DE202021102461U1

DE202021102461U1 - optical sensor

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Publication number: DE202021102461U1
Application number: DE202021102461.5U
Authority: DE
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 2021-05-06
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2022-08-11
Anticipated expiration: 2031-05-07

Abstract

Optischer Sensor (1) zur Erfassung von Objekten (7) in einem Überwachungsbereich, mit wenigstens einem Sender (13) und einem Empfänger (18), wobei vom Sender (13) emittierte Sendelichtstrahlen (3) als Empfangslichtstrahlen (5) von einem Objekt (7) zurück zum Empfänger (18) zurückreflektiert werden, wobei der Sender (13) Sendelichtstrahlen (3) in Form von Lichtimpulsen emittiert und wobei eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, in welcher durch Bestimmung der Lichtlaufzeit der Lichtimpulse vom Sender (13) zum Objekt (7) und zurück zum Empfänger (18) eine Objektdistanz ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Sender (13) in einer Strahlrichtung Sendelichtstrahlen (3) emittiert, und dass aus den Empfangslichtstrahlen (5) zwei Teilstrahlen (17) generiert werden, die separaten Empfängern (18) zugeführt werden, wobei abhängig von Empfangssignalen jedes Empfängers (18) Einzelmessergebnisse generiert werden, die zu einem Gesamtmessergebnis verknüpft werden.

Optical sensor (1) for detecting objects (7) in a surveillance area, with at least one transmitter (13) and one receiver (18), with the transmitted light beams (3) emitted by the transmitter (13) being received light beams (5) from an object ( 7) are reflected back to the receiver (18), with the transmitter (13) emitting light beams (3) in the form of light pulses and with an evaluation unit being provided in which, by determining the light propagation time of the light pulses from the transmitter (13) to the object (7 ) and back to the receiver (18), an object distance is determined, characterized in that the or each transmitter (13) emits transmitted light beams (3) in one beam direction, and in that two partial beams (17) are generated from the received light beams (5), which are fed to separate receivers (18), individual measurement results being generated as a function of received signals from each receiver (18) and being linked to form an overall measurement result.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an optical sensor according to the preamble of claim 1.

Ein derartiger optischer Sensor bildet einen nach einem Impuls-Laufzeit-Verfahren arbeitenden Distanzsensor. Hierzu weist der optische Sensor einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender sowie einen Empfänger zum Empfang der von einem Objekt zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen auf.Such an optical sensor forms a distance sensor that works according to a pulse transit time method. For this purpose, the optical sensor has a transmitter emitting transmitted light beams and a receiver for receiving the received light beams reflected back from an object.

Der optische Sensor weist in seiner einfachsten Ausgestaltung einen Sender und einen Empfänger auf, die stationär in einem Gehäuse angeordnet sind. In diesem Fall werden die Sendelichtstrahlen in einer vorgegebenen unveränderlichen Richtung in den Überwachungsbereich ausgesendet.In its simplest configuration, the optical sensor has a transmitter and a receiver, which are arranged in a stationary manner in a housing. In this case, the transmission light beams are emitted in a predetermined unchanging direction in the surveillance area.

Weiterhin kann der optische Sensor auch als Flächendistanzsensor ausgebildet sein. In diesem Fall werden die Sendelichtstrahlen des Senders mittels einer Ablenkeinheit abgelenkt, so dass diese periodisch innerhalb eines flächigen Überwachungsbereichs geführt sind.Furthermore, the optical sensor can also be designed as a surface distance sensor. In this case, the transmitted light beams of the transmitter are deflected by means of a deflection unit, so that they are periodically guided within a flat monitoring area.

Bei derartigen optischen Sensoren ist die Messgenauigkeit der Distanzmessungen generell durch statistische Messfehler, die insbesondere durch Rauscheffekte bedingt sind, begrenzt.With optical sensors of this type, the measurement accuracy of the distance measurements is generally limited by statistical measurement errors, which are caused in particular by noise effects.

Diese durch Rauscheffekte bedingten Messfehler können prinzipiell durch Mittelungen über mehrere Einzelmessungen erfolgen, die zeitlich nacheinander durchgeführt werden. Damit können durch Rauschen bedingte Messfehler reduziert werden.In principle, these measurement errors caused by noise effects can occur by averaging over several individual measurements that are carried out one after the other. Measurement errors caused by noise can thus be reduced.

Nachteilig hierbei ist, dass dadurch die Messzeiten, um aus den zeitlichen Folgen von Einzelmessergebnissen ein Gesamtmessergebnis zu generieren, erheblich erhöht sind, wodurch die Reaktionszeit des optischen Sensors bei der Objektdetektion verschlechtert wird.The disadvantage here is that the measurement times required to generate an overall measurement result from the chronological sequence of individual measurement results are significantly increased, as a result of which the reaction time of the optical sensor during object detection is worsened.

Ein weiteres Problem bei derartigen Mittelwertverfahren ergibt sich, wenn der optische Sensor als Flächendistanzsensor ausgebildet ist. Durch die Ablenkbewegung der Ablenkeinheit werden die Sendelichtstrahlen fortlaufend in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt. Eine Mittelung über mehrere Distanzwerte, die für in unterschiedlichen Richtungen in dem Überwachungsbereich geführten Sendelichtstrahlen erhalten werden, führen jedoch systembedingt zu Messfehlern, da die Sendelichtstrahlen in ihren unterschiedlichen Richtungen unterschiedliche Objektstrukturen wie zum Beispiel Ecken oder Kanten von Objekten detektieren können.A further problem with such averaging methods arises when the optical sensor is designed as a surface distance sensor. Due to the deflection movement of the deflection unit, the transmitted light beams are emitted continuously in different directions. However, averaging over several distance values, which are obtained for transmitted light beams guided in different directions in the monitored area, leads to measurement errors due to the system, since the transmitted light beams can detect different object structures such as corners or edges of objects in their different directions.

Beispiele für derartige Flächendistanzsensoren sind in DE 10 2010 061 382 A1 und EP 3 712 647 A1 beschrieben.Examples of such surface distance sensors are in DE 10 2010 061 382 A1 and EP 3 712 647 A1 described.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen optischen Sensor bereitzustellen, mittels dessen Objekte schnell und genau erfasst werden können.The object of the invention is to provide an optical sensor by means of which objects can be detected quickly and accurately.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.To solve this problem, the features of claim 1 are provided. Advantageous embodiments and expedient developments of the invention are described in the dependent claims.

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich, mit wenigstens einem Sender und einem Empfänger. Vom Sender emittierte Sendelichtstrahlen werden als Empfangslichtstrahlen von einem Objekt zurück zum Empfänger zurückreflektiert, wobei der Sender Sendelichtstrahlen in Form von Lichtimpulsen emittiert. Eine Auswerteeinheit ist vorgesehen, in welcher durch Bestimmung der Lichtlaufzeit der Lichtimpulse vom Sender zum Objekt und zurück zum Empfänger eine Objektdistanz ermittelt wird. Der oder jeder Sender emittiert in einer Strahlrichtung Sendelichtstrahlen. Aus den Empfangslichtstrahlen werden zwei Teilstrahlen generiert, die separaten Empfängern zugeführt werden. Abhängig von den Empfangssignalen jedes Empfängers werden Einzelmessergebnisse generiert, die zu einem Gesamtmessergebnis verknüpft werden.The invention relates to an optical sensor for detecting objects in a surveillance area, with at least one transmitter and one receiver. Transmitted light beams emitted by the transmitter are reflected back from an object back to the receiver as received light beams, with the transmitter emitting transmitted light beams in the form of light pulses. An evaluation unit is provided in which an object distance is determined by determining the light propagation time of the light pulses from the transmitter to the object and back to the receiver. The or each transmitter emits transmission light beams in a beam direction. Two partial beams are generated from the received light beams and fed to separate receivers. Depending on the received signals of each receiver, individual measurement results are generated, which are combined to form an overall measurement result.

Mit dem erfindungsgemäßen optischen Sensor können sehr genau Distanzen von Objekten in einem Überwachungsbereich bestimmt werden, wobei hierzu die Distanzbestimmungen nach einem Impuls-Laufzeit-Verfahren bestimmt werden. Hierzu emittiert der wenigstens eine Sender Sendelichtstrahlen in eine vorgegebene Richtung in Form von Lichtimpulsen. Zur Distanzbestimmung wird die Laufzeit der Lichtimpulse zu einem Objekt und zurück zum Empfänger ausgewertet.With the optical sensor according to the invention, distances from objects in a surveillance area can be determined very precisely, with the distance determinations being determined using a pulse transit time method for this purpose. For this purpose, the at least one transmitter emits transmitted light beams in a specified direction in the form of light pulses. To determine the distance, the transit time of the light pulses to an object and back to the receiver is evaluated.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die von einem Objekt zurückreflektierten Teilstrahlen aufzuspalten, die separaten Empfängern zugeführt werden.The basic idea of the invention consists in splitting up the partial beams that are reflected back from an object and are fed to separate receivers.

Durch diese Aufspaltung in Teilstrahlen werden die vom Objekt zurückreflektierten Lichtimpulse exakt oder nahezu zeitgleich den Empfängern zugeführt. Die durch die Aufspaltung der Empfangslichtstrahlen erhaltenen Teilstrahlen generieren somit Empfangssignale anhand derer zeitgleiche Einzelmessergebnisse generiert werden, die dann zu einem Gesamtmessergebnis verknüpft werden können, beispielsweise durch Mitteilung der Einzelmessergebnisse. Dadurch wird die Messgenauigkeit des optischen Sensors erheblich erhöht.As a result of this splitting into partial beams, the light pulses reflected back by the object are fed to the receivers at exactly or almost simultaneously. The partial beams obtained by splitting the received light beams thus generate received signals, based on which simultaneous individual measurement results are generated, which can then be combined to form an overall measurement result, for example by reporting the individual measurements results. This significantly increases the measurement accuracy of the optical sensor.

Prinzipiell wird eine Erhöhung der Messgenauigkeit jeweils bei einer Aufspaltung der Empfangslichtstrahlen in zwei Teilstrahlen erhöht. Generell kann auch eine Aufspaltung der Empfangslichtstrahlen in mehr als zwei Teilstrahlen erfolgen.In principle, an increase in the measurement accuracy is increased in each case when the received light beams are split into two partial beams. In general, the received light beams can also be split into more than two partial beams.

Im Gegensatz zu bekannten Messverfahren, bei denen zeitlich nacheinander unterschiedliche Einzelmessergebnisse generiert werden, die danach durch Mittelung zu einem Gesamtmessergebnis verknüpft werden, wird bei dem erfindungsgemäßen optischen Sensor durch die Auswertung mehrerer Einzelmessergebnisse die Messzeit nicht erhöht, da durch die erfindungsgemäße Aufspaltung der Empfangslichtstrahlen in Teilstrahlen mehrere Einzelmessergebnisse gleichzeitig durchgeführt werden.In contrast to known measuring methods, in which different individual measurement results are generated one after the other, which are then linked to form an overall measurement result by averaging, the measurement time in the optical sensor according to the invention is not increased by the evaluation of several individual measurement results, since the splitting of the received light beams into partial beams according to the invention several individual measurement results can be carried out simultaneously.

Dabei kann ein heterodynes oder homodynes Verfahren zur Ermittlung des Gesamtmessergebnisses eingesetzt werden.A heterodyne or homodyne method can be used to determine the overall measurement result.

Weiterhin ist es möglich, dass offensichtlich fehlerhafte Einzelmessergebnisse aussortiert und bei der Berechnung des Gesamtmessergebnisses nicht berücksichtigt werden.It is also possible that obviously erroneous individual measurement results are sorted out and not taken into account in the calculation of the overall measurement result.

Besonders vorteilhaft wird das Gesamtmessergebnis durch Mittelung von Einzelmessergebnissen bestimmt.The total measurement result is particularly advantageously determined by averaging individual measurement results.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich bei der Ausbildung des optischen Sensors als Flächendistanzsensor.A further essential advantage of the invention results from the design of the optical sensor as a surface distance sensor.

Bei einem Flächendistanzsensor werden die Sendelichtstrahlen mittels einer Ablenkeinheit oder einer Drehlagerung des Senders periodisch innerhalb des Überwachungsbereichs geführt.In the case of a surface distance sensor, the transmitted light beams are periodically guided within the monitored area by means of a deflection unit or a rotary bearing of the transmitter.

Durch die Ablenkbewegung werden die die Sendelichtstrahlen bildenden Lichtimpulse nacheinander in jeweils einem Winkelbereich in den Überwachungsbereich ausgesendet.As a result of the deflection movement, the light pulses forming the transmitted light beams are emitted one after the other in a respective angular range into the monitoring area.

Durch die Aufspaltung der Empfangslichtstrahlen in die Teilstrahlen werden zeitgleich Einzelmessergebnisse generiert, das heißt alle Einzelmessergebnisse werden für dieselbe Ablenkrichtung der Sendelichtstrahlen, das heißt denselben Winkelbereich, in welchem die Sendelichtstrahlen geführt sind, erzeugt.By splitting the received light beams into the partial beams, individual measurement results are generated simultaneously, ie all individual measurement results are generated for the same deflection direction of the transmitted light beams, ie the same angular range in which the transmitted light beams are guided.

Dadurch wird mit allen Einzelmessergebnissen exakt dieselbe Objektstruktur vermessen, das heißt Messfehler, die dadurch bedingt sind, dass durch die Ablenkbewegung der Sendelichtstrahlen verschiedene Objektstrukturen vermessen würden, werden bei dem erfindungsgemäßen optischen Sensor vermieden, wodurch die Messgenauigkeit des optischen Sensors weiter erhöht wird.As a result, exactly the same object structure is measured with all individual measurement results, i.e. measurement errors that are caused by the fact that different object structures would be measured by the deflection movement of the transmitted light beams are avoided in the optical sensor according to the invention, which further increases the measurement accuracy of the optical sensor.

Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber bekannten Flächendistanzsensoren dar. Dort werden Einzelmessergebnisse durch nacheinander vom Sender emittierte Lichtimpulse generiert. Während des Aussendens dieser Lichtimpulse bewegen sich die Sendelichtstrahlen weiter im Überwachungsbereich, so dass mit den einzelnen Lichtimpulse unterschiedliche Objektstrukturen vermessen werden. Durch eine Mittelung von auf diese Weise erhaltenen Einzelmessergebnisse wird eine Ortsunschärfe erhalten, die ein genaues Vermessen von Objektstrukturen beeinträchtigt.This represents a significant advantage over known area distance sensors. There, individual measurement results are generated by light pulses emitted one after the other by the transmitter. During the transmission of these light pulses, the transmitted light beams continue to move in the monitoring area, so that different object structures are measured with the individual light pulses. By averaging individual measurement results obtained in this way, a spatial blur is obtained, which impairs precise measurement of object structures.

Diese Ortsunschärfe wird bei dem erfindungsgemäßen optischen Sensor vermieden.This spatial blur is avoided with the optical sensor according to the invention.

Generell werden bei dem erfindungsgemäßen optischen Sensor die mit den Teilstrahlen erhaltenen Einzelmessergebnisse zu einem Gesamtmessergebnis verknüpft.In general, with the optical sensor according to the invention, the individual measurement results obtained with the partial beams are combined to form an overall measurement result.

Bei einem als Flächendistanzsensor ausgebildeten optischen Sensor ist vorteilhaft der Sendebetrieb des oder jedes Senders an die Ablenkbewegung der Sendelichtstrahlen angepasst. Bei dieser Ablenkbewegung werden die Sendelichtstrahlen in einer definierten zeitlichen Abfolge in einzelnen Winkelbereichen geführt.In the case of an optical sensor designed as a surface distance sensor, the transmission mode of the or each transmitter is advantageously adapted to the deflection movement of the transmitted light beams. During this deflection movement, the transmitted light beams are guided in a defined time sequence in individual angular ranges.

Gemäß einer ersten Variante wird nur ein Lichtimpuls je Winkelbereich ausgesendet.According to a first variant, only one light pulse is emitted per angular range.

Dann erfolgt je Winkelbereich nur eine Distanzmessung, wobei für diese Distanzmessung durch das Aufspalten der Empfangslichtstrahlen in die Teilstrahlen mehrere Einzelmessergebnisse erhalten werden.Only one distance measurement then takes place per angular range, with several individual measurement results being obtained for this distance measurement by splitting the received light beams into the partial beams.

Gemäß einer zweiten Variante wird je Winkelbereich eine Folge von Lichtimpulsen ausgesendet.According to a second variant, a sequence of light pulses is emitted for each angular range.

Im einfachsten Fall wird für die Durchführung von Laufzeitmessungen nur ein Lichtimpuls einer Folge von Lichtimpulsen je Winkelbereich ausgewählt.In the simplest case, only one light pulse from a sequence of light pulses per angle range is selected for carrying out transit time measurements.

Insbesondere kann nur der erste Lichtimpuls zur Durchführung einer Distanzmessung herangezogen werden.In particular, only the first light pulse can be used to carry out a distance measurement.

Alternativ können auch mehrere Lichtimpulse je Winkelbereich zur Durchführung von Distanzmessungen herangezogen werden.Alternatively, several light pulses per angular range can also be used to carry out distance measurements.

Vorteilhaft werden je Winkelbereich wenigstens zwei Lichtimpulse ausgewertet. Für beide Lichtimpulse werden Laufzeitmessungen durchgeführt, wobei die Zeitdifferenz zwischen der Aussendung des ersten und zweiten Lichtimpulses in der Auswerteeinheit vorbekannt ist und diese bei der Laufzeitmessung für den zweiten Lichtimpuls berücksichtigt wird.At least two light pulses are advantageously evaluated for each angle range. Runtime measurements are carried out for both light pulses, the time difference between the transmission of the first and second light pulse being known in advance in the evaluation unit and this being taken into account in the runtime measurement for the second light pulse.

Auch in diesem Fall werden durch die Aufspaltung der Empfangslichtstrahlen in Teilstrahlen wieder mehrere Einzelmessergebnisse für die jeweilige Distanzmessung erhalten.In this case, too, a number of individual measurement results for the respective distance measurement are again obtained by splitting the received light beams into partial beams.

Gemäß einer besonders einfachen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Sensors weist dieser nur einen Sender auf, der Sendelichtstrahlen in eine Richtung emittiert.According to a particularly simple embodiment of the optical sensor according to the invention, this has only one transmitter, which emits transmitted light beams in one direction.

Alternativ kann der optische Sensor wenigstens zwei Sender aufweisen, wo von den Sendern emittierte Lichtstrahlen zu in einer Richtung verlaufenden Sendelichtstrahlen überlagert sind.Alternatively, the optical sensor may have at least two emitters, where light beams emitted by the emitters are superimposed on unidirectional transmission light beams.

Zweckmäßig sind die Lichtstrahlen der Sender mittels Optikelementen zu den Sendelichtstrahlen überlagert.The light beams of the transmitters are expediently superimposed to form the transmitted light beams by means of optical elements.

Um eine Unterscheidbarkeit der einzelnen zu den Sendelichtstrahlen überlagerten Lichtstrahlen zu gewährleisten ist zweckmäßig vorgesehen, dass sich die Lichtstrahlen der Sender hinsichtlich ihrer Polarisation und/oder Wellenlänge voneinander unterscheiden.In order to ensure that the individual light beams superimposed on the transmitted light beams can be distinguished, it is expedient for the light beams of the transmitters to differ from one another with regard to their polarization and/or wavelength.

Für eine Aufteilung der Empfangslichtstrahlen in Teilstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationen und/oder Wellenlängen sind bereits die Sendelichtstrahlen durch Überlagerung einzelner Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationen und/oder Wellenlängen gebildet, so dass diese Komponenten empfangsseitig zur Aufspaltung in Teilstrahlen genutzt werden können.To split the received light beams into partial beams with different polarizations and/or wavelengths, the transmitted light beams are already formed by superimposing individual light beams with different polarizations and/or wavelengths, so that these components can be used at the receiving end for splitting into partial beams.

Die Empfänger, auf welche die einzelnen Teilstrahlen geführt sind, können von räumlich getrennten Bauelementen gebildet sein. Alternativ können wenigstens zwei Empfänger von einem kombinierten Empfänger gebildet sein.The receivers to which the individual partial beams are directed can be formed by spatially separate components. Alternatively, at least two receivers can be formed by a combined receiver.

Der optische Sensor kann vorteilhaft als Sicherheitssensor ausgebildet sein, der im Bereich der Sicherheitstechnik, insbesondere im Bereich des Personenschutzes eingesetzt werden kann. Beispielsweise kann ein solcher Sicherheitssensor zur Gefahrenbereichsüberwachung an gefahrbringenden Anlagen eingesetzt werden. Der Sicherheitssensor weist hierzu einen fehlersicheren Aufbau auf. Dies kann zum Beispiel durch eine redundante Auswerteeinheit realisiert werden. Insbesondere kann eine zweikanalige Auswerteeinheit mit zwei sich gegenseitig zyklisch überprüfenden Rechnereinheiten vorgesehen sein. Weiterhin können fehlersichere Ausgangsstrukturen zur fehlersicheren Ausgabe von Objektfeststellungssignalen vorgesehen sein. Diese können in Form von zweikanaligen Ausgängen gebildet sein.The optical sensor can advantageously be designed as a safety sensor which can be used in the field of safety technology, in particular in the field of personal protection. For example, such a safety sensor can be used to monitor hazardous areas on hazardous systems. For this purpose, the safety sensor has a fail-safe structure. This can be implemented, for example, using a redundant evaluation unit. In particular, a two-channel evaluation unit can be provided with two computer units that check each other cyclically. Furthermore, failsafe output structures can be provided for the failsafe output of object detection signals. These can be in the form of two-channel outputs.

Für den Fall, dass der Sicherheitssensor als Flächendistanzsensor ausgebildet ist, kann mit diesem eine Schutzfeldüberwachung durchgeführt werden. In diesem Fall wird in der Auswerteeinheit abhängig von den Empfangssignalen der Empfänger ein binäres Schaltsignal generiert, dessen Schaltzustände angeben, ob sich ein Objekt im Schutzfeld befindet oder nicht.If the safety sensor is designed as a surface distance sensor, it can be used to monitor a protective field. In this case, a binary switching signal is generated in the evaluation unit depending on the received signals from the receivers, the switching states of which indicate whether an object is in the protective field or not.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1: Erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Sensors.
2: Zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Sensors.
3: Drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Sensors.
4: Erstes Ausführungsbeispiel einer Senderanordnung für den optischen Sensor gemäß den 1 bis 3.
5: Zweites Ausführungsbeispiel einer Senderanordnung für die optischen Sensoren gemäß den 1 bis 3.
6: Schematische Darstellung der Empfängeranordnung für die optischen Sensoren gemäß den 1 bis 3.
7: Ausführungsbeispiel einer Empfängeranordnung für die optischen Sensoren gemäß den 1 bis 3.

The invention is explained below with reference to the drawings. Show it:

1 : First embodiment of the optical sensor according to the invention.
2 : Second embodiment of the optical sensor according to the invention.
3 : Third embodiment of the optical sensor according to the invention.
4 : First embodiment of a transmitter arrangement for the optical sensor according to the 1 until 3 .
5 : Second embodiment of a transmitter arrangement for the optical sensors according to the 1 until 3 .
6 : Schematic representation of the receiver arrangement for the optical sensors according to 1 until 3 .
7 : Exemplary embodiment of a receiver arrangement for the optical sensors according to the 1 until 3 .

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Sensors 1. Die Sensorkomponenten des optischen Sensors 1 sind in einem Gehäuse 2 integriert. Der optische Sensor 1 weist eine Sendelichtstrahlen 3 emittierende Senderanordnung 4 und eine Empfangslichtstrahlen 5 empfangende Empfängeranordnung 6 auf. Weiterhin weist der optische Sensor 1 eine nicht dargestellte Auswerteeinheit auf, die zur Steuerung der Senderanordnung 4 und zur Auswertung der Empfangssignale der Empfängeranordnung 6 dient. In der Auswerteeinheit wird abhängig von diesen Empfangssignalen ein Objektfeststellungssignal generiert. 1 1 shows a first exemplary embodiment of the optical sensor 1 according to the invention. The sensor components of the optical sensor 1 are integrated in a housing 2. FIG. The optical sensor 1 has a transmitter arrangement 4 emitting transmitted light rays 3 and a receiver arrangement 6 receiving received light rays 5 . Furthermore, the optical sensor 1 has an evaluation unit, not shown, which is used to control the transmitter arrangement 4 and to evaluate the received signals from the receiver arrangement 6 . An object detection signal is generated in the evaluation unit as a function of these received signals.

Der optische Sensor 1 bildet einen nach einem Impuls-Laufzeit-Verfahren arbeitenden Distanzsensor. Hierzu emittiert die Senderanordnung 4 Sendelichtstrahlen 3 in Form von Lichtimpulsen. Zur Detektion eines Objekts 7 in einem Überwachungsbereich werden die in einer Richtung emittierten Sendelichtstrahlen 3 auf das Objekt 7 geführt und von dort als Empfangslichtstrahlen 5 zurück zur Empfängeranordnung 6. Dabei wird die Laufzeit der Lichtimpulse von der Senderanordnung 4 zum Objekt 7 und zurück zur Empfängeranordnung 6 ermittelt und daraus die Objektdistanz ermittelt. Der so ermittelte Distanzwert kann als Objektfeststellungssignal ausgegeben werden. Alternativ kann als Objektfeststellungssignal ein binäres Schaltsignal ausgegeben werden, dessen Schaltzustände angeben ob sich ein Objekt 7 innerhalb eines Schutzfeldes im Überwachungsbereich befindet oder nicht.The optical sensor 1 forms a distance sensor that works according to a pulse transit time method. For this purpose, the transmitter arrangement emits 4 transmitted light beams 3 in the form of light pulses. To the Upon detection of an object 7 in a surveillance area, the transmitted light beams 3 emitted in one direction are guided to the object 7 and from there as received light beams 5 back to the receiver arrangement 6. The transit time of the light pulses from the transmitter arrangement 4 to the object 7 and back to the receiver arrangement 6 is determined and from this the object distance is determined. The distance value determined in this way can be output as an object detection signal. Alternatively, a binary switching signal can be output as the object detection signal, the switching states of which indicate whether an object 7 is located within a protective field in the monitored area or not.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors 1 in Form eines Flächendistanzsensors, das heißt eines scannenden Distanzsensors. Zur Durchführung von Distanzmessungen weist der optische Sensor 1 eine Sendelichtstrahlen 3 emittierende Senderanordnung 4 und eine Empfangslichtstrahlen 5 empfangende Empfängeranordnung 6 auf. Die Senderanordnung 4 emittiert Sendelichtstrahlen 3 in Form von Lichtimpulsen. Wie 2 zeigt, werden die Sendelichtstrahlen 3 an einem zu detektierenden Objekt 7 reflektiert, wobei die entsprechende Lichtlaufzeit der Lichtimpulse zum Objekt 7 und zurück zum optischen Sensor 1 für die Distanzbestimmungen ausgewertet werden. 2 1 shows an exemplary embodiment of an optical sensor 1 in the form of a surface distance sensor, ie a scanning distance sensor. In order to carry out distance measurements, the optical sensor 1 has a transmitter arrangement 4 emitting transmitted light rays 3 and a receiver arrangement 6 receiving received light rays 5 . The transmitter arrangement 4 emits transmitted light beams 3 in the form of light pulses. As 2 shows, the transmitted light beams 3 are reflected on an object 7 to be detected, with the corresponding light propagation time of the light pulses to the object 7 and back to the optical sensor 1 being evaluated for determining the distance.

Wie 2 zeigt, sind die Sensorkomponenten des optischen Sensors 1 in einem Gehäuse 2 integriert, wobei die Senderanordnung 4 sowie die Empfängeranordnung 6 mit einer vorgeordneten Sendeoptik beziehungsweise Empfangsoptik 8 stationär im Gehäuse 2 angeordnet sind. Mit dem optischen Sensor 1 erfolgt eine Objektdetektion in einem flächigen Erfassungsbereich dadurch, dass die Sendelichtstrahlen 3 mittels einer Ablenkeinheit 9 periodisch abgelenkt werden. Die Ablenkeinheit 9 ist motorisch angetrieben und umfasst einen um eine Drehachse D drehbaren Umlenkspiegel 10, an dem die Sendelichtstrahlen 3 abgelenkt werden. Die vom Objekt 7 zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 5 werden über die Ablenkeinheit 9 zur Empfängeranordnung 6 geführt.As 2 shows, the sensor components of the optical sensor 1 are integrated in a housing 2, with the transmitter arrangement 4 and the receiver arrangement 6 with an upstream transmission optics or reception optics 8 being arranged in a stationary manner in the housing 2. The optical sensor 1 is used to detect an object in a flat detection area in that the transmitted light beams 3 are periodically deflected by means of a deflection unit 9 . The deflection unit 9 is motor-driven and comprises a deflection mirror 10 which can be rotated about an axis of rotation D and on which the transmitted light beams 3 are deflected. The received light beams 5 reflected back by the object 7 are guided to the receiver arrangement 6 via the deflection unit 9 .

3 zeigt eine Variante des Flächendistanzsensors gemäß 1. In diesem Fall erfolgt die periodische Ablenkung der Sendelichtstrahlen 3 dadurch, dass die Senderanordnung 4 und die Empfängeranordnung 6 in einem um eine Drehachse D drehbaren Messkopf 11 angeordnet sind, wobei der Messkopf 11 auf einem Sockel 12 drehbar gelagert ist. 3 shows a variant of the area distance sensor according to FIG 1 . In this case, the periodic deflection of the transmitted light beams 3 takes place in that the transmitter arrangement 4 and the receiver arrangement 6 are arranged in a measuring head 11 rotatable about an axis of rotation D, the measuring head 11 being rotatably mounted on a base 12 .

Mit den als Flächendistanzsensoren ausgebildeten optischen Sensoren 1 gemäß den 2 und 3 erfolgt besonders vorteilhaft eine Schutzfeldüberwachung. Hierzu ist ein flächiges Schutzfeld innerhalb des Überwachungsbereichs vorgegeben. Der optische Sensor 1 generiert dann als Objektfeststellungssignal ein binäres Schaltsignal, dessen Schaltzustände angeben, ob sich ein Objekt 7 innerhalb des Schutzfeldes befindet oder nicht.With the designed as area distance sensors optical sensors 1 according to 2 and 3 a protective field monitoring takes place in a particularly advantageous manner. For this purpose, a flat protective field is specified within the monitoring area. The optical sensor 1 then generates a binary switching signal as an object detection signal, the switching states of which indicate whether an object 7 is located within the protective field or not.

Für den Einsatz im Bereich der Sicherheitstechnik sind die optischen Sensoren 1 gemäß den 1 bis 3 als Sicherheitssensoren ausgebildet und weisen einen fehlersicheren Aufbau auf, der beispielsweise durch eine redundante Auswerteeinheit in Form zweier sich zyklisch gegenseitig überwachender Prozessoren realisiert werden kann. Weiterhin ist ein fehlersicherer, insbesondere zweikanaliger Ausgang zur Ausgabe des Objektfeststellungssignals vorgesehen. For use in the field of safety technology, the optical sensors 1 are in accordance with 1 until 3 designed as safety sensors and have a fail-safe design, which can be implemented, for example, by a redundant evaluation unit in the form of two processors that cyclically monitor one another. Furthermore, a fail-safe, in particular two-channel output is provided for outputting the object detection signal.

4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Senderanordnung 4 für die optischen Sensoren 1 gemäß den 1 bis 3. 4 shows a first exemplary embodiment of a transmitter arrangement 4 for the optical sensors 1 according to FIGS 1 until 3 .

Die Senderanordnung 4 umfasst in diesem Fall nur einen Sender 13, der Sendelichtstrahlen 3 in eine vorgegebene Richtung emittiert. Der Sender 13 kann beispielsweise von einer Laserdiode gebildet sein.In this case, the transmitter arrangement 4 comprises only one transmitter 13, which emits transmitted light beams 3 in a predetermined direction. The transmitter 13 can be formed by a laser diode, for example.

5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Senderanordnung 4. Diese Senderanordnung 4 weist mehrere Sender 13 auf, die wieder von Laserdioden gebildet sein können. Diese Sender 13 emittieren Lichtstrahlen 14 die einer Optikanordnung 15 mit Optikelementen zugeführt werden. Die Optikelemente können in Form von Linsen, Lichtleitern und dergleichen ausgebildet sein. 5 shows another embodiment of a transmitter arrangement 4. This transmitter arrangement 4 has a plurality of transmitters 13, which can again be formed by laser diodes. These transmitters 13 emit light beams 14 which are fed to an optics arrangement 15 with optics elements. The optical elements can be designed in the form of lenses, light guides and the like.

Mit der Optikanordnung 15 erfolgt eine Überlagerung der Lichtstrahlen 14 derart, dass sich diese zu in einer Richtung verlaufenden Sendelichtstrahlen 3 ergänzen.The optical arrangement 15 superimposes the light beams 14 in such a way that they complement each other to form transmitted light beams 3 running in one direction.

Vorteilhaft unterscheiden sich die Lichtstrahlen 14 der Sender 13 hinsichtlich ihrer Polarisation und/oder Wellenlänge voneinander.The light beams 14 of the transmitters 13 advantageously differ from one another in terms of their polarization and/or wavelength.

Erfindungsgemäß werden die von einem Objekt 7 zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 5 mit im optischen Sensor 1 vorgesehenen Aufspaltungsmitteln 16 in mehrere Teilstrahlen 17 aufgespalten, wobei die Teilstrahlen 17 jeweils auf einen Empfänger 18 geführt sind. Die Empfänger 18 sind besonders vorteilhaft in Form von Avalanche-Fotodioden oder im einfachsten Fall von Fotodioden gebildet.According to the invention, the received light beams 5 reflected back by an object 7 are split into a plurality of partial beams 17 by means of splitting means 16 provided in the optical sensor 1 , with the partial beams 17 each being guided to a receiver 18 . The receivers 18 are particularly advantageously in the form of avalanche photodiodes or, in the simplest case, of photodiodes.

In den Aufspaltungsmitteln 16 erfolgt eine Aufteilung der Empfangslichtstrahlen 5 in Teilstrahlen 17 anhand deren Intensitäten, Polarisationen und/oder Wellenlängen.In the splitting means 16, the received light beams 5 are split into partial beams 17 on the basis of their intensities, polarizations and/or wavelengths.

Hierzu müssen die Aufspaltungsmittel 16 geeignete optische Mittel wie polarisations- oder wellenlängenselektive Filter oder elektrische Mittel wie Schwellwertdiskriminatoren aufweisen, die auch den jeweiligen Empfängern 18 zugeordnet sein können. Mit Spiegelanordnungen oder dergleichen erfolgt eine räumliche Trennung der Teilstrahlen 17, um diese den räumlich getrennten Empfängern 18 zuzuführen.For this purpose, the splitting means 16 must have suitable optical means such as polarization or wavelength-selective filters or electrical means such as threshold discriminators, which can also be assigned to the respective receivers 18 . The partial beams 17 are spatially separated with mirror arrangements or the like in order to feed them to the spatially separated receivers 18 .

Generell ist es auch möglich, dass wenigstens zwei Empfänger 18 von einem kombinierten Empfänger 18 gebildet sind.In general, it is also possible for at least two receivers 18 to be formed by a combined receiver 18 .

Im vorliegenden Fall sind zwei separate Empfänger 18 vorgesehen. Generell können auch mehr als zwei Empfänger 18 vorgesehen sein, insbesondere dann, wenn anhand mehrerer Kriterien wie der Wellenlänge, der Polarisation und der Intensität der Empfangslichtstrahlen 5 eine Aufteilung in mehrere Teilstrahlen 17 erfolgt, die sich jeweils in wenigstens einem Kriterium voneinander unterscheiden.In the present case, two separate receivers 18 are provided. In general, more than two receivers 18 can also be provided, in particular if, based on several criteria such as wavelength, polarization and intensity of the received light beams 5, a division into several partial beams 17 takes place, which differ from one another in at least one criterion.

7 zeigt eine konkrete Ausführungsform eines Aufspaltungsmittels 16. Dabei ist in 7 der Strahlengang der Sendelichtstrahlen 3 von der Senderanordnung 4 zum Objekt 7 und der Empfangslichtstrahlen 5 vom Objekt 7 zum Aufspaltungsmittel 16 aufgefaltet dargestellt. 7 shows a concrete embodiment of a splitting means 16. In this case, 7 the beam path of the transmitted light beams 3 from the transmitter arrangement 4 to the object 7 and the received light beams 5 from the object 7 to the splitting means 16 are shown unfolded.

Wie 7 zeigt, sind die in Form von Lichtimpulsen emittierten Lichtstrahlen 14 in zwei senkrecht zueinander verlaufenden Polarisationsrichtungen 1 und II polarisiert, wobei diese Polarisationsrichtungen I und II bei der Reflexion am Objekt 7 erhalten bleiben.As 7 shows, the light beams 14 emitted in the form of light pulses are polarized in two mutually perpendicular polarization directions I and II, with these polarization directions I and II being retained during the reflection on the object 7 .

Als Aufspaltungsmittel 16 ist im vorliegenden Fall ein polarisierender Strahlteiler vorgesehen. Durch diesen werden selektiv Teilstrahlen 17 mit der ersten Polarisationsrichtung I dem ersten Empfänger 18 und Teilstrahlen 17 mit der zweiten Polarisationsrichtung II dem zweiten Empfänger 18 zugeführt.In the present case, a polarizing beam splitter is provided as splitting means 16 . Through this, partial beams 17 with the first polarization direction I are selectively fed to the first receiver 18 and partial beams 17 with the second polarization direction II are fed to the second receiver 18 .

Anhand der durch die Teilstrahlen 17 generierten Empfangssignale in den einzelnen Empfängern 18 werden in jedem Empfänger 18 Einzelmessergebnisse generiert, die von Distanzwerten gebildet sind.Using the received signals generated by the partial beams 17 in the individual receivers 18, individual measurement results are generated in each receiver 18, which are formed from distance values.

Die Generierung der Einzelmessergebnisse kann in der Auswerteeinheit als Zentraleinheit beziehungsweise räumlich verteilten Rechnereinheiten als dezentralen Komponenten der Auswerteeinheit erfolgen. In einer übergeordneten Einheit, die Bestandteil der Auswerteeinheit ist, werden die Einzelmessergebnisse zu einem Gesamtmessergebnis verknüpft.The individual measurement results can be generated in the evaluation unit as a central unit or in spatially distributed computer units as decentralized components of the evaluation unit. In a superordinate unit, which is part of the evaluation unit, the individual measurement results are linked to form an overall measurement result.

Die Auswertung kann auch derart erfolgen, dass offensichtlich fehlerhafte Einzelmessergebnisse aussortiert und bei der Berechnung des Gesamtmessergebnisses nicht berücksichtigt werden.The evaluation can also take place in such a way that obviously erroneous individual measurement results are sorted out and not taken into account in the calculation of the overall measurement result.

Aus den Distanzwerten der Einzelmessergebnisse, insbesondere der nicht als fehlerhaft aussortierten Einzelmessergebnisse, wird in der übergeordneten Einheit durch Mitteilung ein Gesamtmessergebnis generiert. Der Distanzwert des Gesamtmessergebnisses kann direkt als Objektfeststellungssignal oder zur Berechnung eines Schaltsignals verwendet werden.From the distance values of the individual measurement results, in particular the individual measurement results not sorted out as incorrect, an overall measurement result is generated in the superordinate unit by notification. The distance value of the overall measurement result can be used directly as an object detection signal or to calculate a switching signal.

Bei einem optischen Sensor 1 in Form eines Flächendistanzsensors werden die die Sendelichtstrahlen 3 bildenden Lichtimpulse nacheinander in jeweils einem Winkelbereich in den Überwachungsbereich ausgesendet.In the case of an optical sensor 1 in the form of a surface distance sensor, the light pulses forming the transmitted light beams 3 are transmitted one after the other in a respective angular range into the monitoring region.

Im einfachsten Fall wird nur ein Lichtimpuls je Winkelbereich ausgesendet.In the simplest case, only one light pulse is emitted per angular range.

Alternativ wird je Winkelbereich eine Folge von Lichtimpulsen ausgesendet.Alternatively, a sequence of light pulses is emitted for each angular range.

Dabei kann für die Durchführung von Laufzeitmessungen nur ein Lichtimpuls einer Folge von Lichtimpulsen je Winkelbereich ausgewählt werden.In this case, only one light pulse in a sequence of light pulses per angle range can be selected for carrying out transit time measurements.

BezugszeichenlisteReference List

(1)(1): Optischer Sensoroptical sensor
(2)(2): GehäuseHousing
(3)(3): Sendelichtstrahltransmission light beam
(4)(4): Senderanordnungtransmitter arrangement
(5)(5): Empfangslichtstrahlreceiving light beam
(6)(6): Empfängeranordnungreceiver arrangement
(7)(7): Objektobject
(8)(8th): Empfangsoptikreceiving optics
(9)(9): Ablenkeinheitdeflection unit
(10)(10): Umlenkspiegeldeflection mirror
(11)(11): Messkopfmeasuring head
(12)(12): Sockelbase
(13)(13): SenderChannel
(14)(14): Lichtstrahlbeam of light
(15)(15): Optikanordnungoptics arrangement
(16)(16): Aufspaltungsmittelsplitting agents
(17)(17): Teilstrahlpartial beam
(18)(18): Empfänger recipient
DD: Drehachseaxis of rotation
I, III,II: Polarisationsrichtungpolarization direction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102010061382 A1 [0009]
EP 3712647 A1 [0009]

Claims

Optical sensor (1) for detecting objects (7) in a surveillance area, with at least one transmitter (13) and one receiver (18), with the transmitted light beams (3) emitted by the transmitter (13) being received light beams (5) from an object ( 7) are reflected back to the receiver (18), with the transmitter (13) emitting light beams (3) in the form of light pulses and with an evaluation unit being provided in which, by determining the light propagation time of the light pulses from the transmitter (13) to the object (7 ) and back to the receiver (18), an object distance is determined, characterized in that the or each transmitter (13) emits transmitted light beams (3) in one beam direction, and in that two partial beams (17) are generated from the received light beams (5), which are fed to separate receivers (18), individual measurement results being generated as a function of received signals from each receiver (18) and being linked to form an overall measurement result.

Optical sensor (1) after claim 1 , characterized in that it has only one transmitter (13) which emits transmitted light beams (3) in one direction.

Optical sensor (1) after claim 1 , characterized in that it has at least two transmitters (13), light beams (14) emitted by the transmitters (13) being superimposed to form transmitted light beams (3) running in one direction.

Optical sensor (1) after claim 3 , characterized in that the light beams (14) of the transmitter (13) are superimposed by means of optical elements to form the transmitted light beams (3).

Optical sensor (1) according to one of claims 3 or 4 , characterized in that the light beams (14) of the transmitter (13) differ from one another in terms of their polarization and/or wavelength.

Optical sensor (1) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that this is a surface distance sensor.

Optical sensor (1) after claim 6 , characterized in that the transmitted light beams (3) are guided periodically within the monitored area by means of a deflection unit (9) or a rotary bearing of the transmitter (13).

Optical sensor (1) according to one of Claims 6 or 7 , characterized in that the light pulses forming the transmitted light beams (3) are emitted one after the other in a respective angular range into the monitoring area.

Optical sensor (1) after claim 8 , characterized in that only one light pulse is emitted per angular range.

Optical sensor (1) after claim 8 , characterized in that a sequence of light pulses is emitted for each angular range.

Optical sensor (1) after claim 10 , characterized in that only one light pulse of a sequence of light pulses per angular range is selected for the implementation of transit time measurements.

Optical sensor (1) after claim 10 , characterized in that at least two light pulses are evaluated for each angular range, transit time measurements being carried out for both light pulses, the time difference between the transmission of the first and second light pulse being known in advance in the evaluation unit and this being taken into account in the transit time measurement for the second light pulse.

Optical sensor (1) according to one of Claims 1 until 12 , characterized in that the received light beams (5) are divided into partial beams (17) on the basis of their intensities, polarizations and/or wavelengths.

Optical sensor (1) according to one of Claims 1 until 13 , characterized in that at least two receivers (18) are formed by a combined receiver (18).

Optical sensor (1) according to one of Claims 1 until 14 , characterized in that the overall measurement result is determined by averaging individual measurement results.

Optical sensor (1) according to one of Claims 1 until 14 , characterized in that a heterodyne or homodyne method is used to determine the overall measurement result.

Optical sensor (1) according to one of Claims 1 until 16 , characterized in that obviously erroneous individual measurement results are sorted out and not taken into account in the calculation of the overall measurement result.

Optical sensor (1) according to one of Claims 1 until 17 , characterized in that this is a safety sensor.

Optical sensor (1) after Claim 18 characterized in that a protective field is monitored with this.