprechen dabei im Wesentlichen den Strahlradien der Sendelichtstrahlen im Überwachungsbereich.
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Der Sensor weist eine Ablenkeinheit mit einem Antrieb und einem um eine Drehachse rotierenden Ablenkspiegel mit einer Spiegelfläche auf, die bevorzugt in einem Winkel von 45 Grad zur Drehachse steht. Andere Winkel sind grundsätzlich ebenfalls möglich. Wenigstens zwei Lichtsender sind derart zum Ablenkspiegel ausgerichtet, dass die Sendelichtstrahlen an der Spiegelfläche in den Überwachungsbereich abgelenkt werden und dort bei Rotation des Ablenkspiegels auf einer parallel zur Drehachse ausgerichteten, die Drehachse umschließende Zylinderfläche im Überwachungsbereich sinusförmige Kurven beschreiben, wobei die Amplituden der sinusförmigen Kurven vorzugsweise größer als ein Radius der Abtastbereiche im Überwachungsbereich sind. Unter Radius versteht der Fachmann dabei eine übliche Definition eines Strahlradius, beispielsweise Abfall der Lichtintensität auf 1/e2. Bei der Verwendung von mehreren Lichtsendern wird im Überwachungsbereich nicht nur eine Ebene abgetastet, sondern mehrere von einer Ebene abweichende, sich überschneidende Flächen. Bei einer ausreichenden Anzahl von Lichtsendern wird somit ein Volumen abgetastet.
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Die Lichtsender und die optionalen Sendeoptiken sind bevorzugt derart ausgerichtet, dass die Sendelichtstrahlen eine Verkippung zur Drehachse aufweisen. Dadurch entsteht im Überwachungsbereich eine Auffächerung der Sendelichtstrahlen in Bezug zu einer senkrecht zur Drehachse stehenden Ebene. Der durch die Verkippung entstehende Winkel zwischen den Sendelichtstrahlen und der Drehachse ist vom Betrag vorzugsweise wenigstens so groß wie eine Divergenz (halber Öffnungswinkel) der Sendelichtstrahlen. Somit lässt sich bei kompakter Anordnung der Lichtsender im Scanner ein größerer Überwachungsbereich abtasten als bei einer Anordnung, bei der die Lichtsender Sendelichtstrahlen parallel zur Drehachse emittieren.
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Je mehr Lichtsender verwendet werden, desto kleinere Objekte können im Überwachungsbereich detektiert werden (bei gleichbleibender Verkippung der Sendelichtstrahlen zur Drehachse) oder desto größer kann der senkrecht zur Scanebene überwachte Bereich sein (bei vorgegebener Objektauflösung, also einem maximalen vertikalen (d.h. parallel zur Drehachse) Abstand zweier Abtastbereiche).
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In einer Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Sensor einen Lichtempfänger mit mehreren Empfangselementen auf, wobei jedem Lichtsender wenigstens ein Empfangselement zugeordnet ist. Zugeordnet bedeutet in diesem Zusammenhang, dass ein Lichtsender und das zugeordnete Empfangselement so ausgerichtet sind, dass sie im Überwachungsbereich Sendelicht in einen Abtastbereich aussenden und Empfangslicht aus einem Bereich empfangen der im Wesentlichen mit dem Abtastbereich übereinstimmt. Die Lichtsender können mit den ihnen zugeordneten Empfangselementen jeweils simultan oder sequenziell aktiviert und deaktiviert werden. Bei sequenzieller Aktivierung kann ein Übersprechen auf die übrigen Empfangselemente verhindert werden.
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Die Lichtsender und/oder die Empfangselemente des Lichtempfängers sind vorzugsweise kreisförmig um die Drehachse der Ablenkeinheit angeordnet, wobei sich Lichtsender und zugeordnetes Empfangselement jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Drehachse befinden. Die Abstände der Lichtsender zueinander sind bevorzugt gleich groß. Besonders bevorzugt sind die Empfangselemente des Lichtempfängers in einem inneren Kreis und die Lichtsender in einem äußeren Kreis angeordnet. Der Lichtempfänger kann beispielswiese als zirkulares Array mit Photodioden, insbesondere Lawinenphotodioden, als Empfangselementen ausgelegt sein.
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In einer alternativen Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Sensor einen Lichtempfänger mit wenigstens einem Empfangselement auf, wobei der Lichtempfänger eingerichtet ist, Licht aus dem gesamten Überwachungsbereich zu empfangen. Die Lichtsender senden Sendelichtstrahlen sequentiell aus, so dass vom Lichtempfänger empfangenes Empfangslicht eindeutig einem Lichtsender und damit einem Abtastbereich im Überwachungsbereich zugeordnet werden kann. Als Lichtempfänger kann beispielsweise ein programmierbarer Matrixdetektor mit einer Vielzahl von Empfangselementen verwendet werden (z.B. SPAD Array). Werden die Lichtsender sequenziell aktiviert, kann jeweils nur ein dezidierter Anteil der Empfangselemente des Matrixdetektors ausgelesen werden. In einer Variante dieser Ausführungsform ist der Lichtempfänger zentral zur Drehachse der Ablenkeinheit angeordnet und die Lichtsender kreisförmig um den Lichtempfänger.
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Der Lichtempfänger kann eine Empfangsoptik aufweisen, um das Empfangslicht auf die Empfangselemente zu bündeln, wobei für ein oder mehrere Empfangselemente eigene Empfangsoptiken oder eine gemeinsame Empfangsoptik für alle Empfangselemente des Lichtempfängers vorgesehen sein können.
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Zur Abdeckung des Überwachungsbereichs weist der Sensor wenigstens drei, bevorzugt fünf oder mehr Lichtsender auf. Den Lichtsendern kann eine Sendeoptik vorgeschaltet sein, die beispielsweise dafür sorgt, dass die ausgesandten Lichtstrahlen eine gewünschte Strahlform, eine klare Separation voneinander oder bestimmte Strahlrichtungen aufweisen. Dabei kann für jeden Lichtsender eine eigene Sendeoptik vorgesehen sein oder eine gemeinsame Sendeoptik für alle Lichtsender.
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Die Lichtsender und Empfangselemente des Lichtempfängers sind mit einer Steuer- und Auswertungseinheit verbunden, um Sendelichtstrahlen zu erzeugen und um aus den Empfangslichtstrahlen in den Empfangselementen erzeugte Empfangssignale auszuwerten. Bei dieser Auswertung wird festgestellt, ob ein Objekt erfasst wurde. Die Steuer- und Auswertungseinheit steuert außerdem den Antrieb der Ablenkeinheit. Die Ablenkeinheit kann einen Encoder aufweisen, der ein Winkelsignal erzeugt aus dem sich die Winkelposition der Ablenkeinheit bestimmen lässt.
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Die Steuer- und Auswertungseinheit kann mit der Erfassung der Objekte auch eine Positionsbestimmung vornehmen. Der Abstand wird mit einem der einleitend genannten Lichtlaufzeitverfahren gemessen. Der Winkel bezüglich der Drehbewegung für die Erfassung eines Objekts ist von dem Encoder unmittelbar bekannt, der Winkel bezüglich der senkrecht zur Drehachse liegenden Ebene durch die Justage der Lichtsender und dem Winkel der Spiegelfläche zur Drehachse. Das gewünschte Ergebnis der Auswertung wird an einem Ausgang bereitgestellt, sei es beispielsweise als binäres Objektfeststellungssignal insbesondere für sicherheitstechnische Anwendungen, als Objektliste mit Koordinaten der Erfassung oder als zwei- beziehungsweise dreidimensionales Rohbild.
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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
- 1 eine beispielhafte Schnittdarstellung eines Sensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 2 eine schematische Darstellung eines Strahlengangs des Sensors aus 1.
- 3 eine schematische Anordnung von Lichtsendern und Lichtempfänger für einen erfindungsgemäßen Sensor mit einer gemeinsamen Empfangsoptik.
- 4 eine alternative schematische Anordnung von Lichtsendern und Lichtempfängern für einen erfindungsgemäßen Sensor mit individuellen Empfangsopti ken.
- 5 eine schematische Darstellung von Bahnkurven der Abtastbereiche eines Sensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
- 6a eine schematische Darstellung eines Strahlengangs eines Sensors gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
- 6b eine schematische Anordnung von Lichtsendern und Lichtempfänger für den erfindungsgemäßen Sensor aus 6a.
- 7a eine alternative schematische Anordnung von Lichtsendern und Lichtempfängern für einen erfindungsgemäßen Sensor.
- 7b eine schematische Anordnung von Lichtsendern und Lichtempfänger für den erfindungsgemäßen Sensor aus 7a.
- 8 eine beispielhafte Schnittdarstellung eines Sensors nach dem Stand der Technik.
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8 zeigt eine beispielhafte Schnittdarstellung eines Sensors 110 nach dem Stand der Technik.
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Ein Lichtsender 112, beispielsweise eine LED oder eine Laserdiode, sendet über eine Sendeoptik 114 einen Sendelichtstrahl oder Sendelichtstrahl 116 aus, der nach Ablenkung an einer Ablenkeinheit 118 aus dem Sensor 110 in einen Überwachungsbereich 120 austritt. Wird von dem Sendelichtstrahl 116 ein Objekt angetastet, so kehrt reflektiertes oder remittiertes Licht als Empfangslichtstrahl 122 zu dem Sensor 110 zurück und wird nach erneuter Ablenkung an der Ablenkeinheit 118 von einer Empfangsoptik 124 auf einen Lichtempfänger 126 gebündelt.
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Ein Antrieb 134 versetzt die Ablenkeinheit 118 in eine Drehbewegung bezüglich einer Drehachse 130. Die jeweilige Winkelstellung wird von einem Encoder 132 bestimmt. Im Verlauf der Drehbewegung tastet der Sendelichtstrahl 116 im Überwachungsbereich 120 eine zu der Drehachse 130 im Wesentlichen senkrechte Abtastebene mit einem Abtastbereich 121 ab, der im Wesentlichen dem Strahldurchmesser des Sendelichtstrahls 116 entspricht. In einer senkrecht zur Abtastebene stehenden Ebene bewegt sich der Abtastbereich 121 dabei auf einer Linie
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Eine Steuer- und Auswertungseinheit 146 ist mit dem Lichtsender 112 und dem Lichtempfänger 126 verbunden, um den Sendelichtstrahl 116 zu erzeugen und ein aus dem Empfangslichtstrahl 122 im Lichtempfänger 126 erzeugtes Empfangssignal auszuwerten. Bei dieser Auswertung wird festgestellt, ob ein Objekt erfasst wurde. Die Steuer- und Auswertungseinheit 146 steuert außerdem den Antrieb 128 und erhält das Winkelsignal des Encoders 132, wobei entsprechende Verbindungen der besseren Übersicht halber nicht eingezeichnet sind.
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Vorzugsweise nimmt die Steuer- und Auswertungseinheit 146 mit der Erfassung der Objekte auch eine Positionsbestimmung vor. Der Abstand wird mit einem der einleitend genannten Lichtlaufzeitverfahren gemessen. Der Winkel bezüglich der Drehbewegung für die Erfassung eines Objekts ist von dem Encoder 132 unmittelbar bekannt. Das gewünschte Ergebnis der Auswertung wird an einem Ausgang 148 bereitgestellt, sei es beispielsweise als binäres Objektfeststellungssignal insbesondere für sicherheitstechnische Anwendungen, als Objektliste mit Koordinaten der Erfassung oder als zwei- beziehungsweise dreidimensionales Rohbild.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Sensors 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Es sind diverse andere Anordnungen der einzelnen Elemente eines optoelektronischen Sensors zur Erfassung von Objekten denkbar und von der Erfindung umfasst. Die Darstellung soll also nur beispielhaft zu verstehen sein.
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Ein erster Lichtsender 12a, beispielsweise eine LED oder eine Laserdiode, sendet über eine erste Sendeoptik 14a einen ersten Sendelichtstrahl 16a aus, ein zweiter Lichtsender 12b, beispielsweise eine LED oder eine Laserdiode, sendet über eine zweite Sendeoptik 14b einen zweiten Sendelichtstrahl 16b aus.
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Ein Antrieb 34 versetzt eine Ablenkeinheit mit Ablenkspiegel 18 in eine Drehbewegung bezüglich einer Drehachse 30. Die jeweilige Winkelstellung wird von einem Encoder 32 bestimmt. Der Ablenkspiegel 18 weist einen Winkel von 45 Grad zur Drehachse 30 auf.
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Die Lichtsender 12a, 12b mit den zugehörigen Sendeoptiken 14a, 14b sind so ausgerichtet, dass die Sendelichtstrahlen 16a, 16b mit einem Winkel 15a, 15b von der Drehachse 20 weg geneigt sind. Dadurch entsteht im Überwachungsbereich 20 eine Auffächerung der Sendelichtstrahlen 16a, 16b in Bezug zu einer senkrecht zur Drehachse 30 stehenden Ebene, so dass die Sendelichtstrahlen 16a, 16b nach Ablenkung am Ablenkspiegel 18 im Überwachungsbereich 20 Abtastbereiche 21a, 21b abtasten, die bei Rotation des Ablenkspiegel 18 auf einer parallel zur Drehachse 30 ausgerichteten, die Drehachse 30 umschließende Zylinderfläche 23 im Überwachungsbereich 20 im Wesentlichen sinusförmige Kurven 25a, 25b mit Amplituden 27a, 27b beschreiben.
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Die Abtastbereiche 21a, 21b weisen Radien 29a, 29b auf, die im Wesentlichen Strahlradien der Sendelichtstrahlen 16a, 16b im Überwachungsbereich 20 entsprechen. Die Neigung der Sendelichtstrahlen 16a, 16b ist so gewählt, dass die Amplituden 27a, 27b der sinusförmigen Kurven 25a, 25b größer sind als die Radien 29a, 29b der Abtastbereiche 21a, 21b im Überwachungsbereich. Bei der Verwendung von mehreren Lichtsendern 12a, 12b wird im Überwachungsbereich 20 somit nicht nur eine Ebene, sondern mehrere von einer Ebene abweichende, sich überschneidende Flächen abgetastet. Bei einer ausreichenden Anzahl von Lichtsendern wird so ein Volumen abgetastet. Je mehr Lichtsender verwendet werden, desto kleinere Objekte können im Volumen detektiert werden.
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Wird ein Objekt von mindestens einem der Sendelichtstrahlen 16a,16b angetastet, so kehrt reflektiertes oder remittiertes Licht als Empfangslichtstrahlen 22a, 22b zum Sensor 10 zurück und wird nach erneuter Ablenkung am Ablenkspiegel 18 von einer Empfangsoptik 24 auf einen Lichtempfänger 26 gebündelt und dort von mindestens einem, den jeweiligen Lichtsendern 12a, 12b zugeordnetem Empfangselement 28a, 28b des Lichtempfängers 26 empfangen. Zugeordnet bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Lichtsender 12a, 12b und die zugeordneten Empfangselemente 28a, 28b so ausgerichtet sind, dass sie Sendelichtstrahlen 16a,16b und Empfangslichtstrahlen 22a, 22b in im Wesentlichen gleiche Abtastbereiche 21a, 21b aussenden beziehungsweise aus diesen empfangen.
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Eine Steuer- und Auswertungseinheit 46 ist mit dem Lichtsendern 12a, 12b und dem Lichtempfänger 26 verbunden, um die Sendelichtstrahlen 16a, 16b zu erzeugen und aus remittiertem Licht 22a, 22b in dem Lichtempfänger 26 erzeugte Empfangssignale auszuwerten. Bei dieser Auswertung wird festgestellt, ob ein Objekt erfasst wurde. Die Steuer- und Auswertungseinheit 46 steuert außerdem den Antrieb 28 und erhält das Winkelsignal des Encoders 32, wobei entsprechende Verbindungen der besseren Übersicht halber nicht eingezeichnet sind.
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Die Steuer- und Auswertungseinheit 46 kann die Empfangselemente 28a, 28b des Lichtempfängers 26 und die zugeordneten Lichtsender 12a, 12b jeweils sequenziell aktivieren und deaktivieren, um ein Übersprechen auf die übrigen Empfangselemente zu verhindern.
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Vorzugsweise nimmt die Steuer- und Auswertungseinheit 46 mit der Erfassung der Objekte auch eine Positionsbestimmung vor. Der Abstand wird mit einem der einleitend genannten Lichtlaufzeitverfahren gemessen. Der Winkel bezüglich der Drehbewegung für die Erfassung eines Objekts ist von dem Encoder 32 unmittelbar bekannt, der Winkel 15a, 15b bezüglich der Drehachse 30 sind durch die Neigung der Sendelichtstrahlen 16a, 16b vorgegeben. Das gewünschte Ergebnis der Auswertung wird an einem Ausgang 48 bereitgestellt, sei es beispielsweise als binäres Objektfeststellungssignal insbesondere für sicherheitstechnische Anwendungen, als Objektliste mit Koordinaten der Erfassung oder als zwei- beziehungsweise dreidimensionales Rohbild.
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2 zeigt in vereinfachter schematischer Form die Strahlengänge der Ausführungsform des Sensors aus 1.
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Ein erster Lichtsender 12a und eine erste Sendeoptik 14 sind so ausgerichtet, dass der ein erster Sendelichtstrahl 16a unter einem ersten Winkel 15a zur Drehachse 30 des Ablenkspiegels 18 abgestrahlt wird. In der gezeigten Stellung des Ablenkspiegels trifft der erste Sendelichtstrahl 16a diesen im oberen Bereich und tastet im Überwachungsbereich einen ersten Abtastbereich 21a ab. Aus dem ersten Abtastbereich 21a reflektiertes oder remittiertes erstes Empfangslicht 22a gelangt über Ablenkspiegel 18 und eine Empfangsoptik 24 auf ein erstes Empfangselement 28b.
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Analog sind ein zweiter Lichtsender 12b und eine zweite Sendeoptik 14b so ausgerichtet, dass ein zweiter Sendelichtstrahl16b unter einem zweiten Winkel 15b zur Drehachse 30 des Ablenkspiegels 18 abgestrahlt wird. In der gezeigten Stellung des Ablenkspiegels trifft der zweite Sendelichtstrahl 16b diesen im unteren Bereich und tastet im Überwachungsbereich einen zweiten Abtastbereich 21 b ab. Aus dem zweiten Abtastbereich 21b reflektiertes oder remittiertes zweites Empfangslicht 22b gelangt über Ablenkspiegel 18 und eine Empfangsoptik 24 auf ein zweites Empfangselement 28b.
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Bei Rotation des Ablenkspiegels 18 um die Drehachse 30 verändert sich ein Auftreffpunkt der Sendelichtstrahlen 16a, 16b auf dem Ablenkspiegel, so dass die Abtastbereiche 21a, 21b im Überwachungsbereich 20 auf einer parallel zur Drehachse 30 ausgerichteten, die Drehachse 30 umschließende Zylinderfläche 23 im Wesentlichen sinusförmige Kurven abtasten, hier beispielhaft für den Abtastbereich 21a mit der Kurve 25a gezeigt.
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Die Abbildung der Abtastbereiche 21a, 21b auf die Empfangselemente 28a, 28b bleibt bei Rotation des Ablenkspiegels 18 ortsfest.
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Die Amplituden 27a, 27b der sinusförmigen Bahnkurven 25a, 25b hängen von den Winkeln 15a, 15b der Sendelichtstrahlen 16a, 16b mit der Drehachse ab. Die Amplituden sollten nicht kleiner sein als die Radien 29a, 29b der Abtastbereiche 21a, 21b, welche im Wesentlichen den Radien der Sendelichtstrahlen 16a, 16b im Überwachungsbereich entsprechen.
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Die Amplituden der sinusförmigen Bahnkurven 25a, 25b können aber auch durch eine maximal geforderte Objektauflösung, also einem maximalen vertikalen (d.h. parallel zur Drehachse 30) Abstand 31 zweier Abtastbereiche 21a, 21b definiert sein. Beträgt die Objektauflösung beispielsweise 200mm in 5000mm Entfernung ergibt sich daraus ein maximaler vertikaler Abstand 31 der einzelnen sinusförmigen Bahnkurven 25a, 25b von 2,3 Grad. Je mehr Lichtsender 12a, 12b verwendet werden, desto größer können die Winkel 15a, 15b der Sendelichtstrahlen 16a, 16b mit der Drehachse 30 gewählt werden. Bei der Verwendung von 4 Lichtsendern 12a, 12b ergibt sich für die oben angegebenen Werte beispielsweise ein Winkel 15a, 15b von 1,6 Grad, bei der Verwendung von 8 Lichtsendern 12a, 12b ein Winkel 15a, 15b von 3 Grad.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung von Lichtsendern und Lichtempfängern in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors mit fünf Lichtsendern 12a, 12b, 12c, 12d, 12e mit eigenen Sendeoptiken 14a, 14b, 14c, 14d, 14e und fünf den Lichtsendern 12a, 12b, 12c, 12d, 12e zugeordneten Empfangselementen 28a, 28b, 28c, 28d, 28e mit einer gemeinsamen Empfangsoptik 24. Die Lichtsender 12a, 12b, 12c, 12d, 12e und die Sendeoptiken 14a, 14b, 14c, 14d, 14e sind auf einem ersten, äußeren Kreis 50 um die Drehachse 30 angeordnet, die Lichtsender 28a, 28b, 28c, 28d, 28e auf einem inneren Kreis 52, wobei sich einander zugeordnete Lichtsender und Empfangselemente jeweils auf gegenüberliegenden Seiten der Drehachse 30 befinden.
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4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung von Lichtsendern und Lichtempfänger in alternativen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors. Im Unterschied zur in 4 gezeigten Ausführungsform ist jedem der Empfangselemente 28a, 28b, 28c, 28d, 28e eine eigene Empfangsoptik 24a, 24b, 24c, 24d, 24e zugeordnet.
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5 zeigt die sinusförmigen Bahnkurven 25a, 25b, 25c, 25d, 25e der Abtastbereiche 21a, 21b, 21c, 21d, 21e 20 auf einer parallel zur Drehachse 30 ausgerichteten, die Drehachse 30 umschließende Zylinderfläche 23 für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors mit fünf Lichtsendern 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, die wie in 3 und 4 kreisförmig um die Drehachse 30 des Ablenkspiegels 18 angeordnet sind. Die Amplituden der sinusförmigen Bahnkurven 25a, 25b, 25c, 25d, 25e sind größer als die Radien der Abtastbereiche 21a, 21b, 21c, 21d, 21e, so dass im Überwachungsbereich 20 nicht nur eine Ebene 54 abgetastet, sondern mehrere von einer Ebene abweichende, sich überschneidende Flächen. Bei einer ausreichenden Anzahl von Lichtsendern wird so ein Volumen abgetastet. Je mehr Lichtsender verwendet werden, desto kleinere Objekte können im Volumen detektiert werden (bei gleichbleibender Verkippung der Sendelichtstrahlen zur Drehachse) oder desto größer kann der senkrecht zur Ebene 54 überwachte Bereich sein (bei vorgegebener Objektauflösung, also einem maximalen vertikalen (d. h. parallel zur Drehachse 30 oder senkrecht zur Ebene 54) Abstand zweier Abtastbereiche 21a, 21b, 21c, 21d, 21e).
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6a und 6b zeigen in vereinfachter schematischer Form die Strahlengänge und Anordnung von Lichtsendern und Empfangselementen einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors.
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Im Unterschied zu der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform sind im Sensor 60 die Positionen der Lichtsender mit Sendeoptiken mit den Positionen der Empfangselemente mit Empfangsoptiken vertauscht. Die Empfangselemente 28a, 28b, 28c, 28d, 28e mit Empfangsoptiken 24a, 24b, 24c, 24d, 24e sind hier also auf dem ersten, äußeren Kreis 50 um die Drehachse 30 angeordnet, die Lichtsender 12a, 12b, 12c, 12d, 12e mit den Sendeoptiken 14a, 14b, 14c, 14d, 14e auf dem inneren Kreis 52. Die Ausführungsformen unterscheiden sich also lediglich in der Positionierung der Lichtsender und Empfangselemente, sämtliche Überlegungen bezüglich der Winkel zwischen Sendelichtstrahlen 16a, 16b und Drehachse 30 gelten analog zum Ausführungsbeispiel aus den 1 und 2.
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7a und 7b zeigen in vereinfachter schematischer Form die Strahlengänge und Anordnung von Lichtsendern und Empfangselementen einer weiteren alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors.
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Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsformen sind im Sensor 70 alle Lichtsender 12a, 12b auf einer Seite der Drehachse 30 angeordnet und die den Lichtsendern zugeordneten Empfangselemente 28a, 28b auf der gegenüberliegenden Seite. In dieser Ausführungsform, weisen die Lichtsender 12a, 12b, eine gemeinsame Sendeoptik 14 und die Empfangselemente 28a, 28b eine gemeinsame Empfangsoptik 24 auf. Die Ausführungsform kann auch mehr als zwei Lichtsender und Empfangselemente aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2381268 B1 [0004]
- DE 19741730 B4 [0005]
- DE 102008032216 A1 [0006]
- EP 1286178 A2 [0007]
- DE 202009012114 U1 [0008]
