DE202021100643U1 - Spectrally sensitive optoelectronic device for monitoring a surveillance area - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung (10, 40, 70, 100, 140) zur Überwachung eines Überwachungsbereichs (12, 154) mit
- wenigstens einer Referenzstruktur (30, 90, 130, 152) zur Erzeugung von Referenzlicht (32, 52, 82, 132, 160) mit einer vorgegebenen spektralen Charakteristik,
- wenigstens einem Lichtempfänger (20, 62, 92, 120, 144a, ..., 144n) zur Erfassung von Empfangslicht (38, 58, 88, 138, 158) aus dem Überwachungsbereich (12, 154) und zum Erzeugen von Empfangssignalen aus dem Empfangslicht (38, 58, 88, 138, 158), wobei das Empfangslicht (38, 58, 88, 138, 158) das Referenzlicht (32, 52, 82, 132, 160) und/oder von Objekten (34, 162) im Überwachungsbereich (12, 154) remittiertes und/oder reflektiertes Objektlicht (36, 56, 86, 136, 164) umfasst,
- einer Steuer- und Auswerteeinheit (24, 124, 150) zum Ansteuern des Lichtempfängers (20, 62, 92, 120, 144a, ..., 144n) und zum Empfangen der Empfangssignale, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (24, 124, 150) dazu ausgebildet ist, aus den Empfangssignalen eine erfasste spektrale Charakteristik des Empfangslichts (38, 58, 88, 138, 158) zu bestimmen, die erfasste spektrale Charakteristik des Empfangslichts (38, 58, 88, 138, 158) mit der vorgegebenen spektralen Charakteristik des Referenzlichts (32, 52, 82, 132, 160) zu vergleichen und bei einer vorbestimmten Abweichung der erfassten spektralen Charakteristik von der vorgegebenen spektralen Charakteristik eine sicherheitsgerichtete Aktion auszulösen.

Figure DE202021100643U1_0000
Device (10, 40, 70, 100, 140) for monitoring a surveillance area (12, 154).
- at least one reference structure (30, 90, 130, 152) for generating reference light (32, 52, 82, 132, 160) with a predetermined spectral characteristic,
- at least one light receiver (20, 62, 92, 120, 144a, ..., 144n) for detecting received light (38, 58, 88, 138, 158) from the monitored area (12, 154) and for generating received signals the received light (38, 58, 88, 138, 158), wherein the received light (38, 58, 88, 138, 158) the reference light (32, 52, 82, 132, 160) and/or from objects (34, 162 ) includes object light (36, 56, 86, 136, 164) remitted and/or reflected in the monitored area (12, 154),
- A control and evaluation unit (24, 124, 150) for controlling the light receiver (20, 62, 92, 120, 144a, ..., 144n) and for receiving the received signals, characterized in that the control and evaluation unit ( 24, 124, 150) is designed to determine a detected spectral characteristic of the received light (38, 58, 88, 138, 158) from the received signals, the detected spectral characteristic of the received light (38, 58, 88, 138, 158) to compare it with the specified spectral characteristic of the reference light (32, 52, 82, 132, 160) and to trigger a safety-related action if the detected spectral characteristic deviates from the specified spectral characteristic.
Figure DE202021100643U1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine spektral sensitive optoelektronische Vorrichtung zur Überwachung eines Überwachungsbereichs nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a spectrally sensitive optoelectronic device for monitoring a surveillance area according to the preamble of claim 1.

Das primäre Ziel der Sicherheitstechnik ist, Personen vor Gefahrenquellen zu schützen, wie sie beispielsweise Maschinen im industriellen Umfeld darstellen. Die Maschine wird mit Hilfe von Sensoren überwacht, und wenn demnach eine Situation vorliegt, in der eine Person gefährlich nahe an die Maschine zu gelangen droht, wird eine geeignete Absicherungsmaßnahme ergriffen.The primary goal of safety technology is to protect people from sources of danger, such as those presented by machines in an industrial environment. The machine is monitored with the help of sensors, and accordingly, if there is a situation where a person threatens to come dangerously close to the machine, an appropriate safety measure is taken.

Herkömmlich werden vor allem optoelektronische Sensoren wie Lichtgitter oder Laserscanner für eine sicherheitstechnische Überwachung eingesetzt. In jüngerer Zeit treten 3D-Kameras hinzu. In der Sicherheitstechnik eingesetzte Sensoren müssen besonders zuverlässig arbeiten und deshalb hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen, beispielsweise die Norm EN 13849 für Maschinensicherheit und die Gerätenorm IEC61496 oder EN61496 für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS). Zur Erfüllung dieser Sicherheitsnormen sind eine Reihe von Maßnahmen zu treffen, wie sichere elektronische Auswertung durch redundante, diversitäre Elektronik, Funktionsüberwachung oder speziell Überwachung der Verschmutzung optischer Bauteile.Conventionally, primarily optoelectronic sensors such as light grids or laser scanners are used for safety-related monitoring. More recently, 3D cameras have been added. Sensors used in safety technology must work particularly reliably and therefore meet high safety requirements, for example the EN 13849 standard for machine safety and the IEC61496 or EN61496 device standard for electro-sensitive protective equipment (ESPE). A number of measures must be taken to meet these safety standards, such as reliable electronic evaluation using redundant, diverse electronics, function monitoring or special monitoring of the contamination of optical components.

Ein gängiges Absicherungskonzept sieht vor, dass Schutzfelder konfiguriert werden, die während des Betriebs der Maschine vom Bedienpersonal nicht betreten werden dürfen. Ein optoelektronischer Sicherheitssensor erfasst geometrische Informationen über seine Umgebung und setzt dies mit einer intern hinterlegten Geometrie eines Schutzfeldes in Beziehung. Konkret werden vorkonfigurierte Schutzfelder oder Schutzvolumina programmiert, und es wird eine Überschneidung der gemessenen Umgebungskontur mit diesen Schutzbereichen detektiert. Erkennt der Sensor auf diese Weise einen unzulässigen Schutzfeldeingriff, etwa ein Bein einer Bedienperson, so wird die Maschine veranlasst, in einen sicheren Zustand zu wechseln.A common protection concept provides for protective fields to be configured that operating personnel are not allowed to enter while the machine is in operation. An optoelectronic safety sensor captures geometric information about its surroundings and relates this to an internally stored geometry of a protective field. Specifically, preconfigured protective fields or protective volumes are programmed, and an intersection of the measured surrounding contour with these protective areas is detected. If the sensor detects an inadmissible intrusion into the protective field in this way, such as an operator's leg, the machine is prompted to switch to a safe state.

Die EP 0 793 208 A2 beschreibt eine spektrale Detektion für eine sicherheitsgerichtete Anwendung, wobei ein Eingriff eines Gegenstands (beispielsweise der Eingriff einer Hand in eine Maschine), durch Detektion von Wärmestrahlung ermittelt wird. Ausführungsbeispiele mit Detektion im optischen Wellenlängenbereich sind ebenfalls beschrieben, wobei jeweils eine vorgegebene spektrale Signatur des eingreifenden Gegenstands erkannt wird. Daher muss beispielweise zur Detektion einer Hand ein Reflektor mit bekannter spektraler Signatur an der Hand angeordnet sein (z.B. an einem Handschuh).the EP 0 793 208 A2 describes a spectral detection for a safety-related application, wherein an intrusion of an object (for example the intrusion of a hand into a machine) is determined by detecting thermal radiation. Exemplary embodiments with detection in the optical wavelength range are also described, with a predetermined spectral signature of the interfering object being recognized in each case. Therefore, for example, to detect a hand, a reflector with a known spectral signature must be arranged on the hand (eg on a glove).

Aus der EP 2 064 480 B1 ist eine Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung bekannt, welche basierend auf einer spektralen Auswertung eine Unterscheidung zwischen einem zu bearbeitenden Material und einem menschlichen Gewebe vornehmen und sicherheitskritische Aktionen ableiten kann. Somit ist auch hier eine Ermittlung der spektralen Signatur des eingreifenden Gegenstandes nötig. Die genannte Vorrichtung arbeitet mit ultrabreitbandigen (oder Ultra Wide Band oder UWB) Signalen, welche ein Frequenzspektrum mit einer Mittenfrequenz im Frequenzbereich von 1 GHz bis 15 GHz aufweisen (also im Radarbereich), so dass die Ortsauflösung limitiert ist.From the EP 2 064 480 B1 a machine tool monitoring device is known which, based on a spectral evaluation, can make a distinction between a material to be processed and human tissue and derive safety-critical actions. It is therefore also necessary here to determine the spectral signature of the interfering object. The device mentioned works with ultra-broadband (or Ultra Wide Band or UWB) signals which have a frequency spectrum with a center frequency in the frequency range from 1 GHz to 15 GHz (ie in the radar range), so that the spatial resolution is limited.

Die EP 2 233 818 B1 beschreibt einen Sicherheitssensor, der ein sicherheitskritisches Objekt durch eine im Sicherheitssensor durchgeführte Spektralanalyse sicher von anderen, nicht sicherheitskritischen Objekten unterscheiden kann, wobei ebenfalls eine Erkennung des sicherheitskritischen Objekts nötig ist, dessen spektrale Charakteristik also bekannt sein muss.the EP 2 233 818 B1 describes a safety sensor that can reliably distinguish a safety-critical object from other, non-safety-critical objects by means of a spectral analysis carried out in the safety sensor.

Die genannten Verfahren aus dem Stand der Technik basieren auf der Erkennung bekannter spektraler Signaturen von Objekten, um deren Eindringen in einen Überwachungsbereich zu detektieren. Nachteilig ist dabei, dass die spektralen Signaturen der Objekte bekannt sein oder eingelernt werden müssen, oder die Objekte mit Markierungen bekannter spektraler Signaturen versehen werden müssen.The methods from the prior art mentioned are based on the recognition of known spectral signatures of objects in order to detect their intrusion into a surveillance area. The disadvantage here is that the spectral signatures of the objects must be known or learned, or the objects must be marked with known spectral signatures.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte spektral sensitive optoelektronische Vorrichtung zur Überwachung eines Überwachungsbereichs anzugeben.It is therefore the object of the invention to specify an improved spectrally sensitive optoelectronic device for monitoring a monitoring area.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, dass ein Überwachungsbereich wenigstens eine Referenzstruktur aufweist, die Licht mit einer vorgegebenen spektralen Charakteristik erzeugt (im Folgenden auch „Referenzlicht“ genannt), das von einem oder mehreren Lichtempfängern eines spektral sensitiven optoelektronischen Sensors (im Folgenden auch „Spektralsensor“ genannt) erfasst und in Empfangssignale umgewandelt wird.The invention is based on the basic idea that a monitoring area has at least one reference structure that generates light with a predetermined spectral characteristic (also referred to below as “reference light”), which is received by one or more light receivers of a spectrally sensitive optoelectronic sensor (also referred to below as “ Spectral sensor") is detected and converted into received signals.

Die Erzeugung des Referenzlichts durch die Referenzstruktur kann passiv (beispielsweise durch Remission und/oder Reflexion von Sendelicht oder durch von Sendelicht induzierter Lumineszenz) oder aktiv (beispielsweise durch eine Referenzlichtquelle) erfolgen.The reference light can be generated passively by the reference structure (for example by remission and/or reflection of transmitted light or by luminescence induced by transmitted light) or actively (for example by a reference light source).

Der Begriff „spektrale Charakteristik“ ist als spektrale Zusammensetzung von Licht zu verstehen, insbesondere des von der Referenzstruktur und/oder Objekten im Überwachungsbereich emittierten, remittierten und/oder reflektierten Lichts, das vom Lichtempfänger als Empfangslicht erfasst wird.The term "spectral characteristic" is to be understood as the spectral composition of light, in particular the light emitted, remitted and/or reflected by the reference structure and/or objects in the monitored area, which is detected by the light receiver as received light.

Befindet sich kein Objekt im Überwachungsbereich, gelangt das Referenzlicht als Empfangslicht mit unveränderter, vorgegebener spektraler Charakteristik zum Lichtempfänger. Ein in den Überwachungsbereich zwischen der Referenzstruktur und dem Spektralsensor eingreifendes Objekt führt zu einer veränderten, beziehungsweise vollständig unspezifischen spektralen Charakteristik des Empfangslichts, die vom Spektralsensor erfasst werden kann. Eine Steuer- und Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet, die erfasste spektrale Charakteristik des Empfangslichtes mit der vorgegebenen spektralen Charakteristik des Referenzlichts zu vergleichen. Bei einer vorbestimmten Abweichung der erfassten spektralen Charakteristik von der vorgegebenen spektralen Charakteristik kann die Steuer- und Auswerteeinheit eine sicherheitsgerichtete Aktion auslösen. Damit wird das Prinzip der Negativklassifizierung angewandt, wobei zunächst nicht sicherheitsrelevante Elemente detektiert werden und eine Störung der Detektion als sicherheitskritisches Ereignis bewertet wird.If there is no object in the monitored area, the reference light reaches the light receiver as received light with unchanged, specified spectral characteristics. An object encroaching on the monitoring area between the reference structure and the spectral sensor leads to a changed or completely unspecific spectral characteristic of the received light, which can be detected by the spectral sensor. A control and evaluation unit is designed to compare the detected spectral characteristic of the received light with the specified spectral characteristic of the reference light. In the event of a predetermined deviation of the detected spectral characteristic from the specified spectral characteristic, the control and evaluation unit can trigger a safety-related action. The principle of negative classification is thus applied, with elements that are not safety-relevant being detected first and a fault in the detection being evaluated as a safety-critical event.

Die Referenzstruktur kann beispielswiese als Referenzfläche ausgebildet sein, die einen Hintergrund eines zu überwachenden Überwachungsbereichs bildet. In einer weiteren Ausführungsform kann die Referenzstruktur an den Rändern des zu überwachenden Überwachungsbereichs angeordnet sein. Die vom Spektralsensor zu überwachende Fläche ist dann auf diese Ränder begrenzt, und es kann ein Eintreten und/oder Austreten eines Objekts in, beziehungsweise aus dem Überwachungsbereich detektiert werden.The reference structure can be designed, for example, as a reference surface that forms a background of a surveillance area to be monitored. In a further embodiment, the reference structure can be arranged at the edges of the surveillance area to be monitored. The area to be monitored by the spectral sensor is then limited to these edges, and entry and/or exit of an object into or out of the monitored area can be detected.

Die spektrale Charakteristik des Referenzlichts kann ein kontinuierliches Wellenlängenspektrum oder diskrete Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche aufweisen. Kontinuierliche Spektren oder diskrete Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche können beispielsweise im sichtbaren (VIS, 450nm - 780nm) oder im nah-infraroten (NIR, 800nm - 2500nm) Wellenlängenbereich liegen.The spectral characteristic of the reference light can have a continuous wavelength spectrum or discrete wavelengths or wavelength ranges. Continuous spectra or discrete wavelengths or wavelength ranges can be, for example, in the visible (VIS, 450nm - 780nm) or in the near-infrared (NIR, 800nm - 2500nm) wavelength range.

Das Referenzlicht kann auf verschiedene Weisen erzeugt werden. Zum einen kann eine Sendelichtquelle die Referenzstruktur mit Sendelicht beleuchten, wobei das Sendelicht eine vorgegebene spektrale Zusammensetzung aufweisen kann. Die spektrale Zusammensetzung des Sendelichts kann breitbandig sein, diskrete Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche aufweisen, oder sich zeitlich verändern (frequency chirp). Die Referenzstruktur erzeugt durch Remission und/oder Reflektion des Sendelichts Referenzlicht mit einer vorgegebenen spektralen Charakteristik, die sich durch die spektrale Zusammensetzung des Sendelichts und dem Reflexions- und/oder Remissionsverhalten der Referenzstruktur ergibt. Das Referenzlicht kann vom spektral sensitiven optoelektronischen Sensor erfasst werden. Ergibt sich beim Eintreten eines Objekts in den Überwachungsbereich aufgrund der Remissions- und/oder Reflexionseigenschaften des Objekts eine Änderung der spektralen Zusammensetzung des vom Spektralsensor erfassten Lichts, kann wie oben beschrieben eine sicherheitsgerichtete Aktion ausgelöst werden. Die Remissions- und/oder Reflexionseigenschaften der Referenzstruktur können bevorzugt so gewählt werden, dass sie sich von den Remissions- und/oder Reflexionseigenschaften der zu detektierenden Objekte unterscheiden.The reference light can be generated in different ways. On the one hand, a transmitted light source can illuminate the reference structure with transmitted light, in which case the transmitted light can have a predetermined spectral composition. The spectral composition of the transmitted light can be broadband, have discrete wavelengths or wavelength ranges, or change over time (frequency chirp). By remission and/or reflection of the transmitted light, the reference structure generates reference light with a predetermined spectral characteristic that results from the spectral composition of the transmitted light and the reflection and/or remission behavior of the reference structure. The reference light can be detected by the spectrally sensitive optoelectronic sensor. If, when an object enters the monitored area, there is a change in the spectral composition of the light detected by the spectral sensor due to the remission and/or reflection properties of the object, a safety-related action can be triggered as described above. The remission and/or reflection properties of the reference structure can preferably be selected in such a way that they differ from the remission and/or reflection properties of the objects to be detected.

In einer alternativen Ausführungsform kann das Referenzlicht durch Lumineszenz der Referenzstruktur erzeugt werden. Die Referenzstruktur kann dabei ein oder mehrere lumineszierende, insbesondere fluoreszierende Materialien aufweisen, welche mit vorzugsweise ultraviolettem oder blauem Sendelicht beleuchtet werden und zum Sendelicht wellenlängenverschobenes Referenzlicht emittieren. Durch geeignete Wahl des oder der lumineszierenden Materialien kann Referenzlicht mit einer vorgegebenen spektralen Charakteristik erzeugt werden. Die lumineszierenden Materialien können bevorzugt so gewählt werden, dass sich die spektrale Charakteristik des Referenzlichts eindeutig von der spektralen Charakteristik des von den zu detektierenden Objekten als Objektlicht remittierten und/oder reflektierten Sendelichts unterscheidet.In an alternative embodiment, the reference light can be generated by luminescence of the reference structure. The reference structure can have one or more luminescent, in particular fluorescent materials, which are illuminated with preferably ultraviolet or blue transmitted light and emit wavelength-shifted reference light to the transmitted light. By suitably selecting the luminescent material or materials, reference light with a predetermined spectral characteristic can be generated. The luminescent materials can preferably be selected in such a way that the spectral characteristic of the reference light clearly differs from the spectral characteristic of the transmitted light remitted and/or reflected as object light by the objects to be detected.

Im NIR-Spektralbereich kann die spektrale Charakteristik des Referenzlichts beispielswiese durch Absorptionsspektren erzeugt werden, die durch Anregung von Ober- und Kombinationsschwingungen in organischen Molekülbindungen (OH, CH, NH, C=O, SH) eines Materials der Referenzstruktur entstehen. Das Material kann bevorzugt so gewählt werden, dass sich die spektrale Charakteristik seines Absorptionsspektrums eindeutig von der spektralen Charakteristik der Absorptionsspektren der zu detektierenden Objekte unterscheidet. Soll als sicherheitsrelevanter Eingriff beispielsweise der Eingriff einer Hand detektiert werden, eignen sich als Materialien für die Referenzstruktur bevorzugt Kunststoffe, Holz oder andere organische Materialien, da diese bezüglich ihrer spektralen Charakteristik eindeutig von menschlicher Haut unterscheidbar sind.In the NIR spectral range, the spectral characteristics of the reference light can be generated, for example, by absorption spectra that result from the excitation of harmonics and combination vibrations in organic molecular bonds (OH, CH, NH, C=O, SH) of a material of the reference structure. The material can preferably be selected in such a way that the spectral characteristic of its absorption spectrum clearly differs from the spectral characteristic of the absorption spectra of the objects to be detected. If, for example, the intervention of a hand is to be detected as a security-relevant intervention, plastics, wood or other organic materials are preferably suitable as materials for the reference structure, since these are clearly distinguishable from human skin with regard to their spectral characteristics.

Im Falle einer spektralen Charakteristik, die sich durch diskrete Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche auszeichnet, können ausgewählte charakteristische Absorptionsbanden des Materials als Referenz dienen. In diesem Fall kann eine Spektralanalyse durch gezielte Detektion weniger diskreter Wellenlängen beziehungsweise Wellenlängenbereiche beschleunigt werden und mehrdeutige Spektralregionen, in denen die Referenzstruktur und die zu detektierenden Objekte Licht mit ähnlicher spektraler Charakteristik aussenden, vermieden werden.In the case of a spectral characteristic that is characterized by discrete wavelengths or wavelength ranges, selected characteristic absorption bands of the material can serve as a reference. In this case, a spectral analysis through targeted detection can be less discrete Wavelengths or wavelength ranges are accelerated and ambiguous spectral regions in which the reference structure and the objects to be detected emit light with similar spectral characteristics are avoided.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Referenzstruktur wenigstens eine Referenzlichtquelle mit einer vorgegebenen spektralen Charakteristik zur Erzeugung des Referenzlichts aufweisen.In a further embodiment, the reference structure can have at least one reference light source with a predetermined spectral characteristic for generating the reference light.

Die Referenzstruktur kann eine Vielzahl von Teilstrukturen aufweisen, wobei die Teilstrukturen Referenzlicht mit unterschiedlichen spektralen Charakteristiken erzeugen können. Die Teilstrukturen können ein Muster bilden, beispielsweise zwei kreisförmig um ein zu überwachendes Objekt angeordnete, ringförmige Zonen. Bewegt sich das Objekt aus dem Überwachungsbereich hinaus, tritt zunächst eine Änderung der spektralen Charakteristik des Referenzlichts der inneren Zone auf, bewegt sich das Objekt weiter, wird auch eine Änderung der spektralen Charakteristik des Referenzlichts der äußeren Zone auftreten. Somit kann aus einer Änderung der spektralen Charakteristik des Referenzlichtes zusätzlich eine Ortsinformation ermittelt und damit die Überwachung des Überwachungsbereichs verbessert werden.The reference structure can have a large number of substructures, it being possible for the substructures to generate reference light with different spectral characteristics. The partial structures can form a pattern, for example two ring-shaped zones arranged in a circle around an object to be monitored. If the object moves out of the surveillance area, there will first be a change in the spectral characteristic of the reference light in the inner zone. If the object moves further, there will also be a change in the spectral characteristic of the reference light in the outer zone. In this way, additional location information can be determined from a change in the spectral characteristic of the reference light, and the monitoring of the monitored area can thus be improved.

Der spektral sensitive optoelektronische Sensor ist bevorzugt als bildgebender Spektralsensor ausgeführt, kann also räumlich aufgelöste Spektraldaten von Objekten im Überwachungsbereich und insbesondere der Referenzstruktur ermitteln, beispielsweise durch punktweises Abtasten mit einem scannenden Spektrometer. In einer weiteren Ausführungsform kann der spektral sensitive optoelektronische Sensor als multi- oder hyperspektrale Kamera oder als multiphysikalische 3D-Kamera ausgeführt sein. Der Sensor kann auch als Anordnung eines oder mehrerer spektral sensitiver Punkt- oder Liniensensoren, beispielsweise Fabry-Perot Interferometern, ausgeführt sein.The spectrally sensitive optoelectronic sensor is preferably designed as an imaging spectral sensor, so it can determine spatially resolved spectral data of objects in the monitored area and in particular of the reference structure, for example by point-by-point scanning with a scanning spectrometer. In a further embodiment, the spectrally sensitive optoelectronic sensor can be designed as a multispectral or hyperspectral camera or as a multiphysical 3D camera. The sensor can also be designed as an arrangement of one or more spectrally sensitive point or line sensors, for example Fabry-Perot interferometers.

Der Spektralsensor kann dazu eingerichtet sein, anstelle des gesamten Wellenlängenspektrums des empfangenen Lichts diskrete Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche auszuwerten (multispektrale Auswertung), wodurch die Datenmengen verringert werden und die Auswertung vereinfacht und beschleunigt wird.The spectral sensor can be set up to evaluate discrete wavelengths or wavelength ranges (multispectral evaluation) instead of the entire wavelength spectrum of the received light, as a result of which the amount of data is reduced and the evaluation is simplified and accelerated.

In einer Ausführungsform kann der Spektralsensor derart ausgeführt sein, dass der Lichtempfänger eine zeitliche Abfolge von Licht diskreter Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche empfängt, beispielsweise dadurch, dass die Referenzstruktur mit einer zeitlichen Abfolge von Sendelicht diskreter Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche beleuchtet wird oder diese selbst aktiv abgibt. Die diskreten Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche können dabei auch überlappen. Eine spektrale Aufspaltung des empfangenen Referenzlichts ist dann nicht nötig, die spektrale Sensitivität ergibt sich aus der zeitlich aufgelösten Detektion und der a priori Information über die zeitliche Abfolge der Wellenlängen des Sendelichts. Die Steuer- und Auswerteeinheit kann dazu die Lichtsender und Lichtempfänger synchronisieren.In one embodiment, the spectral sensor can be designed in such a way that the light receiver receives a time sequence of light of discrete wavelengths or wavelength ranges, for example by the reference structure being illuminated with a time sequence of transmitted light of discrete wavelengths or wavelength ranges or actively emitting it itself. The discrete wavelengths or wavelength ranges can also overlap. A spectral splitting of the received reference light is then not necessary, the spectral sensitivity results from the time-resolved detection and the a priori information about the time sequence of the wavelengths of the transmitted light. For this purpose, the control and evaluation unit can synchronize the light transmitter and light receiver.

Die Steuer- und Auswertungseinheit kann für einen Einlernmodus ausgebildet sein, in dem die vorgegebene spektrale Charakteristik des Referenzlichts bei freiem Überwachungsbereich eingelernt wird. Dies kann schon in der Fertigung oder später im Feld geschehen. In der Fertigung können beispielsweise Vorrichtungen, bei denen Referenzstruktur, Lichtsender und Lichtempfänger bereits in einem Modul zusammengefasst sind, kalibriert werden. Im Feld kann das Einlernen beziehungsweise Kalibrieren der vorgegebenen spektralen Charakteristik Teil eines Kalibrier- oder Wartungsprozesses sein, wobei insbesondere Umgebungsbedingungen der Vorrichtung, beispielsweise externe Lichtquellen berücksichtigt werden können.The control and evaluation unit can be designed for a teach-in mode in which the specified spectral characteristic of the reference light is taught in when the monitoring area is free. This can be done during production or later in the field. In production, for example, devices in which the reference structure, light transmitter and light receiver are already combined in one module can be calibrated. In the field, teaching in or calibrating the specified spectral characteristics can be part of a calibration or maintenance process, with environmental conditions of the device, for example external light sources, being able to be taken into account in particular.

Dem Lichtempfänger kann ein Filter zur Filterung des Sendelichts vorgeschaltet sein. Damit kann eine Beeinflussung der Spektralanalyse des Empfangslichts durch Sendelicht und/oder Umgebungslicht verringert werden.A filter for filtering the transmitted light can be connected upstream of the light receiver. Influencing of the spectral analysis of the received light by transmitted light and/or ambient light can thus be reduced.

Der Spektralsensor kann weiterhin dazu eingerichtet sein, zusätzlich zu den Spektraldaten der Objekte und/oder der Referenzstruktur räumliche Daten wie Größe oder Form der Objekte zu erfassen. Damit kann beispielsweise eine Klassifizierung der Objekte nach Größe oder Form erfolgen. Wenn sowohl spektrale Daten als auch räumliche Daten erfasst werden, ist eine diversitäre Auswertung der erfassten Daten möglich.The spectral sensor can also be set up to record spatial data such as the size or shape of the objects in addition to the spectral data of the objects and/or the reference structure. This allows objects to be classified according to size or shape, for example. If both spectral data and spatial data are recorded, a diverse evaluation of the recorded data is possible.

Der Spektralsensor kann auch dazu ausgebildet sein, Spektraldaten der Objekte und/oder der Referenzstruktur oder Auswertungsergebnisse wie die Abweichung der erfassten spektralen Charakteristik von der vorgegebenen spektralen Charakteristik des Empfangslichts mit Ergebnissen anderer Sicherheitssensoren wie beispielsweise Lichtgittern zu verknüpfen und logisch zu verarbeiten. Damit kann die Sicherheit eines mehrere Sicherheitssensoren umfassenden Systems erhöht werden.The spectral sensor can also be designed to link and logically process spectral data of the objects and/or the reference structure or evaluation results such as the deviation of the detected spectral characteristic from the specified spectral characteristic of the received light with results from other safety sensors such as light grids. The security of a system comprising a plurality of security sensors can thus be increased.

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 schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
  • 2 eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
  • 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer mehrere Teilstrukturen aufweisenden Referenzstruktur
  • 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Referenzstruktur, die eine eigene Lichtquelle aufweist
  • 5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Lichtgitter
The invention is explained in more detail below, also with regard to further features and advantages, by way of example on the basis of embodiments and with reference to the attached drawing. The illustrations of the drawing show in:
  • 1 a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention
  • 2 a schematic representation of an alternative embodiment of the device according to the invention
  • 3 a schematic representation of a further embodiment of the device according to the invention with a reference structure having a plurality of substructures
  • 4 a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention with a reference structure having its own light source
  • 5 a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention as a light grid

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Überwachung eines Überwachungsbereichs 12. Die Vorrichtung 10 weist einen Sensor 14 mit einer Sendelichtquelle 16 und einer Sendeoptik 18 sowie einen Lichtempfänger 20 mit einer Empfangsoptik 22 auf. Eine Steuer- und Auswerteeinheit 24 ist mit der Sendelichtquelle 16 und dem Lichtempfänger 20 verbunden und zum Steuern der Sendelichtquelle 16 und des Lichtempfängers 20 sowie zum Empfangen von Empfangssignalen des Lichtempfängers 20 eingerichtet. Die Steuer- und Auswerteeinheit 24 kann die Empfangssignale auswerten und basierend auf der Auswertung über eine Schnittstelle 26 eine sicherheitsgerichtete Aktion auslösen, beispielsweise das Aktvieren einer Warnleuchte, das Abschalten einer Maschine oder die Abgabe eines Signals an eine übergeordnete Sicherheitssteuerung. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a device 10 according to the invention for monitoring a monitored area 12 . A control and evaluation unit 24 is connected to the transmitted light source 16 and the light receiver 20 and set up to control the transmitted light source 16 and the light receiver 20 and to receive received signals from the light receiver 20 . The control and evaluation unit 24 can evaluate the received signals and, based on the evaluation, trigger a safety-related action via an interface 26, for example activating a warning light, switching off a machine or sending a signal to a higher-level safety controller.

Von der Sendelichtquelle 16 emittiertes Sendelicht 28 mit einer spektralen Charakteristik, die eine Vielzahl von Wellenlängen umfasst (polychromatisches Sendelicht), wird von der Sendeoptik 18 auf eine im, beziehungsweise am Rande des Überwachungsbereichs 12 angeordnete Referenzstruktur 30 projiziert und von der Referenzstruktur 30 als Referenzlicht 32 mit einer vorgegebenen spektralen Charakteristik remittiert und/oder reflektiert. Die Referenzstruktur 30 erzeugt also das Referenzlicht 32 durch Remission und/oder Reflexion des Sendelichts 28, wobei sich die vorgegebene spektrale Charakteristik des Referenzlichts 32 aus der spektralen Zusammensetzung des Sendelichts 28 und dem Remissions- und/oder Reflexionsverhalten der Referenzstruktur 30 ergibt. Befindet sich ein Objekt 34 im Überwachungsbereich 12, wird Sendelicht 28 vom Objekt 34 als Objektlicht 36 remittiert und/oder reflektiert. Referenzlicht 32 und/oder Objektlicht 36 gelangen als Empfangslicht 38 zurück zum Sensor 16 und werden von der Empfangsoptik 22 auf den Lichtempfänger 20 abgebildet und von diesem erfasst. Der Lichtempfänger 20 ist als Multi- beziehungsweise Hyperspektralkamera ausgelegt und weist eine Vielzahl matrixförmig angeordneter Empfangselemente 20a, 20b auf, wobei jedes Empfangselement 20a, 20b eine Intensität und spektrale Zusammensetzung des vom Empfangselement 20a, 20b erfassten Empfangslichts 38 ermitteln kann, die als Empfangssignale von der Steuer- und Auswerteeinheit 24 empfangen werden. Die Steuer- und Auswerteeinheit 24 ist dazu ausgebildet, aus den Empfangssignalen eine erfasste spektrale Charakteristik des Empfangslichts 38 zu bestimmen und diese mit der in der Steuer- und Auswerteeinheit hinterlegten vorgegebenen spektralen Charakteristik des Referenzlichts 32 zu vergleichen. Die vorgegebene spektrale Charakteristik des Referenzlichts 32 kann theoretisch (aus der bekannten spektralen Zusammensetzung des Sendelichts 28 und dem Remissions- und/oder Reflexionsverhalten der Referenzstruktur 30) oder in einem Einlernvorgang bestimmt werden. Befindet sich ein Objekt 34 im Überwachungsbereich 12, erfolgt eine Mischung des Referenzlichts 32 mit dem Objektlicht 36, so dass sich die spektrale Charakteristik des Empfangslichts 38 von der vorgegebenen spektralen Charakteristik des Referenzlichts 32 unterscheidet. Damit kann ein Eingriff des Objekts 34 in den Überwachungsbereich 12 erfasst werden und die Steuer- und Auswerteeinheit 24 eine sicherheitsgerichtete Aktion auslösen.Transmitted light 28 emitted by the transmitted light source 16 with a spectral characteristic that includes a large number of wavelengths (polychromatic transmitted light) is projected by the transmitting optics 18 onto a reference structure 30 arranged in or at the edge of the monitoring area 12 and is projected by the reference structure 30 as reference light 32 remitted and/or reflected with a predetermined spectral characteristic. The reference structure 30 therefore generates the reference light 32 by remission and/or reflection of the transmitted light 28, the specified spectral characteristics of the reference light 32 resulting from the spectral composition of the transmitted light 28 and the remission and/or reflection behavior of the reference structure 30. If there is an object 34 in the monitored area 12 , the transmitted light 28 is remitted and/or reflected by the object 34 as object light 36 . Reference light 32 and/or object light 36 travel back to the sensor 16 as received light 38 and are imaged by the receiving optics 22 onto the light receiver 20 and detected by the latter. The light receiver 20 is designed as a multispectral or hyperspectral camera and has a large number of receiving elements 20a, 20b arranged in a matrix, with each receiving element 20a, 20b being able to determine an intensity and spectral composition of the received light 38 detected by the receiving element 20a, 20b, which as received signals from the Control and evaluation unit 24 are received. The control and evaluation unit 24 is designed to determine a detected spectral characteristic of the received light 38 from the received signals and to compare this with the specified spectral characteristic of the reference light 32 stored in the control and evaluation unit. The specified spectral characteristic of the reference light 32 can be determined theoretically (from the known spectral composition of the transmitted light 28 and the remission and/or reflection behavior of the reference structure 30) or in a learning process. If an object 34 is located in the monitored area 12 , the reference light 32 is mixed with the object light 36 , so that the spectral characteristic of the received light 38 differs from the specified spectral characteristic of the reference light 32 . In this way, an intervention by the object 34 in the monitored area 12 can be detected and the control and evaluation unit 24 can trigger a safety-related action.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 40 zur Überwachung eines Überwachungsbereichs 12. Im Unterschied zu der in der 1 beschriebenen Ausführungsform weist der Sensor 44 mehrere Sendelichtquellen 46a, 46b, 46c auf, wobei jede Sendlichtquelle 46a, 46b, 46c Sendelicht 48 einer vorgegebenen diskreten Wellenlänge (oder eines Wellenlängenbereichs) aussendet, die sich von den Wellenlängen (oder Wellenlängenbereichen) des von den jeweils anderen Sendelichtquellen emittierten Sendelichts zumindest teilweise unterscheidet. Die Sendelichtquellen 46a, 46b, 46c werden alternierend aktiviert, so das jeweils nur eine der Sendelichtquellen 46a, 46b, 46c Sendelicht 48 emittiert, welches von der Sendeoptik 50 auf ein im, beziehungsweise am Rande des Überwachungsbereichs 12 angeordnete Referenzstruktur 30 projiziert und von der Referenzstruktur 30 als Referenzlicht 52 mit einer vorgegebenen spektralen Charakteristik remittiert und/oder reflektiert wird. Befindet sich ein Objekt 34 im Überwachungsbereich 12, wird Sendelicht 48 vom Objekt 34 als Objektlicht 56 remittiert und/oder reflektiert. Referenzlicht 52 und/oder Objektlicht 56 gelangen als Empfangslicht 58 zurück zum Sensor 44 und werden von der Empfangsoptik 60 auf den Lichtempfänger 62 abgebildet und von diesem erfasst. Im Gegensatz zur in der 1 beschriebenen Ausführungsform muss der Lichtempfänger 60 nicht spektral selektiv arbeiten, sondern lediglich zur Messung einer Intensität des Empfangslichts 58 ausgebildet sein. Die Steuer- und Auswerteeinheit 24 ist dabei dazu eingerichtet, die Sendelichtquellen 46a, 46b, 46c und den Lichtempfänger 60 derart zu synchronisieren, dass den vom Lichtempfänger 60 erzeugten Empfangssignalen die jeweilige Wellenlänge des Sendelichts 46 zugeordnet und so die spektrale Charakteristik des Empfangslichts 58 erfasst werden kann. Die erfasste spektrale Charakteristik des Empfangslichts 58 kann dann wie in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer in der Steuer- und Auswerteeinheit hinterlegten vorgegebenen spektralen Charakteristik des Referenzlichts 52 verglichen werden. Die vorgegebene spektrale Charakteristik des Referenzlichts 52 kann theoretisch (aus der bekannten spektralen Zusammensetzung des Sendelichts 48 und dem Remissions- und/oder Reflexionsverhalten der Referenzstruktur 30) oder in einem Einlernvorgang bestimmt werden. Befindet sich ein Objekt im Überwachungsbereich 12, erfolgt eine Mischung des Referenzlichts 52 mit dem Objektlicht 56, so dass sich die spektrale Charakteristik des Empfangslichts 58 von der vorgegebenen spektralen Charakteristik des Referenzlichts 52 unterscheidet. Damit kann ein Eingriff des Objekts 34 in den Überwachungsbereich 12 erfasst werden und die Steuer- und Auswerteeinheit 24 eine sicherheitsgerichtete Aktion auslösen. 2 shows a schematic representation of an alternative embodiment of a device 40 according to the invention for monitoring a monitoring area 12. In contrast to that in FIG 1 In the embodiment described, the sensor 44 has a plurality of transmitted light sources 46a, 46b, 46c, each transmitted light source 46a, 46b, 46c emitting transmitted light 48 of a predetermined discrete wavelength (or a wavelength range) that differs from the wavelengths (or wavelength ranges) of the other Transmission light sources emitted transmission light is at least partially different. The transmitted light sources 46a, 46b, 46c are activated alternately, so that only one of the transmitted light sources 46a, 46b, 46c emits transmitted light 48, which is projected from the transmission optics 50 onto a reference structure 30 arranged in or at the edge of the monitored area 12 and from the reference structure 30 is remitted and/or reflected as reference light 52 with a predetermined spectral characteristic. If an object 34 is located in the monitored area 12, the transmitted light 48 is remitted and/or reflected by the object 34 as object light 56. Reference light 52 and/or object light 56 travel back to the sensor 44 as received light 58 and are imaged by the receiving optics 60 onto the light receiver 62 and detected by the latter. In contrast to in the 1 In the embodiment described, the light receiver 60 does not have to operate spectrally selectively, but rather only be designed to measure an intensity of the received light 58 . The control and evaluation unit 24 is set up to synchronize the transmitted light sources 46a, 46b, 46c and the light receiver 60 in such a way that the received signals generated by the light receiver 60 are assigned the respective wavelength of the transmitted light 46 and the spectral characteristics of the received light 58 are thus recorded can. The recorded spectral characteristic of the received light 58 can then be used as in 1 shown exemplary embodiment can be compared with a predefined spectral characteristic of the reference light 52 stored in the control and evaluation unit. The specified spectral characteristic of the reference light 52 can be determined theoretically (from the known spectral composition of the transmitted light 48 and the remission and/or reflection behavior of the reference structure 30) or in a learning process. If an object is located in the monitored area 12 , the reference light 52 is mixed with the object light 56 so that the spectral characteristic of the received light 58 differs from the specified spectral characteristic of the reference light 52 . In this way, an intervention by the object 34 in the monitored area 12 can be detected and the control and evaluation unit 24 can trigger a safety-related action.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 70 zur Überwachung eines Überwachungsbereichs 12. Im Unterschied zu den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen weist die Referenzstruktur 90 zwei Teilstrukturen 90a, 90b auf, die als fluoreszierende Bereiche ausgeführt sind. Die fluoreszierenden Bereiche der Teilstrukturen 90a, 90b emittieren nach Beleuchtung durch von der Sendelichtquelle 76 ausgesendetem Sendelicht 78 Referenzlicht 82a, 82b, das gegenüber dem Sendelicht 78 rotverschoben ist, also eine längere Wellenlänge aufweist. Die Wellenlängen des Sendelichts 78 können auf die Fluoreszenzeigenschaften der fluoreszierenden Bereiche der Teilstrukturen 90a, 90b angepasst sein. Dem Lichtempfänger 92 ist ein Filter 94 zum Filtern des Sendelichts 78 vorgeschaltet. Der Lichtempfänger 92 ist spektral sensitiv ausgestaltet, beispielswiese wie im in 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel als Multi- beziehungsweise Hyperspektralkamera und weist eine Vielzahl matrixförmig angeordneter Empfangselemente 92a, 92b auf, wobei jedes Empfangselement 92a, 92b eine Intensität und spektrale Zusammensetzung des vom Empfangselement erfassten Empfangslichts 88 ermitteln kann, die als Empfangssignale von der Steuer- und Auswerteeinheit 24 empfangen werden. Grundsätzlich ist aber auch die Verwendung eines nicht spektral selektiven Lichtempfängers mit einer Anordnung von alternierend aktivierten Sendelichtquellen wie im in 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel möglich, wobei die Sendelichtquellen alternierend Sendelicht mit auf die Fluoreszenzeigenschaften der fluoreszierenden Bereiche angepassten Wellenlängen aussenden, und die Erfassung des Empfangslichts mit der Aktivierung der Sendelichtquellen synchronisiert ist. Wie zu den vorherigen Ausführungsbeispielen erläutert, führt ein Eingriff eines Objektes 34 in den Überwachungsbereich 12 zu einer Änderung der spektralen Charakteristik des Empfangslichts 88, in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dadurch, dass die als fluoreszierenden Bereiche ausgeführten Teilstrukturen 90a, 90b der Referenzstruktur 90 derart ausgebildet sind, dass sich ihre Fluoreszenzeigenschaften von denen des zu erfassenden Objekt 34 unterscheiden, so dass die spektrale Charakteristik des Empfangslichtes 88 bei Eintritt des Objekts 34 von der vorgegebenen spektralen Charakteristik des Referenzlichts 82 abweicht. 3 shows a schematic representation of an alternative embodiment of a device 70 according to the invention for monitoring a monitoring area 12. In contrast to in the 1 and 2 In the exemplary embodiments shown, the reference structure 90 has two partial structures 90a, 90b, which are designed as fluorescent areas. After being illuminated by the transmitted light 78 emitted by the transmitted light source 76, the fluorescent regions of the partial structures 90a, 90b emit reference light 82a, 82b, which is red-shifted in relation to the transmitted light 78, ie has a longer wavelength. The wavelengths of the transmitted light 78 can be adapted to the fluorescence properties of the fluorescent areas of the partial structures 90a, 90b. A filter 94 for filtering the transmitted light 78 is connected upstream of the light receiver 92 . The light receiver 92 is designed to be spectrally sensitive, for example as in FIG 1 described embodiment as a multispectral or hyperspectral camera and has a multiplicity of receiving elements 92a, 92b arranged in a matrix, wherein each receiving element 92a, 92b can determine an intensity and spectral composition of the received light 88 detected by the receiving element, which is received as received signals by the control and evaluation unit 24 will. In principle, however, the use of a non-spectrally selective light receiver with an arrangement of alternately activated transmission light sources as in 3 described embodiment possible, wherein the transmitted light sources alternately emit transmitted light with wavelengths adapted to the fluorescence properties of the fluorescent regions, and the detection of the received light is synchronized with the activation of the transmitted light sources. As explained in relation to the previous exemplary embodiments, an intervention by an object 34 in the monitored area 12 leads to a change in the spectral characteristics of the received light 88, in this exemplary embodiment essentially because the substructures 90a, 90b of the reference structure 90 designed as fluorescent areas are designed in this way that their fluorescence properties differ from those of the object 34 to be detected, so that the spectral characteristic of the received light 88 differs from the specified spectral characteristic of the reference light 82 when the object 34 enters.

Die Teilstrukturen 90a, 90b der Referenzstruktur 90 des Ausführungsbeispiels sind als konzentrische, kreisförmige fluoreszierende Bereiche mit unterschiedlichen Fluoreszenzeigenschaften ausgelegt, so dass sich die spektralen Charakteristiken des von den beiden Teilstrukturen 90a, 90b erzeugten Referenzlichts 82a, 82b unterscheiden. Beim Eindringen des Objekts 34 in den Überwachungsbereich 12 ändert sich die spektrale Charakteristik des Empfangslichts 88 abhängig von der Überdeckung der Teilstrukturen 90a, 90b durch das Objekt 34, so dass aus einer Änderung der spektralen Charakteristik des Empfangslichts 88 eine Position des Objekts 34 in Bezug auf einen Mittelpunkt 94 der konzentrischen, kreisförmigen Teilstrukturen 90a, 90b bestimmt werden kannThe partial structures 90a, 90b of the reference structure 90 of the exemplary embodiment are designed as concentric, circular fluorescent regions with different fluorescence properties, so that the spectral characteristics of the reference light 82a, 82b generated by the two partial structures 90a, 90b differ. When the object 34 enters the monitoring area 12, the spectral characteristic of the received light 88 changes depending on the coverage of the partial structures 90a, 90b by the object 34, so that a change in the spectral characteristic of the received light 88 changes a position of the object 34 in relation to a center point 94 of the concentric, circular partial structures 90a, 90b can be determined

In 4 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 gezeigt. Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen weist die Referenzstruktur 130 eine eigene Lichtquelle auf. Das Referenzlicht 132 wird also nicht durch Remission oder Reflexion von Sendelicht oder durch Sendelicht angeregte Lumineszenz (z.B. Fluoreszenz) erzeugt, sondern die Referenzstruktur 130 weist eine von der Steuer- und Auswerteeinheit 24 angesteuerte Referenzlichtquelle 116 auf, die aktiv Referenzlicht 132 mit einer vorgegebenen spektralen Charakteristik aussendet. Tritt ein Objekt 34 in den Überwachungsbereich 12 ein, mischt sich vom Objekt 34 emittiertes Objektlicht 136, beispielsweise reflektiertes Umgebungslicht, mit dem Referenzlicht 132 und gelangt als Empfangslicht 138 zum Lichtempfänger 120, das aufgrund der Mischung eine spektrale Charakteristik aufweist, die von der vorgegebenen spektralen Charakteristik des Referenzlichts 132 abweicht. Somit kann wie in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der Eingriff eines Objekts 34 in den Überwachungsbereich 12 erfasst werden. Die Referenzlichtquelle 116 kann wie die oben beschriebenen Sendelichtquellen breitbandiges Referenzlicht emittieren oder mehrere, Referenzlicht diskreter Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche emittierende Referenzlichtquellen umfassen, wobei letztere von der Steuer- und Auswerteeinheit 24 alternierend aktiviert werden können. Ebenso können verschiedene Teilstrukturen der Referenzstruktur 130 vergleichbar zum in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel Referenzlicht mit unterschiedlicher spektraler Charakteristik emittieren, beispielsweise indem den verschiedenen Bereichen Referenzlichtquellen mit Referenzlicht mit unterschiedlicher spektraler Charakteristik zugeordnet sind.In 4 a further embodiment of a device 100 according to the invention is shown. In contrast to the previous exemplary embodiments, the reference structure 130 has its own light source. The reference light 132 is therefore not generated by remission or reflection of transmitted light or by luminescence (e.g. fluorescence) excited by transmitted light, but rather the reference structure 130 has a reference light source 116 controlled by the control and evaluation unit 24, which actively emits reference light 132 with a predetermined spectral characteristic emits. If an object 34 enters the monitoring area 12, the object light 136 emitted by the object 34, for example reflected ambient light, mixes with the reference light 132 and reaches the light receiver 120 as received light 138, which, due to the mixture, has a spectral characteristic that differs from the specified spectral Characteristic of the reference light 132 deviates. Consequently the intervention of an object 34 in the monitored area 12 can be detected as in the exemplary embodiments described above. Like the transmission light sources described above, the reference light source 116 can emit broadband reference light or can include several reference light sources emitting reference light of discrete wavelengths or wavelength ranges, the latter being able to be activated alternately by the control and evaluation unit 24 . Likewise, different substructures of the reference structure 130 can be compared to in 3 The embodiment shown emit reference light with different spectral characteristics, for example by reference light sources with reference light with different spectral characteristics being assigned to the different areas.

5 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung als tastendes Lichtgitter 140. Das Lichtgitter 140 weist ein Sende- und Empfangsmodul 142 mit einer Vielzahl von Lichtempfängern 144a, ..., 144n und zugeordneten Empfangsoptiken 146a, ..., 146n sowie einem Lichtsender 148 mit zugeordneter Sendeoptik 150 auf. Der Lichtsender 148 und die Lichtempfänger 144a, ..., 144n sind mit einer Steuer- und Auswerteeinheit 150 verbunden. Dem Sende- und Empfangsmodul 142 gegenüberliegend ist eine Referenzstruktur 152 angeordnet, so dass der Bereich zwischen dem Sende- und Empfangsmodul 142 und der Referenzstruktur 152 einen Überwachungsbereich 154 bildet. Die Steuer- und Auswerteeinheit 150 ist wie bei einem tastenden Lichtgitter üblich dazu eingerichtet, Lichtlaufzeiten zwischen dem Aussenden von Sendelicht 156 und dem Empfangen von Empfangslicht 158, das aus von Objekten im Überwachungsbereich 150 und/oder der Referenzstruktur 148 remittiertem und/oder reflektiertem Sendelicht 152 gebildet wird, zu ermitteln. Tritt ein Objekt zwischen einem Sende- und Empfangsmodul 142 und der Referenzstruktur 148 in den Überwachungsbereich 150 ein, verkürzt sich die Lichtlaufzeit, wodurch ein Eingriff des Objekts in den Überwachungsbereich erfasst werden kann. Zusätzlich zur Messung der Lichtlaufzeit kann erfindungsgemäß eine Erfassung der spektralen Charakteristik des Empfangslichts 158 erfolgen, beispielsweise vergleichbar zu dem in 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Dazu weist der Lichtsender 148 eine Vielzahl von Sendelichtquellen 148a, 148b, 148c aus, die Sendelicht 156 mit einer vorgegebenen diskreten Wellenlänge (oder eines Wellenlängenbereichs) aussenden, die sich von den Wellenlängen (oder den Wellenlängenbereichen) des von den jeweils anderen Sendelichtquellen emittierten Sendelichts zumindest teilweise unterscheidet. Die Sendelichtquellen 148a, 148b, 148c werden alternierend aktiviert, so dass jeweils nur eine der Sendelichtquellen 148a, 148b, 148c Sendelicht 156 emittiert, welches von der Sendeoptik in den Überwachungsbereich 154 projiziert wird und von der gegenüberliegenden Referenzstruktur 152 als Referenzlicht 160 mit einer vorgegebenen spektralen Charakteristik remittiert und/oder reflektiert wird. Befindet sich ein Objekt 162 im Überwachungsbereich 154, wird Sendelicht 156 vom Objekt 162 als Objektlicht 164 remittiert und/oder reflektiert. Referenzlicht und/oder Objektlicht gelangen als Empfangslicht 158 zurück zum Sensor und werden von den Lichtempfängern 144a, ..., 144n erfasst. Die Steuer- und Auswerteeinheit 150 ist dabei dazu eingerichtet, die Sendelichtquellen 148a, 148b, 148c und die Lichtempfänger 144a, ..., 144n derart zu synchronisieren, dass den Empfangssignalen der Lichtempfänger 144a, ..., 144n die jeweilige Wellenlänge des Sendelichts 156 zugeordnet ist und somit die spektrale Charakteristik des Empfangslichts 158 erfasst werden kann. Die erfasste spektrale Charakteristik des Empfangslichts 158 kann mit der in der Steuer- und Auswerteeinheit 150 hinterlegten vorgegebenen spektralen Charakteristik des Referenzlichts 160 verglichen werden. Somit ist eine Objekterkennung diversitär sowohl über die Messung der Lichtlaufzeit als auch durch die Erfassung der spektralen Charakteristik des Empfangslichts 158 möglich. 5 shows another possible embodiment of the invention as a scanning light grid 140. The light grid 140 has a transmitting and receiving module 142 with a plurality of light receivers 144a, ..., 144n and associated receiving optics 146a, ..., 146n and a light transmitter 148 with associated Transmission optics 150 on. The light transmitter 148 and the light receivers 144a, . . . , 144n are connected to a control and evaluation unit 150. A reference structure 152 is arranged opposite the transmission and reception module 142 , so that the area between the transmission and reception module 142 and the reference structure 152 forms a monitoring area 154 . As is usual with a scanning light grid, control and evaluation unit 150 is set up to calculate the light propagation times between the emission of transmitted light 156 and the reception of received light 158, which consists of transmitted light 152 remitted and/or reflected by objects in monitoring region 150 and/or reference structure 148 is formed to determine. If an object enters the monitored area 150 between a transmitting and receiving module 142 and the reference structure 148, the light propagation time is shortened, as a result of which an intervention by the object in the monitored area can be detected. In addition to measuring the light propagation time, the spectral characteristics of the received light 158 can be detected according to the invention, for example comparable to that in 2 described embodiment. For this purpose, the light transmitter 148 has a multiplicity of transmitted light sources 148a, 148b, 148c, which emit transmitted light 156 with a predetermined discrete wavelength (or a wavelength range) which differs from the wavelengths (or the wavelength ranges) of the transmitted light emitted by the respective other transmitted light sources at least partly different. The transmission light sources 148a, 148b, 148c are activated alternately, so that only one of the transmission light sources 148a, 148b, 148c emits transmission light 156, which is projected by the transmission optics into the monitoring area 154 and by the opposite reference structure 152 as reference light 160 with a predetermined spectral Characteristic is remitted and / or reflected. If an object 162 is located in the monitoring area 154, the transmitted light 156 is remitted and/or reflected by the object 162 as object light 164. Reference light and/or object light return to the sensor as received light 158 and are detected by light receivers 144a, . . . , 144n. The control and evaluation unit 150 is set up to synchronize the transmitted light sources 148a, 148b, 148c and the light receivers 144a, ..., 144n in such a way that the received signals of the light receivers 144a, ..., 144n are assigned the respective wavelength of the transmitted light 156 is assigned and thus the spectral characteristic of the received light 158 can be detected. The recorded spectral characteristic of the received light 158 can be compared with the predefined spectral characteristic of the reference light 160 stored in the control and evaluation unit 150 . Object recognition is thus possible in a diverse manner both by measuring the light propagation time and by detecting the spectral characteristics of the received light 158 .

Das letztgenannte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein tastendes Lichtgitter mit einem zentralen Lichtsender 148 und einer Vielzahl von Lichtempfängern 144a, ..., 144n, wobei das vom Lichtsender 148 emittierte Sendlicht sowohl für die tastende Funktion des Lichtgitters mittels Analyse der Lichtlaufzeit als auch zur erfindungsgemäßen spektralen Überwachung des Überwachungsbereichs 154 ausgebildet ist. Selbstverständlich sind hier auch andere Varianten einer Kombination der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit bekannten Lichtgittern denkbar. So können im oben gezeigten Ausführungsbeispiel mehrere Lichtsender 148, insbesondere je ein Lichtsender 148 pro Lichtempfänger 144a, ..., 144n, vorgesehen sein. Weiterhin kann auch ein herkömmliches tastendes (oder nicht tastendes) Lichtgitter mit einer erfindungsgemäßen spektralen Überwachung kombiniert werden, wobei die räumliche Überwachung durch das Lichtgitter in einem anderen Wellenlängenbereich erfolgen kann als die spektrale Überwachung. Die Lichtempfänger des Lichtgitters und der Lichtempfänger zur spektralen Überwachung können dabei optische Bandpassfilter zur Verminderung von Störsignalen der jeweils anderen Lichtsender aufweisen, so dass eine spektrale Überwachung simultan zur räumlichen Überwachung erfolgen kann. Die Ergebnisse der spektralen und der räumlichen Überwachung können dann verknüpft und logisch verarbeitet werden, wodurch die Sicherheit des Systems erhöht wird.The latter exemplary embodiment relates to a scanning light grid with a central light transmitter 148 and a large number of light receivers 144a, ..., 144n, the transmitted light emitted by the light transmitter 148 being used both for the scanning function of the light grid by analyzing the light propagation time and for the spectral Monitoring of the monitoring area 154 is formed. Of course, other variants of a combination of the device according to the invention with known light grids are also conceivable here. Thus, in the exemplary embodiment shown above, a plurality of light transmitters 148, in particular one light transmitter 148 per light receiver 144a, . . . , 144n, can be provided. Furthermore, a conventional scanning (or non-scanning) light grid can also be combined with spectral monitoring according to the invention, it being possible for the spatial monitoring by the light grid to take place in a different wavelength range than the spectral monitoring. The light receiver of the light grid and the light receiver for spectral monitoring can have optical bandpass filters to reduce interference signals from the respective other light emitters, so that spectral monitoring can take place simultaneously with spatial monitoring. The spectral and spatial monitoring results can then be combined and logically processed, increasing the security of the system.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • EP 0793208 A2 [0005]EP 0793208 A2 [0005]
  • EP 2064480 B1 [0006]EP 2064480 B1 [0006]
  • EP 2233818 B1 [0007]EP 2233818 B1 [0007]

Claims (10)

Vorrichtung (10, 40, 70, 100, 140) zur Überwachung eines Überwachungsbereichs (12, 154) mit - wenigstens einer Referenzstruktur (30, 90, 130, 152) zur Erzeugung von Referenzlicht (32, 52, 82, 132, 160) mit einer vorgegebenen spektralen Charakteristik, - wenigstens einem Lichtempfänger (20, 62, 92, 120, 144a, ..., 144n) zur Erfassung von Empfangslicht (38, 58, 88, 138, 158) aus dem Überwachungsbereich (12, 154) und zum Erzeugen von Empfangssignalen aus dem Empfangslicht (38, 58, 88, 138, 158), wobei das Empfangslicht (38, 58, 88, 138, 158) das Referenzlicht (32, 52, 82, 132, 160) und/oder von Objekten (34, 162) im Überwachungsbereich (12, 154) remittiertes und/oder reflektiertes Objektlicht (36, 56, 86, 136, 164) umfasst, - einer Steuer- und Auswerteeinheit (24, 124, 150) zum Ansteuern des Lichtempfängers (20, 62, 92, 120, 144a, ..., 144n) und zum Empfangen der Empfangssignale, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (24, 124, 150) dazu ausgebildet ist, aus den Empfangssignalen eine erfasste spektrale Charakteristik des Empfangslichts (38, 58, 88, 138, 158) zu bestimmen, die erfasste spektrale Charakteristik des Empfangslichts (38, 58, 88, 138, 158) mit der vorgegebenen spektralen Charakteristik des Referenzlichts (32, 52, 82, 132, 160) zu vergleichen und bei einer vorbestimmten Abweichung der erfassten spektralen Charakteristik von der vorgegebenen spektralen Charakteristik eine sicherheitsgerichtete Aktion auszulösen.Device (10, 40, 70, 100, 140) for monitoring a monitored area (12, 154) with - at least one reference structure (30, 90, 130, 152) for generating reference light (32, 52, 82, 132, 160) with a predetermined spectral characteristic, - at least one light receiver (20, 62, 92, 120, 144a, ..., 144n) for detecting received light (38, 58, 88, 138, 158) from the monitored area (12, 154) and for generating received signals from the received light (38, 58, 88, 138, 158), the received light (38, 58, 88, 138, 158) the reference light (32, 52, 82, 132, 160) and/or object light (36, 56, 86, 136, 164) remitted and/or reflected by objects (34, 162) in the surveillance area (12, 154), - a control and evaluation unit (24, 124, 150) for controlling the light receiver (20, 62, 92, 120, 144a, ..., 144n) and for receiving the received signals, characterized in that the control and evaluation unit (24, 124, 150) is designed to, from the Emp capture signals to determine a detected spectral characteristic of the received light (38, 58, 88, 138, 158), the detected spectral characteristic of the received light (38, 58, 88, 138, 158) with the predetermined spectral characteristic of the reference light (32, 52, 82, 132, 160) and to trigger a safety-related action if the detected spectral characteristic deviates from the specified spectral characteristic. Vorrichtung (10, 40, 70, 140) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10, 40, 70, 140) wenigstens eine Sendelichtquelle (16, 46a, 46b, 46c, 76, 148a, 148b, 148c) zur Beleuchtung der Referenzstruktur (30, 90, 152) mit Sendelicht (28, 48, 78, 156) aufweistdevice (10, 40, 70, 140). claim 1 , characterized in that the device (10, 40, 70, 140) has at least one transmitted light source (16, 46a, 46b, 46c, 76, 148a, 148b, 148c) for illuminating the reference structure (30, 90, 152) with transmitted light ( 28, 48, 78, 156). Vorrichtung (40, 140) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (40, 140) eine Vielzahl von Sendelichtquellen (46a, 46b, 46c, 148a, 148b, 148c) aufweist.Device (40, 140) according to claim 2 , characterized in that the device (40, 140) has a plurality of transmission light sources (46a, 46b, 46c, 148a, 148b, 148c). Vorrichtung (10, 40, 70, 140) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzlicht (32, 52, 82, 160) durch Remission und/oder Reflexion des Sendlichts (28, 48, 78, 156) an der Referenzstruktur (30, 90, 152) erzeugt wird.device (10, 40, 70, 140). claim 2 , characterized in that the reference light (32, 52, 82, 160) is generated by remission and/or reflection of the transmitted light (28, 48, 78, 156) on the reference structure (30, 90, 152). Vorrichtung (10, 40, 70, 140) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzlicht (32, 52, 82, 160) durch Lumineszenz, insbesondere durch Fluoreszenz der Referenzstruktur (30, 90, 152) erzeugt wird.device (10, 40, 70, 140). claim 2 , characterized in that the reference light (32, 52, 82, 160) is generated by luminescence, in particular by fluorescence of the reference structure (30, 90, 152). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (24, 150), zur Ansteuerung der wenigstens einen Sendelichtquelle (16, 46a, 46b, 46c, 76, 148a, 148b, 148c) ausgebildet istDevice according to one of claims 2 until 5 , wherein the control and evaluation unit (24, 150) is designed to control the at least one transmission light source (16, 46a, 46b, 46c, 76, 148a, 148b, 148c). Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzstruktur (130) zur Erzeugung des Referenzlichts (132) wenigstens eine Referenzlichtquelle (116) aufweist.Device (100) according to claim 1 , characterized in that the reference structure (130) for generating the reference light (132) has at least one reference light source (116). Vorrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei die Steuer- und Auswerteeinheit (124) zur Ansteuerung der Referenzlichtquelle (116) ausgebildet ist.Device (100) according to claim 7 , wherein the control and evaluation unit (124) is designed to control the reference light source (116). Vorrichtung (10, 40, 70, 100, 140) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzstruktur (30, 90, 130, 152) den Überwachungsbereich (12, 154) zumindest teilweise begrenzt.Device (10, 40, 70, 100, 140) according to one of the preceding claims, characterized in that the reference structure (30, 90, 130, 152) at least partially delimits the monitoring area (12, 154). Vorrichtung (70) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzstruktur (90) wenigstens zwei Teilstrukturen (90a, 90b) aufweist, wobei eine erste Teilstruktur (90a) erstes Referenzlicht (82a) mit einer ersten vorgegebenen spektralen Charakteristik erzeugt, und eine zweite Teilstruktur (90b) zweites Referenzlicht (82a) mit einer zweiten vorgegebenen spektralen Charakteristik erzeugt.Device (70) according to one of the preceding claims, characterized in that the reference structure (90) has at least two substructures (90a, 90b), a first substructure (90a) generating first reference light (82a) with a first predetermined spectral characteristic, and a second partial structure (90b) generates second reference light (82a) with a second predetermined spectral characteristic.
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