DE202022106338U1

DE202022106338U1 - Photoelectronic sensor

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Publication number: DE202022106338U1
Application number: DE202022106338.9U
Authority: DE
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2022-11-11
Filing date: 2022-11-11
Publication date: 2024-02-14
Anticipated expiration: 2032-11-12

Abstract

Optoelektronischer Sensor (10) zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich (12) nach dem Triangulationsprinzip, mit einer Sendeanordnung (14) zum Aussenden von Sendelichtsignalen in den Überwachungsbereich (12) entlang eines Sendelichtpfads (16), wobei die Sendeanordnung (14) eine linienförmige oder flächenförmige Lichtquelle (18) und eine Sendeoptik (22) umfasst, welche zum Fokussieren der von der Lichtquelle (18) erzeugten Sendelichtsignale in einen Sendelichtfleck eingerichtet ist, und
mit einer Empfangsanordnung (30), welche eine Empfangsoptik (32), die zum Fokussieren von Empfangslichtsignalen, die von einem im Überwachungsbereich (12) anwesenden Objekt durch Remission auftreffender Sendelichtsignale erzeugt werden, in einen Empfangslichtfleck eingerichtet ist, und einen ortsauflösenden Lichtempfänger (34) umfasst, welcher zum Detektieren des Empfangslichtflecks eingerichtet ist, wobei der Auftreffort des Empfangslichtflecks auf dem Lichtempfänger (34) bezogen auf eine Triangulationsrichtung (T) von dem Abstand des Objekts von dem optoelektronischen Sensor (10) abhängt,
- wobei die Sendeoptik (22) als eine astigmatische Optik ausgebildet ist, welche derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Lichtquelle (18) in einem vorgegebenen Arbeitsabstand bezogen auf die Triangulationsrichtung (T) scharf und in einer Querrichtung dazu unscharf abgebildet wird,
- wobei zumindest ein in Ausbreitungsrichtung der Sendelichtsignale betrachtet in Richtung des Überwachungsbereichs weisender Teilabschnitt des Sendelichtpfads (16) in einer Sendeebene (16) verläuft und die Empfangsoptik (32) eine Optikebene (40) aufweist und eine Lichteintrittsfläche des Lichtempfängers (34) in einer Empfangsebene (42) verläuft und sich die Sendeebene (16), die Optikebene (40) und die Empfangsebene (42) in einer gemeinsamen Schnittgeraden (50) schneiden.

Optoelectronic sensor (10) for detecting objects in a monitoring area (12) according to the triangulation principle, with a transmitting arrangement (14) for emitting transmitted light signals into the monitoring area (12) along a transmitted light path (16), the transmitting arrangement (14) being a line-shaped or flat light source (18) and a transmitting optics (22), which is set up to focus the transmitted light signals generated by the light source (18) into a transmitted light spot, and
with a receiving arrangement (30), which has a receiving optics (32) which is set up to focus received light signals, which are generated by an object present in the monitoring area (12) by remission of incident transmitted light signals, into a receiving light spot, and a spatially resolving light receiver (34) which is set up to detect the received light spot, the point of impact of the received light spot on the light receiver (34) depending on the distance of the object from the optoelectronic sensor (10) in relation to a triangulation direction (T),
- wherein the transmitting optics (22) is designed as astigmatic optics, which are designed and arranged in such a way that the light source (18) is imaged sharply at a predetermined working distance in relation to the triangulation direction (T) and blurred in a transverse direction thereto,
- wherein at least one section of the transmitted light path (16) pointing in the direction of the monitoring area, viewed in the direction of propagation of the transmitted light signals, runs in a transmission plane (16) and the receiving optics (32) has an optical plane (40) and a light entry surface of the light receiver (34) in a reception plane (42) runs and moves the transmission plane (16), the optical plane (40) and the reception plane (42) intersect in a common intersection line (50).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich nach dem Triangulationsprinzip, mit einer Sendeanordnung zum Aussenden von Sendelichtsignalen in den Überwachungsbereich entlang eines Sendelichtpfads, wobei die Sendeanordnung eine Lichtquelle und eine Sendeoptik umfasst, welche zum Fokussieren der von der Lichtquelle erzeugten Sendelichtsignale in einen Sendelichtfleck eingerichtet ist, und mit einer Empfangsanordnung, welche eine Empfangsoptik, die zum Fokussieren von Empfangssignalen, die von einem im Überwachungsbereich anwesenden Objekt durch Remission auftreffender Sendelichtsignale erzeugt werden, in einen Empfangslichtfleck eingerichtet ist, und einen ortsauflösenden Lichtempfänger umfasst, welcher zum Detektieren des Empfangslichtflecks eingerichtet ist, wobei der Auftreffort des Empfangslichtflecks auf dem Lichtempfänger bezogen auf eine Triangulationsrichtung von dem Abstand des Objekts von dem optoelektronischen Sensor abhängt.The present invention relates to an optoelectronic sensor for detecting objects in a monitoring area according to the triangulation principle, with a transmission arrangement for emitting transmission light signals into the monitoring area along a transmission light path, the transmission arrangement comprising a light source and transmission optics, which are used to focus the signals generated by the light source Transmitted light signals are set up in a transmitted light spot, and with a receiving arrangement, which has a receiving optics, which is set up for focusing received signals, which are generated by an object present in the surveillance area by remission of incident transmitted light signals, into a received light spot, and a spatially resolving light receiver, which for Detecting the received light spot is set up, wherein the point of impact of the received light spot on the light receiver depends on the distance of the object from the optoelectronic sensor based on a triangulation direction.

Bei einem derartigen optoelektronischen Sensor, der auch als Triangulationslichttaster oder allgemein als Triangulationssensor bezeichnet werden kann, sind die Lichtquelle und der Lichtempfänger einerseits und die Sendeoptik und die Empfangsoptik andererseits jeweils seitlich zueinander in der sogenannten Triangulationsrichtung versetzt, so dass die Sendeachse und die Empfangsachse nicht zusammenfallen. Eine derartige Konfiguration eines optoelektronischen Sensors wird auch als Biaxialanordnung bezeichnet.In such an optoelectronic sensor, which can also be referred to as a triangulation light scanner or generally as a triangulation sensor, the light source and the light receiver on the one hand and the transmitting optics and the receiving optics on the other hand are each laterally offset from one another in the so-called triangulation direction, so that the transmitting axis and the receiving axis do not coincide . Such a configuration of an optoelectronic sensor is also referred to as a biaxial arrangement.

Bei einem nach dem Triangulationsprinzip arbeitenden optoelektronischen Sensor besteht der Lichtempfänger aus wenigstens zwei fotosensitiven Empfangselementen oder ist als ein sogenannter Zeilensensor mit wenigstens einer Zeile von fotosensitiven Elementen ausgebildet.In an optoelectronic sensor that works according to the triangulation principle, the light receiver consists of at least two photosensitive receiving elements or is designed as a so-called line sensor with at least one line of photosensitive elements.

In Abhängigkeit von der Entfernung zwischen dem Sensor und einem remittierenden Objekt ändert sich die Position eines Empfangslichtflecks, welcher von der Empfangsoptik durch Formen des remittierten, d.h. vom Objekt diffus oder spiegelnd reflektierten, Lichts auf dem Lichtempfänger erzeugt wird, in der Triangulationsrichtung. Zwischen dem Auftreffort des Empfangslichtflecks auf dem Lichtempfänger und der Entfernung des erfassten Objekts besteht ein eindeutiger geometrischer Zusammenhang. Durch Auswertung der Lichtverteilung auf dem Lichtempfänger, die z.B. von den fotosensitiven Elementen eines Zeilensensors, die entlang der Triangulationsrichtung in einer Zeile nebeneinander aufgereiht sind, erfasst werden kann, kann der Abstand zwischen dem Sensor und dem Objekt ermittelt werden oder es kann festgestellt werden, ob sich ein erfasstes Objekt in einem vorgegebenen Abstand zum optoelektronischen Sensor befindet oder nicht.Depending on the distance between the sensor and a remitting object, the position of a receiving light spot, which is generated by the receiving optics by shaping the remitted light, i.e. light reflected diffusely or specularly from the object, on the light receiver, changes in the triangulation direction. There is a clear geometric relationship between the point of impact of the received light spot on the light receiver and the distance of the detected object. By evaluating the light distribution on the light receiver, which can be detected, for example, by the photosensitive elements of a line sensor, which are lined up next to each other in a line along the triangulation direction, the distance between the sensor and the object can be determined or it can be determined whether whether a detected object is at a predetermined distance from the optoelectronic sensor or not.

Triangulierende Sensoren werden dazu verwendet, gegebenenfalls in einem von dem Sensor erfassbaren Überwachungsbereich anwesende Objekte unter Berücksichtigung des Abstands eines Objekts von dem Sensor zu detektieren. Hierzu kann eine entsprechende Auswerteeinheit vorgesehen sein, welche zumindest mit dem Lichtempfänger verbunden ist und dazu eingerichtet ist, elektrische Empfangssignale, welche vom Lichtempfänger durch Umwandlung erfasster Empfangslichtsignale in elektrische Signale erzeugt wurden, zu verarbeiten und auf der Grundlage der elektrischen Empfangssignale ein entsprechendes Objekterfassungssignal zu erzeugen. Ein derartiges Objekterfassungssignal kann beispielsweise Informationen über den genannten Abstand des Objekts umfassen oder es kann auf der Grundlage eines Vergleichs mit einem Abstandsschwellenwert erzeugt werden. Ein solcher Vergleich kann beispielsweise eine Prüfung umfassen, ob ein ermittelter Objektabstand größer oder kleiner ist als ein vorgegebener Abstandsschwellenwert oder ob der ermittelte Objektabstand innerhalb oder außerhalb eines vorgegebenen Abstandsbereichs liegt.Triangulating sensors are used to detect objects that may be present in a monitoring area that can be detected by the sensor, taking into account the distance of an object from the sensor. For this purpose, a corresponding evaluation unit can be provided, which is at least connected to the light receiver and is set up to process electrical received signals which were generated by the light receiver by converting detected received light signals into electrical signals and to generate a corresponding object detection signal on the basis of the electrical received signals . Such an object detection signal can, for example, include information about the stated distance of the object or it can be generated based on a comparison with a distance threshold value. Such a comparison can, for example, include a check as to whether a determined object distance is larger or smaller than a predetermined distance threshold or whether the determined object distance is within or outside a predetermined distance range.

Für eine zuverlässige Erfassung von Objekten ist es wünschenswert, dass die Sendelichtsignale möglichst fokussiert auf einem zu erfassenden Objekt auftreffen, d.h. dass der durch die Sendelichtsignale auf dem Objekt erzeugte Sendelichtfleck eine möglichst geringe Ausdehnung aufweist. Nur so ist eine gute Detektivität auch bei inhomogen remittierenden oder reflektierenden Objekten gewährleistet. Ein weiterer dadurch erreichbarer positiver Effekt besteht darin, dass ein von der Empfangsoptik auf dem Lichtempfänger erzeugter Empfangslichtfleck, der sozusagen ein Abbild des auf dem Objekt erzeugten Sendelichtflecks darstellt, eine ausreichende Lichtintensität bzw. Energiedichte aufweist. Der Ort, an welchem der auf dem Objekt erzeugte Sendelichtfleck eine minimale Ausdehnung aufweist, kann als Fokuspunkt des Sendelichtpfads bezeichnet werden. Befindet sich ein zu erfassendes Objekt vor oder hinter diesem Fokuspunkt, wird ein unscharfer Sendelichtfleck erzeugt, wobei sich die Ausdehnung des Sendelichtflecks mit zunehmendem Abstand des Objekts vom Fokuspunkt erhöht. Es ist daher erwünscht, dass die Sendeoptik einen möglichst großen Schärfentiefebereich aufweist, um die unschärfebedingte Vergrößerung des Sendelichtflecks innerhalb eines möglichst großen Abstandsbereichs in akzeptablen Grenzen zu halten.For reliable detection of objects, it is desirable that the transmitted light signals hit an object to be detected as focused as possible, i.e. that the transmitted light spot generated by the transmitted light signals on the object has the smallest possible extent. This is the only way to ensure good detection, even with inhomogeneously remitting or reflecting objects. Another positive effect that can be achieved in this way is that a received light spot generated by the receiving optics on the light receiver, which so to speak represents an image of the transmitted light spot generated on the object, has sufficient light intensity or energy density. The location at which the transmitted light spot generated on the object has a minimum extent can be referred to as the focus point of the transmitted light path. If an object to be detected is in front of or behind this focus point, a blurred transmitted light spot is generated, with the extent of the transmitted light spot increasing as the object's distance from the focus point increases. It is therefore desirable for the transmission optics to have the largest possible depth of field range in order to keep the blur-related enlargement of the transmitted light spot within acceptable limits within the largest possible distance range.

Weiterhin ist es auch erwünscht, wenn der von der Empfangsoptik auf dem Lichtempfänger erzeugte Empfangslichtfleck eine möglichst geringe Ausdehnung aufweist, bevorzugt für einen möglichst großen Abstandsbereich.Furthermore, it is also desirable if the received light spot generated by the receiving optics on the light receiver is as small as possible Has expansion, preferably for the largest possible distance range.

Aus DE 10 2007 050 096 A1 ist ein Triangulationssensor bekannt, der eine Optik zur Homogenisierung des Sendelichtstrahls aufweist. Diese Optik kann insbesondere Zylinderlinsen oder Multifokuslinsen umfassen.Out of DE 10 2007 050 096 A1 A triangulation sensor is known which has optics for homogenizing the transmitted light beam. This optics can in particular include cylindrical lenses or multifocus lenses.

DE 10 2014 105 746 A1 zeigt einen Sensor zur Erfassung von glänzenden Objekten mit einer Senderzeile und einer Empfängerzeile, die um 90° gegeneinander verdreht sind. DE 10 2014 105 746 A1 shows a sensor for detecting shiny objects with a transmitter line and a receiver line that are rotated by 90° to each other.

Aus EP 2 442 141 B1 ist ein Triangulationssensor bekannt, bei dem eine Senderzeile mit mehreren auf einem Substrat angeordneten LEDs parallel zu einem Trennsteg eines positionssensitiven Detektors anordnet sind.Out of EP 2 442 141 B1 A triangulation sensor is known in which a transmitter line with several LEDs arranged on a substrate are arranged parallel to a separator of a position-sensitive detector.

In EP 2 159 599 B1 ist ein optischer Sensor in Triangulationsanordnung mit mehreren in Triangulationsrichtung nebeneinander angeordneten Lichtquellen beschrieben.In EP 2 159 599 B1 An optical sensor in a triangulation arrangement is described with several light sources arranged next to one another in the triangulation direction.

DE 197 32 376 C1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abstandsmessung nach dem Triangulationsprinzip, bei denen mehrere Laserlichtquellen als Sender vorgesehen sind, welche durch je eine eigene Linse auf unterschiedliche Messentfernungen fokussiert und die somit erzeugten mehrfachen Tastflecken auf dem positionsempfindlichen Detektor des Sensors als konzentrische Kreise unterschiedlichen Durchmessers abgebildet werden. Die Lichtquellen werden unterschiedlich moduliert, so dass sie aus der konzentrischen Überlagerung einzeln identifiziert werden können. Bei der Abstandsmessung wird jeweils der Messlichtfleck mit dem kleinsten Durchmesser ausgewertet, um Messungenauigkeiten durch die Tastfleckgröße zu minimieren. Der Detektor ist gemäß der Scheimpflug-bedingung ausgerichtet. DE 197 32 376 C1 shows a method and a device for distance measurement according to the triangulation principle, in which several laser light sources are provided as transmitters, each of which is focused on different measuring distances by its own lens and the multiple tactile spots thus generated are imaged on the position-sensitive detector of the sensor as concentric circles of different diameters . The light sources are modulated differently so that they can be individually identified from the concentric overlay. When measuring the distance, the measuring light spot with the smallest diameter is evaluated in order to minimize measurement inaccuracies caused by the size of the sensing spot. The detector is aligned according to the Scheimpflug condition.

In EP 1 947 477 B1 ist ein Triangulationssensor gezeigt, bei welchem der Empfangslichtpfad in Scheimpfluganordnung ausgeführt ist.In EP 1 947 477 B1 A triangulation sensor is shown in which the receiving light path is designed in a Scheimpflug arrangement.

DE 20 2021 101 693 U1 offenbart einen Triangulationssensor mit einem ortsauflösenden Lichtempfänger und einem dem Lichtempfänger vorgeordneten Mikrolinsenraster. Zwischen dem Lichtempfänger und dem Mikrolinsenraster ist ein eine Vielzahl von Lochblenden umfassendes Blendenraster angeordnet, wobei jeder Mikrolinse eine Lochblende mit einem Lochblendendurchmesser zugeordnet ist, der kleiner ist als ein Mikrolinsendurchmesser der der Lochblende zugeordneten Mikrolinse. Die Lochblenden weisen zu den ihnen zugeordneten Mikrolinsen einen Versatz in Triangulationsrichtung auf. Der Sendelichtpfad wird zwischen der Sendelichtquelle und dem Überwachungsbereich um 90° umgelenkt. DE 20 2021 101 693 U1 discloses a triangulation sensor with a spatially resolving light receiver and a microlens grid arranged upstream of the light receiver. An aperture grid comprising a plurality of pinholes is arranged between the light receiver and the microlens grid, with each microlens being assigned a pinhole with a pinhole diameter that is smaller than a microlens diameter of the microlens assigned to the pinhole. The pinholes have an offset in the triangulation direction compared to the microlenses assigned to them. The transmitted light path is deflected by 90° between the transmitted light source and the monitoring area.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen optoelektronischen Sensor der eingangs genannten Art anzugeben, welcher eine zuverlässige Objektdetektion mit hoher Empfindlichkeit ermöglicht.It is the object of the invention to provide an optoelectronic sensor of the type mentioned, which enables reliable object detection with high sensitivity.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch einen optoelektronischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ein erfindungsgemäßer optoelektronischer Sensor zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich nach dem Triangulationsprinzip umfasst eine Sendeanordnung zum Aussenden von Sendelichtsignalen in den Überwachungsbereich entlang eines Sendelichtpfads, wobei die Sendeanordnung eine linienförmige oder flächenförmige Lichtquelle und eine Sendeoptik umfasst, welche zum Fokussieren der von der Lichtquelle erzeugten Sendelichtsignale in einen Sendelichtfleck eingerichtet ist. Der erfindungsgemäße optoelektronische Sensor umfasst weiterhin eine Empfangsanordnung, welche eine Empfangsoptik, die zum Fokussieren von Empfangssignalen die von einem Überwachungsbereich anwesenden Objekt durch Remission auftreffender Sendelichtsignale erzeugt werden, in einen Empfangslichtfleck eingerichtet ist, und einen ortsauflösenden Lichtempfänger, welcher zum Detektieren des Empfangslichtflecks eingerichtet ist, wobei der Auftreffort des Empfangslichtflecks auf dem Lichtempfänger bezogen auf eine Triangulationsrichtung von dem Abstand des Objekts von dem optoelektronischen Sensor abhängt.The problem is solved by an optoelectronic sensor with the features of claim 1. An optoelectronic sensor according to the invention for detecting objects in a monitoring area according to the triangulation principle comprises a transmitting arrangement for emitting transmitted light signals into the monitoring area along a transmitted light path, the transmitting arrangement having a line-shaped or flat light source and a transmission optics, which is set up to focus the transmission light signals generated by the light source into a transmission light spot. The optoelectronic sensor according to the invention further comprises a receiving arrangement, which has a receiving optics, which is set up to focus received signals that are generated by objects present in a monitoring area by remission of incident transmitted light signals, into a receiving light spot, and a spatially resolving light receiver, which is set up to detect the received light spot, wherein the point of impact of the received light spot on the light receiver depends on the distance of the object from the optoelectronic sensor in relation to a triangulation direction.

Die Sendeoptik ist als eine astigmatische Optik ausgebildet, welche derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Lichtquelle in einem vorgegebenen Arbeitsabstand bezogen auf die Triangulationsrichtung scharf und in einer Querrichtung dazu unscharf abgebildet wird.The transmitting optics are designed as astigmatic optics, which are designed and arranged in such a way that the light source is imaged sharply at a predetermined working distance in relation to the triangulation direction and blurred in a transverse direction thereto.

Zumindest ein in Ausbreitungsrichtung der Sendelichtsignale betrachtet in Richtung des Überwachungsbereichs weisender Teilabschnitt des Sendelichtpfads verläuft in einer Sendeebene und die Empfangsoptik weist eine Optikebene auf und eine Lichteintrittsfläche des Lichtempfängers verläuft in einer Empfangsebene. Die so definierte Sendeebene, die so definierte Optikebene und die so definierte Empfangsebene schneiden sich in einer gemeinsamen Schnittgeraden.At least one section of the transmitted light path, viewed in the direction of propagation of the transmitted light signals and pointing in the direction of the monitoring area, runs in a transmission plane and the receiving optics have an optical plane and a light entry surface of the light receiver runs in a reception plane. The transmission plane defined in this way, the optical plane defined in this way and the reception plane defined in this way intersect in a common intersection.

Gemäß dem Triangulationsprinzip sind die Sendeoptik und die Empfangsoptik lateral entlang der Triangulationsrichtung voneinander beabstandet angeordnet. Die Lichtquelle, also eine einzige Lichtquelle oder eine jeweilige Teillichtquelle einer nachfolgend noch näher erläuterten Anordnung von mehreren Lichtquellen oder Teillichtquellen, ist bevorzugt als divergente Lichtquelle, insbesondere als eine Punktlichtquelle ausgebildet, bevorzugt als LED oder Oberflächenemitter (VCSEL, von englisch „vertical-cavity surface-emitting laser“). Die Sendeoptik kann ein oder mehrere reflektive, refraktive und/oder diffraktive strahlformende Elemente umfassen, beispielsweise Hohlspiegel, optische Linsen mit sphärischer, asphärischer, zylindrischer oder astigmatischer Form sowie Fresnellinsen oder diffraktive optische Elemente. Die Sendeoptik kann insbesondere auch eine Kombination von den hier beispielhaft aufgeführten oder auch anderen geeigneten strahlformenden Elementen umfassen.According to the triangulation principle, the transmitting optics and the receiving optics are arranged laterally spaced apart from one another along the triangulation direction. The light source, i.e. a single light source or a respective partial light source of an arrangement of several light sources or partial light sources explained in more detail below, is preferred as a divergent light source, in particular as one Point light source designed, preferably as an LED or surface emitter (VCSEL, from English “vertical-cavity surface-emitting laser”). The transmission optics can include one or more reflective, refractive and/or diffractive beam-forming elements, for example concave mirrors, optical lenses with a spherical, aspherical, cylindrical or astigmatic shape as well as Fresnel lenses or diffractive optical elements. The transmission optics can in particular also include a combination of the examples listed here or other suitable beam-shaping elements.

Die als astigmatische Optik ausgestaltete Sendeoptik weist unterschiedliche Brennweiten in der Meridional- und Sagittalebene auf und besitzt folglich die Eigenschaft, dass eine punktförmige Lichtquelle in zwei in Lichtausbreitungsrichtung hintereinanderliegende, senkrecht zueinander verlaufende Brennlinien abgebildet wird. Der genannte vorgegebene Arbeitsabstand kann durch eine Fokusweite oder Bildweite beschrieben werden, in welcher der Sendelichtfleck seine größtmögliche Schärfe in Triangulationsrichtung aufweisen soll. Ein Arbeitsabstandsbereich des Sensors erstreckt sich in der Regel vor und hinter diesem vorgegebenen Arbeitsabstand. Die genannte linienförmige oder flächenförmige Lichtquelle wird derart fokussiert, dass die eine zugeordnete vordere Brennlinie quer zur Triangulationsrichtung verläuft, wodurch der im vorgegebenen Arbeitsabstand liegende Sendelichtfleck gebildet wird. Eine hintere Brennlinie, die parallel zur Triangulationsrichtung verläuft, liegt vorteilhafterweise außerhalb des Arbeitsbereichs.The transmission optics, designed as astigmatic optics, have different focal lengths in the meridional and sagittal planes and consequently have the property that a point-shaped light source is imaged in two focal lines lying one behind the other in the direction of light propagation and running perpendicular to one another. The specified working distance can be described by a focus distance or image distance in which the transmitted light spot should have its greatest possible sharpness in the triangulation direction. A working distance range of the sensor generally extends in front of and behind this predetermined working distance. The linear or surface-shaped light source mentioned is focused in such a way that the one assigned front focal line runs transversely to the triangulation direction, whereby the transmitted light spot lying at the predetermined working distance is formed. A rear focal line, which runs parallel to the triangulation direction, is advantageously outside the working area.

Die gewünschte astigmatische Ausprägung der Sendeoptik kann in vielfältiger Weise erreicht werden. So kann beispielsweise eine entsprechende astigmatische Einzellinse oder Linsenanordnung verwendet werden, die auch als Fokal- oder Multifokallinse bezeichnet werden kann. Grundsätzlich kann auch eine Kombination aus einer rotationssymmetrischen sphärischen Linse und einer Zylinderlinse verwendet werden. Eine weitere beispielhafte Umsetzung kann dadurch erfolgen, dass ein gegebenenfalls im Sendelichtpfad vorhandenes, nachfolgend noch näher erläutertes Umlenkelement zusätzlich auch strahlformende bzw. fokussierende Eigenschaften aufweist. Beispielsweise kann das Umlenkelement als Hohlspiegel mit einer zylindrischen Form ausgestaltet sein und die Sendeoptik eine sphärische Linse umfassen. Auch der umgekehrte Fall mit einer Ausgestaltung des Umlenkelements als sphärischem Hohlspiegel und der Verwendung einer Zylinderlinse in der Sendeoptik wäre denkbar. Wie bereits vorstehend erwähnt wurde, kann die astigmatische Ausprägung der Sendeoptik alternativ oder zusätzlich auch durch die Verwendung von diffraktiven Elementen wie Fresnellinsen umgesetzt werden.The desired astigmatic characteristics of the transmission optics can be achieved in a variety of ways. For example, a corresponding astigmatic single lens or lens arrangement can be used, which can also be referred to as a focal or multifocal lens. In principle, a combination of a rotationally symmetrical spherical lens and a cylindrical lens can also be used. A further exemplary implementation can take place in that a deflection element, which may be present in the transmitted light path and will be explained in more detail below, also has beam-shaping or focusing properties. For example, the deflection element can be designed as a concave mirror with a cylindrical shape and the transmission optics can comprise a spherical lens. The reverse case with a design of the deflection element as a spherical concave mirror and the use of a cylindrical lens in the transmission optics would also be conceivable. As already mentioned above, the astigmatic nature of the transmission optics can alternatively or additionally be implemented through the use of diffractive elements such as Fresnel lenses.

Die genannte Optikebene kann auch als Haupterstreckungsebene oder Hauptebene der Empfangsoptik bezeichnet werden. Erfindungsgemäß sind der Lichtempfänger, die Empfangsoptik und der Sendelichtpfad so angeordnet, dass die Bedingungen der Scheimpflugschen Regel erfüllt sind. Bei dieser Konfiguration liegt - anders formuliert - die Sendeachse bzw. die optische Achse des in Richtung des Überwachungsbereichs weisenden Teilabschnitts des Sendelichtpfads in der Sendeebene. Somit befinden sich die in Abhängigkeit vom Objektabstand möglichen Orte, an denen ein Empfangslichtfleck auf einem Objekt erzeugt werden kann, in der Sendeebene, die somit auch als optische Objektebene des Empfangslichtpfads bezeichnet werden kann. Demgemäß wird aufgrund der Erfüllung der Scheimpflug-Regel ein jeweiliger Sendelichtfleck unabhängig von seinem Abstand zum optoelektronischen Sensor scharf in die Empfangsebene und damit auf dem Lichtempfänger abgebildet, wobei die Empfangsebene auch als optische Bildebene des Empfangslichtpfads bezeichnet werden kann. Unter dem in Ausbreitungsrichtung der Sendelichtsignale betrachtet in Richtung des Überwachungsbereichs weisenden Teilabschnitt des Sendelichtpfads wird in diesem Zusammenhang bei Vorhandensein zumindest eines Umlenkelements der in Ausbreitungsrichtung der Sendelichtsignale betrachtet hinter dem oder den Umlenkelementen verlaufende Teilabschnitt des Sendelichtpfads oder ansonsten der gesamte Sendelichtpfad verstanden, wenn keine Umlenkelemente vorhanden sind. Die Bedingung „Schneiden“ in dem Merkmal, wonach sich die Sendeebene, die Optikebene und die Empfangsebene in einer gemeinsamen Schnittgeraden schneiden, ist hier nicht in einem engen mathematischen Sinn zu verstehen, sondern als näherungsweise, also insbesondere im Rahmen von üblichen konstruktiv oder fertigungstechnisch bedingten Toleranzen, zu interpretieren. Zur besseren Veranschaulichung kann die vorstehend definierte Scheimpflug-Konfiguration in gleichbedeutender Weise auch so formuliert werden, dass sich der genannte in Ausbreitungsrichtung der Sendelichtsignale betrachtet in Richtung des Überwachungsbereichs weisende Teilabschnitt des Sendelichtpfads, die genannte Optikebene und die genannte Empfangsebene in einer gemeinsamen Schnittgeraden schneiden. In dieser Betrachtungsweise definieren die Schnittgerade und der in Ausbreitungsrichtung der Sendelichtsignale betrachtet in Richtung des Überwachungsbereichs weisende Teilabschnitt des Sendelichtpfads die Sendeebene.The optical plane mentioned can also be referred to as the main extension plane or main plane of the receiving optics. According to the invention, the light receiver, the receiving optics and the transmitting light path are arranged so that the conditions of Scheimpflug's rule are met. In this configuration - in other words - the transmission axis or the optical axis of the section of the transmission light path pointing in the direction of the monitoring area lies in the transmission plane. Thus, depending on the object distance, the possible locations at which a received light spot can be generated on an object are located in the transmission plane, which can therefore also be referred to as the optical object plane of the received light path. Accordingly, due to the fulfillment of the Scheimpflug rule, a respective transmitted light spot is sharply imaged in the reception plane and thus on the light receiver, regardless of its distance from the optoelectronic sensor, whereby the reception plane can also be referred to as the optical image plane of the reception light path. In this context, in the presence of at least one deflection element, the partial section of the transmitted light path pointing in the direction of the monitoring area, viewed in the direction of propagation of the transmitted light signals, is understood to mean the partial section of the transmitted light path that runs behind the deflection element or elements when viewed in the propagation direction of the transmitted light signals, or otherwise the entire transmitted light path if no deflection elements are present are. The condition “intersecting” in the feature, according to which the transmission plane, the optical plane and the reception plane intersect in a common cutting line, is not to be understood here in a narrow mathematical sense, but rather as an approximation, i.e. in particular within the framework of usual design or production-related factors Tolerances, to be interpreted. For better illustration, the Scheimpflug configuration defined above can also be formulated in an equivalent manner in such a way that the said section of the transmitted light path pointing in the direction of the monitoring area, viewed in the direction of propagation of the transmitted light signals, the said optical plane and the mentioned reception plane intersect in a common intersection line. In this perspective, the intersection line and the section of the transmitted light path pointing in the direction of the monitoring area, viewed in the direction of propagation of the transmitted light signals, define the transmission plane.

Mit einer derartigen Scheimpflug-Anordnung kann ein sehr großer Arbeitsabstandsbereich, also ein Bereich zwischen einem minimalen und einem maximalen Abstand eines erfassbaren Objekts von dem Sensor, abgedeckt werden, ohne dass der von der Empfangsoptik geformte Empfangslichtfleck abstandsbedingt unscharf und dementsprechend mit vergrößerter Ausdehnung auf dem Lichtempfänger abgebildet wird, was die Detektionsgenauigkeit verschlechtern würde.With such a Scheimpflug arrangement, a very large working distance range, i.e. a range between a minimum and a maximum distance of a detectable object from the sensor, can be covered without the receiving light spot formed by the receiving optics Due to the distance, it is imaged on the light receiver out of focus and therefore with an increased extent, which would worsen the detection accuracy.

Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird ein Sensor geschaffen, der sowohl sendeseitig als auch empfangsseitig einen großen Schärfentiefebereich aufweist, was zusammen mit der hohen Lichtintensität einer linienförmigen oder flächenförmigen Lichtquelle und der darauf abgestimmten optimierten Strahlformung durch die astigmatische Sendeoptik gewährleistet, dass der Sendelichtfleck innerhalb eines sehr großen Arbeitsabstandsbereichs eine optimale Schärfe und Energiedichte aufweist. Der Sensor weist somit weitgehend unabhängig vom Abstand zwischen Objekt und Sensor und insbesondere auch bei inhomogen remittierenden oder reflektierenden Objekten eine weitgehend gleichbleibende hohe Detektivität auf.With the design according to the invention, a sensor is created which has a large depth of field on both the transmitting and receiving sides, which, together with the high light intensity of a linear or surface-shaped light source and the optimized beam shaping coordinated with it by the astigmatic transmitting optics, ensures that the transmitted light spot is within a very large one Working distance range has optimal sharpness and energy density. The sensor therefore has a largely consistent high level of detectivity, largely independent of the distance between the object and the sensor and in particular even with inhomogeneously remitting or reflecting objects.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Lichtquelle mehrere Teillichtquellen, welche linienförmig entlang einer senkrecht zur Triangulationsrichtung verlaufenden Geraden (wobei dies dementsprechend hier auch als „linienförmige Lichtquelle“ verstanden werden soll) oder matrixförmig (wobei dies dementsprechend hier auch als „flächenförmige Lichtquelle“ verstanden werden soll) sowohl entlang einer parallel zur Triangulationsrichtung verlaufenden Geraden als auch entlang einer senkrecht zur Triangulationsrichtung verlaufenden Geraden angeordnet sind. Die mehreren Teillichtquellen können bevorzugt auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat oder Chip angeordnet sein, beispielsweise in Form von LED-Strukturen oder Multi-VCSEL-Strukturen. Mit dieser Ausgestaltung kann ein bevorzugt linienförmiger Sendelichtfleck erzeugt werden, wodurch die im Sendelichtfleck enthaltene Lichtintensität erhöht werden kann. Die aus mehreren Teillichtquellen zusammengesetzte linienförmige oder flächenförmige Lichtquelle wird mittels der astigmatischen Sendeoptik derart fokussiert, dass die den Teillichtquellen zugeordneten vorderen Brennlinien quer zur Triangulationsrichtung verlaufen und sich in ihrer Längsrichtung miteinander überlappen, wodurch der im vorgegebenen Arbeitsabstand liegende Sendelichtfleck gebildet wird. Somit wird der Sendelichtfleck in seiner quer zur Triangulationsrichtung verlaufenden Längsausdehnung homogenisiert. Die astigmatische Ausprägung der Sendeoptik dient nicht nur dazu, einen linienförmigen Sendelichtfleck zu erzeugen, sondern verbessert die Qualität des Sendelichtflecks bei der Verwendung von mehreren Teillichtquellen, indem das Auftreten von einzelnen Intensitätspeaks entsprechend der Anzahl der Teillichtquellen vermieden wird. Sofern eine matrixförmige Anordnung von Teillichtquellen vorgesehen wird, ist die Ausdehnung der Matrix quer zur Triangulationsrichtung bevorzugt größer als in der Triangulationsrichtung, um die Ausdehnung des Sendelichtflecks in Triangulationsrichtung zu begrenzen. Die Form und Ausrichtung der Matrix kann grundsätzlich beliebig gewählt werden, wobei eine rechteckige oder auch quadratische Matrixform sowie eine Ausrichtung parallel bzw. senkrecht zur Triangulationsrichtung bevorzugt ist. Insbesondere wird unter einer linienförmigen Anordnung von Teillichtquellen eine einzige Reihe von Teillichtquellen verstanden, während eine matrixförmige Anordnung von Teillichtquellen zwei oder mehr nebeneinander angeordnete Reihen von Teillichtquellen aufweisen kann.According to a further preferred embodiment, the light source comprises a plurality of partial light sources, which are linear in shape along a straight line running perpendicular to the triangulation direction (whereby this should also be understood here as a “line-shaped light source”) or in a matrix shape (whereby this should accordingly also be understood here as a “area-shaped light source”) should) are arranged both along a straight line running parallel to the triangulation direction and along a straight line running perpendicular to the triangulation direction. The plurality of partial light sources can preferably be arranged on a common semiconductor substrate or chip, for example in the form of LED structures or multi-VCSEL structures. With this configuration, a preferably linear transmitted light spot can be generated, whereby the light intensity contained in the transmitted light spot can be increased. The line-shaped or surface-shaped light source composed of several partial light sources is focused by means of the astigmatic transmission optics in such a way that the front focal lines assigned to the partial light sources run transversely to the triangulation direction and overlap with one another in their longitudinal direction, whereby the transmitted light spot lying at the predetermined working distance is formed. The transmitted light spot is thus homogenized in its longitudinal extent, which runs transversely to the triangulation direction. The astigmatic nature of the transmitting optics not only serves to generate a line-shaped transmitted light spot, but also improves the quality of the transmitted light spot when using several partial light sources by avoiding the occurrence of individual intensity peaks corresponding to the number of partial light sources. If a matrix-shaped arrangement of partial light sources is provided, the extent of the matrix transversely to the triangulation direction is preferably larger than in the triangulation direction in order to limit the extent of the transmitted light spot in the triangulation direction. The shape and orientation of the matrix can basically be chosen arbitrarily, with a rectangular or square matrix shape and an orientation parallel or perpendicular to the triangulation direction being preferred. In particular, a linear arrangement of partial light sources is understood to mean a single row of partial light sources, while a matrix-shaped arrangement of partial light sources can have two or more rows of partial light sources arranged next to one another.

Alternativ kann die Lichtquelle als eine einzelne längsausgedehnte Lichtquelle ausgebildet sein, deren Haupterstreckungsrichtung senkrecht zur Triangulationsrichtung verläuft. Die Ausdehnung in Triangulationsrichtung ist bevorzugt im Rahmen des technisch Möglichen minimiert, wobei jedoch auch zur Erhöhung der Energiedichte eine gewisse Ausdehnung in Triangulationsrichtung zugelassen werden kann, so dass eine solche Einzellichtquelle ebenso wie die vorstehend erläuterte matrixförmige Anordnung von Teillichtquellen als flächenförmige Lichtquelle bezeichnet werden kann.Alternatively, the light source can be designed as a single longitudinal light source, the main direction of extension of which runs perpendicular to the triangulation direction. The expansion in the triangulation direction is preferably minimized to the extent technically possible, although a certain expansion in the triangulation direction can also be permitted to increase the energy density, so that such an individual light source, like the matrix-shaped arrangement of partial light sources explained above, can be referred to as a flat light source.

Eine andere Lösung zur Erhöhung der Energiedichte würde darin bestehen, eine Lichtquelle mit größerer Lichtleistung einzusetzen. Insbesondere beim Einsatz von LEDs würde sich hierbei jedoch zugleich die Lichtaustrittsfläche vergrößern, wodurch sich bei der üblichen Abbildung der Lichtquelle in den Sendelichtfleck auch die Ausdehnung des Sendelichtflecks in Triangulationsrichtung zwangsläufig in unerwünschtem Ausmaß erhöhen würde. Bei der vorteilhaften Erzeugung eines linienförmigen Sendelichtflecks wird hingegen ausgenutzt, dass typische Lichtempfänger, beispielsweise Zeilenempfänger, auch eine gewisse Ausdehnung quer zur Triangulationsrichtung aufweisen. Bevorzugt wird die Längsausdehnung der Anordnung von mehreren Teillichtquellen bzw. der einzelnen längsausgedehnten Lichtquelle so gewählt, dass unter Berücksichtigung der Brennweiten der Optiken und sonstigen geometrischen Parameter der korrespondierende, durch Abbildung des Sendelichtflecks auf dem Lichtempfänger erzeugte Empfangslichtfleck eine Längsausdehnung entsprechend der Breite des Lichtempfängers quer zur Triangulationsrichtung aufweist.Another solution to increase energy density would be to use a light source with greater light output. However, particularly when using LEDs, the light exit surface would also increase, which would inevitably increase the expansion of the transmitted light spot in the triangulation direction to an undesirable extent when the light source is normally imaged into the transmitted light spot. However, the advantageous generation of a line-shaped transmitted light spot takes advantage of the fact that typical light receivers, for example line receivers, also have a certain extent transversely to the triangulation direction. The longitudinal extent of the arrangement of several partial light sources or the individual longitudinally extended light source is preferably selected such that, taking into account the focal lengths of the optics and other geometric parameters, the corresponding received light spot generated by imaging the transmitted light spot on the light receiver has a longitudinal extent corresponding to the width of the light receiver transversely to the light receiver Triangulation direction.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Lichtempfänger dem Überwachungsbereich zugewandt und die Lichtquelle dem Überwachungsbereich abgewandt angeordnet, wobei die Sendeanordnung zumindest ein Umlenkelement umfasst, welches dazu eingerichtet ist, die von der Lichtquelle zunächst in einer von dem Überwachungsbereich wegweisenden Richtung ausgesendeten Sendelichtsignale in Richtung des Überwachungsbereichs umzulenken. Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Lichtempfänger und die Lichtquelle in unterschiedliche Richtungen bezogen auf den Überwachungsbereich weisen. Während der dem Überwachungsbereich zugewandt angeordnete Lichtempfänger, d.h. dessen lichtempfindliche Seite, unmittelbar in den Überwachungsbereich „schaut“, strahlt die dem Überwachungsbereich abgewandt angeordnete Lichtquelle, d.h. deren lichtemittierende Seite, zunächst in die entgegengesetzte oder im Wesentlichen entgegengesetzte Richtung. Diese zunächst ungünstig erscheinende Ausgestaltung ermöglicht es in Zusammenwirken mit dem zumindest einen Umlenkelement jedoch, durch die dadurch erzielte Faltung des gesamten Sendelichtpfades den vorhandenen Bauraum, der in der Regel durch eine angestrebte möglichst kompakte Gehäuseform des optoelektronischen Sensors begrenzt ist, in optimaler Weise zu nutzen.According to a further preferred embodiment, the light receiver faces the monitoring area and the light source is arranged facing away from the monitoring area, the transmitting arrangement comprising at least one deflection element which is set up to direct the transmitted light signals emitted by the light source initially in a direction away from the monitoring area in the direction of the monitoring area to redirect the control area. A particular advantage of this embodiment is that the light receiver and the light source point in different directions relative to the monitoring area. While the light receiver arranged facing the monitoring area, ie its light-sensitive side, “looks” directly into the monitoring area, the light source arranged facing away from the monitoring area, ie its light-emitting side, initially radiates in the opposite or essentially opposite direction. This configuration, which initially appears unfavorable, makes it possible, in cooperation with the at least one deflection element, to optimally use the existing installation space, which is generally limited by the desired housing shape of the optoelectronic sensor, due to the resulting folding of the entire transmitted light path.

Die Faltung des Sendelichtpfads erfolgt hier bevorzugt mit einem Winkel von annähernd 180°. Im Vergleich zu anderen denkbaren Umlenkungen, z.B. einer Umlenkung des Sendelichtpfads um 90°, erfolgt eine bessere Raumnutzung. Insbesondere kann damit auch die laterale Ausdehnung des Sensors, d.h. eine Ausdehnung quer zum Sende- bzw. Empfangslichtpfad, minimiert werden.The transmission light path is preferably folded here at an angle of approximately 180°. Compared to other conceivable deflections, e.g. a deflection of the transmitted light path by 90°, there is better use of space. In particular, the lateral extent of the sensor, i.e. an extent transverse to the transmission or reception light path, can also be minimized.

Diese optimierte Bauraumausnutzung gestattet es insbesondere, die Brennweite der Sendeoptik gegenüber einer vergleichbaren faltungsfreien Sendeanordnung erheblich zu verlängern. Hierdurch wird der Schärfentiefebereich im Vergleich zu einer kurzbrennweitigen Sendeoptik mit vergleichbarer Apertur vergrößert. Dies wirkt sich positiv auf die Sensitivität und Genauigkeit der Objekterfassung aus.This optimized use of space allows, in particular, the focal length of the transmission optics to be significantly extended compared to a comparable fold-free transmission arrangement. This increases the depth of field compared to short focal length transmission optics with a comparable aperture. This has a positive effect on the sensitivity and accuracy of object detection.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Lichtquelle und der Lichtempfänger auf einer gemeinsamen Trägerkarte angeordnet, wobei die Trägerkarte eine dem Überwachungsbereich zugewandte erste Seite und eine dem Überwachungsbereich abgewandte zweite Seite aufweist, und wobei der Lichtempfänger auf der ersten Seite und die Lichtquelle auf der zweiten Seite angeordnet sind. Die Trägerkarte bildet ein Trägermodul sowohl für den Lichtempfänger als auch für die Lichtquelle und ist bevorzugt plan ausgestaltet. Bei der Trägerkarte kann es sich insbesondere um eine Leiterkarte, Leiterplatte oder Elektronikkarte handeln. Da derartige Trägerkarten einen nicht unerheblichen Kostenfaktor ausmachen, kann durch die kombinierte Verwendung einer gemeinsamen Trägerkarte sowohl für den Lichtempfänger als auch die Lichtquelle eine deutliche Kostenreduktion erzielt werden.According to a further preferred embodiment, the light source and the light receiver are arranged on a common carrier card, the carrier card having a first side facing the monitoring area and a second side facing away from the monitoring area, and the light receiver on the first side and the light source on the second side are arranged. The carrier card forms a carrier module for both the light receiver and the light source and is preferably designed to be flat. The carrier card can in particular be a circuit card, printed circuit board or electronic card. Since such carrier cards represent a not insignificant cost factor, a significant cost reduction can be achieved through the combined use of a common carrier card for both the light receiver and the light source.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das zumindest eine Umlenkelement im Sendelichtpfad zwischen der Lichtquelle und der Sendeoptik angeordnet. Grundsätzlich ist es nicht erforderlich, dass die Sendeoptik und das Umlenkelement als zwei vollständig getrennte Bauteile ausgeführt sind. So kann beispielsweise das Umlenkelement, oder sofern mehrere Umlenkelemente vorhanden sind, ein Teil der Umlenkelemente einen Bestandteil der Sendeoptik bilden. So kann beispielsweise das Umlenkelement zusätzlich strahlformende, insbesondere fokussierende Eigenschaften aufweisen, die mit einem weiteren Bestandteil der Sendeoptik, beispielsweise einer Linse, zusammenwirken.According to a further preferred embodiment, the at least one deflection element is arranged in the transmission light path between the light source and the transmission optics. In principle, it is not necessary for the transmission optics and the deflection element to be designed as two completely separate components. For example, the deflection element, or if several deflection elements are present, some of the deflection elements can form part of the transmission optics. For example, the deflection element can additionally have beam-shaping, in particular focusing, properties that interact with another component of the transmission optics, for example a lens.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der zwischen der Sendeebene und der Empfangsebene eingeschlossene Winkel mehr als 90° beträgt. Unter dem eingeschlossenen Winkel wird derjenige Winkel verstanden, der kleiner als 180° ist. Bevorzugt beträgt der eingeschlossene Winkel mehr als 100°, besonders bevorzugt mehr als 115° und insbesondere mehr als 120°. Eine derartige Ausgestaltung hat sich in Kombination mit der Erfüllung der erfindungsgemäßen Anordnung der Optikebene, der Sendeebene und der Empfangsebene in Scheimpflug-Anordnung bewährt. Die Neigung der Empfangsebene gegenüber der Sendeebene um mehr als 90° ermöglicht es insbesondere, die Empfangsoptik so anzuordnen, dass deren Optikebene oder Hauptebene rechtwinklig zur Sendeebene und insbesondere auch parallel zur Optikebene der Sendeoptik verläuft. Mit anderen Worten können die Optikebenen der Sendeoptik und der Empfangsoptik in einer gemeinsamen Ebene oder zumindest parallel zueinander verlaufen, bevorzugt parallel zu einer Gehäusefläche eines den optoelektronischen Sensor umgebenden Gehäuses oder einer tragenden Struktur im Inneren des Sensors. Eine derartige Konfiguration bietet konstruktive und fertigungstechnische Vorteile gegenüber einer möglichen alternativen Ausführungsform mit einer senkrecht zur Sendeebene verlaufenden Empfangsebene, bei der zur Erfüllung der Scheimpflug-Bedingung die Optikebene der Empfangsoptik geneigt verlaufen müsste. Ein weiterer Vorteil der geneigten Anordnung der Sendebene bzw. der Trägerkarte ergibt sich auch im Zusammenhang mit einer nachfolgend beschriebenen weiteren bevorzugten Ausführungsform.According to a further preferred embodiment, it is provided that the angle included between the transmission plane and the reception plane is more than 90°. The included angle is understood to mean the angle that is smaller than 180°. The included angle is preferably more than 100°, particularly preferably more than 115° and in particular more than 120°. Such a configuration has proven itself in combination with the fulfillment of the inventive arrangement of the optical plane, the transmission plane and the reception plane in a Scheimpflug arrangement. The inclination of the receiving plane relative to the transmitting plane by more than 90° makes it possible in particular to arrange the receiving optics in such a way that their optical plane or main plane runs at right angles to the transmitting plane and in particular also parallel to the optical plane of the transmitting optics. In other words, the optical planes of the transmitting optics and the receiving optics can run in a common plane or at least parallel to one another, preferably parallel to a housing surface of a housing surrounding the optoelectronic sensor or a supporting structure inside the sensor. Such a configuration offers design and manufacturing advantages over a possible alternative embodiment with a reception plane that runs perpendicular to the transmission plane, in which the optical plane of the reception optics would have to be inclined to fulfill the Scheimpflug condition. A further advantage of the inclined arrangement of the transmission plane or the carrier card also arises in connection with a further preferred embodiment described below.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform verläuft bei einer Ausgestaltung mit gemeinsamer Trägerkarte für Lichtquelle und Lichtempfänger eine Lichteintrittsfläche des Lichtempfängers parallel zu der ersten Seite der Trägerkarte. Dementsprechend kann die Trägerkarte bzw. die erste Seite der Trägerkarte parallel zu der Empfangsebene ausgerichtet sein. Es ergibt sich der Vorteil, dass der Lichtempfänger, bezogen auf die Haupterstreckungsebene der Trägerkarte, insbesondere auch dann nicht gekippt montiert werden muss, wenn gemäß der vorstehenden beschriebenen Ausführungsformen eine Scheimpflug-Anordnung einschließlich einer vertikalen Ausrichtung der Optikeben der Empfangsoptik zur Sendeebene realisiert werden soll.According to a further preferred embodiment, in an embodiment with a common carrier card for the light source and light receiver, a light entry surface of the light receiver runs parallel to the first side of the carrier card. Accordingly, the carrier card or the first side of the carrier card can be aligned parallel to the receiving plane. This results in the advantage that the light receiver, in relation to the main extension plane of the carrier card, does not have to be mounted tilted, in particular even if, according to the embodiments described above, a Scheimpflug arrangement including a vertical alignment of the optics plane of the receiving optics to the transmission plane is to be implemented.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform verläuft bei einer Ausgestaltung mit gemeinsamer Trägerkarte für Lichtquelle und Lichtempfänger eine Hauptabstrahlrichtung der Lichtquelle senkrecht zu der zweiten Seite der Trägerkarte. Unter der Hauptabstrahlrichtung der Lichtquelle wird insbesondere diejenige Abstrahlrichtung verstanden, welche die größte Energiedichte pro Winkeleinheit aufweist. In der Regel stellt diese Hauptabstrahlrichtung bei einer divergent abstrahlenden Lichtquelle die Symmetrieachse des Abstrahlbereichs dar. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Lichtquelle, bezogen auf die Haupterstreckungsebene der Trägerkarte, nicht gekippt oder geneigt montiert werden muss. Die Hauptabstrahlrichtung verläuft bevorzugt auch senkrecht zur Empfangsebene. Im Zusammenhang mit der bereits vorstehend beschriebenen Ausführungsform, wonach der zwischen der Sendeebene und der Empfangsebene eingeschlossene Winkel mehr als 90° beträgt, ergibt sich der weitere Vorteil, dass derjenige Teilabschnitt des Sendelichtpfads, der - in der Ausbreitungsrichtung des Sendelichts betrachtet - unmittelbar hinter der Lichtquelle und vor dem Umlenkelement liegt, geneigt zu der Sendeebene verläuft. Hierdurch wird es möglich, nur ein einziges Umlenkelement einzusetzen. Würde die Empfangsebene und damit die zu dieser parallel ausgerichtete Trägerkarte mit der Sendeebene einen Winkel von genau 90° einschließen und zugleich die vom Überwachungsbereich weg weisende Hauptabstrahlrichtung der Lichtquelle senkrecht zur Trägerkarte verlaufen, wären wenigstens zwei Umlenkelemente erforderlich, um den Sendelichtpfad sozusagen um die Trägerkarte herum in Richtung des Überwachungsbereichs zu lenken, was den Materialaufwand und auch den Montageaufwand erhöhen und dadurch auch eine zusätzliche Fehlerquelle bei der Justierung schaffen würde.According to a further preferred embodiment, in an embodiment with a common carrier card for the light source and light receiver, a main radiation direction of the light source runs perpendicular to the second side of the carrier card. The main radiation direction of the light source is understood to mean, in particular, that radiation direction which has the greatest energy density per angular unit. As a rule, this main radiation direction represents the axis of symmetry of the radiation area in the case of a divergently emitting light source. This has the advantage that the light source does not have to be mounted tilted or inclined in relation to the main extension plane of the carrier card. The main radiation direction preferably also runs perpendicular to the receiving plane. In connection with the embodiment already described above, according to which the angle enclosed between the transmission plane and the reception plane is more than 90 °, there is the further advantage that that section of the transmitted light path which - viewed in the direction of propagation of the transmitted light - is directly behind the light source and lies in front of the deflection element, is inclined to the transmission plane. This makes it possible to use only a single deflection element. If the reception plane and thus the carrier card aligned parallel to it would enclose an angle of exactly 90° with the transmission plane and at the same time the main emission direction of the light source pointing away from the monitoring area would run perpendicular to the carrier card, at least two deflection elements would be required to move the transmission light path around the carrier card, so to speak in the direction of the monitoring area, which would increase the material costs and also the assembly effort and thereby create an additional source of errors during the adjustment.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Apertur des Sendelichtpfads, insbesondere die Apertur der Sendeoptik, eine Asymmetrie auf, wobei die Ausdehnung der Apertur in Triangulationsrichtung von der Ausdehnung senkrecht zur Triangulationsrichtung abweicht. Bevorzugt ist die Ausdehnung in Triangulationsrichtung kleiner als die Ausdehnung senkrecht zur Triangulationsrichtung. Eine auf diese Weise erzielbare asymmetrische Vergrößerung der Apertur lediglich in der Querrichtung zur Triangulationsrichtung kann eine Reduzierung der Lichteffizienz, die durch eine Verkleinerung des Öffnungswinkels bei der Wahl einer vergleichsweise langbrennweitigen Sendeoptik bedingt ist, zumindest teilweise kompensieren, ohne dass zugleich der Schärfentiefebereich in der Triangulationsrichtung verkleinert wird. Die Apertur kann beispielsweise eine elliptische Form mit unterschiedlich langen Hauptachsen oder eine rechteckige Form mit unterschiedlichen Kantenlängen, insbesondere eine Schlitzform, aufweisen.According to a further preferred embodiment, the aperture of the transmitting light path, in particular the aperture of the transmitting optics, has an asymmetry, with the extent of the aperture in the triangulation direction deviating from the extent perpendicular to the triangulation direction. The extent in the triangulation direction is preferably smaller than the extent perpendicular to the triangulation direction. An asymmetric enlargement of the aperture that can be achieved in this way only in the transverse direction to the triangulation direction can at least partially compensate for a reduction in light efficiency, which is caused by a reduction in the opening angle when choosing a comparatively long focal length transmission optics, without simultaneously reducing the depth of field range in the triangulation direction becomes. The aperture can, for example, have an elliptical shape with main axes of different lengths or a rectangular shape with different edge lengths, in particular a slot shape.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Empfangsoptik eine asymmetrische Apertur auf, welche bezogen auf die Hauptachse der Empfangsoptik auf der dem Sendelichtpfad zugewandten Seite der Hauptachse kleiner ist als auf der dem Sendelichtpfad abgewandten Seite der Hauptachse. Unter dem Begriff „Hauptachse“ wird insbesondere die optische Achse der Empfangsoptik, d.h. einer Empfangslinse oder einer Empfangslinsenanordnung, verstanden. Es handelt sich hierbei um die durch den optischen Linsenmittelpunkt senkrecht zur Optikebene verlaufende Achse. Mit anderen Worten ist bei dieser Ausgestaltung einer die Apertur begrenzenden Randfläche zum Linsenmittelpunkt auf der dem Sendelichtpfad zugewandten Seite kleiner als auf der dem Sendelichtpfad abgewandten Seite. Somit weist die Apertur der Empfangsoptik in der Triangulationsrichtung eine Asymmetrie auf.According to a further preferred embodiment, the receiving optics have an asymmetrical aperture, which, relative to the main axis of the receiving optics, is smaller on the side of the main axis facing the transmitted light path than on the side of the main axis facing away from the transmitted light path. The term “main axis” is understood in particular to mean the optical axis of the receiving optics, i.e. a receiving lens or a receiving lens arrangement. This is the axis running through the optical lens center perpendicular to the optical plane. In other words, in this embodiment, an edge surface delimiting the aperture to the lens center is smaller on the side facing the transmitted light path than on the side facing away from the transmitted light path. The aperture of the receiving optics therefore has an asymmetry in the triangulation direction.

Insbesondere im Zusammenwirken mit einem um mehr als 90° gegenüber der Sendeebene geneigten Empfangsebene wird durch eine asymmetrische Apertur der Empfangsoptik, welche bezogen auf die Hauptachse der Empfangsoptik auf der dem Sendelichtpfad zugewandten Seite der Hauptachse kleiner ist als auf der dem Sendelichtpfad abgewandten Seite der Hauptachse, vermieden, dass bestimmte Empfangslichtstrahlen unter einem sehr flachen Winkel auf den Lichtempfänger treffen. Derartige flach auftreffende Lichtstrahlen können unerwünschte Effekte durch Übersprechen auf benachbarte lichtempfindliche Elemente des Lichtsensors verursachen, was die Signalqualität bei der elektronischen Erfassung des Empfangslichtflecks beeinträchtigen kann. Im Vergleich zu einem Lichtempfänger, dessen Empfangsebene parallel zur Optikebene der Empfangsoptik verläuft und bei denen bei einer kreisförmigen Apertur alle Randlichtstrahlen unter dem gleichen Auftreffwinkel auf den Lichtempfänger treffen, fallen nämlich bei einem gegenüber der Optikebene geneigt angeordneten Lichtempfänger diejenigen Lichtstrahlen, die bezogen auf die Hauptachse der Empfangsoptik mit einem bestimmten Abstand auf der dem Sendelichtpfad zugewandten Seite der Hauptachse gebrochen werden, unter einem flacheren Winkel auf den Lichtempfänger, als diejenigen Lichtstrahlen, die im gleichen Abstand, jedoch auf der gegenüberliegenden, dem Sendelichtpfad abgewandten Seite der Hauptachse gebrochen werden.In particular, in conjunction with a receiving plane that is inclined by more than 90° relative to the transmitting plane, an asymmetrical aperture of the receiving optics, which is smaller in relation to the main axis of the receiving optics on the side of the main axis facing the transmitting light path than on the side of the main axis facing away from the transmitting light path, This prevents certain receiving light rays from hitting the light receiver at a very flat angle. Such flatly incident light beams can cause undesirable effects through crosstalk on neighboring light-sensitive elements of the light sensor, which can impair the signal quality when the received light spot is detected electronically. In comparison to a light receiver, whose receiving plane runs parallel to the optical plane of the receiving optics and in which, with a circular aperture, all peripheral light rays hit the light receiver at the same angle of incidence, with a light receiver arranged at an angle relative to the optical plane, those light rays fall that are related to the main axis the receiving optics are refracted at a certain distance on the side of the main axis facing the transmitting light path, at a flatter angle to the light receiver than those light rays that are at the same distance, but on the opposite, be broken on the side of the main axis facing away from the transmission light path.

Durch die asymmetrische Verringerung der Apertur der Empfangsoptik auf der dem Sendelichtpfad zugewandten Seite der Hauptachse werden die in besonders flachem Winkel auftreffenden Lichtstrahlen sozusagen abgeschnitten. Die damit verbundene Reduzierung der Aperturfläche der Empfangsoptik gegenüber einer korrespondierenden unbeschnittenen kreisförmigen Aperturfläche kann dabei hingenommen werden. Das Maß der Asymmetrie der beiden Aperturhälften kann dabei an den Neigungswinkel der Empfangsebene, d.h. dem zwischen der Sendeebene und der Empfangsebene eingeschlossenen Winkel, und andere Parameter angepasst werden. In der Regel erfordert eine größere Neigung der Empfangsebene gegenüber der Hauptebene der Empfangsoptik auch eine größere Asymmetrie, wobei auch die spezifische Störempfindlichkeit des Lichtempfängers für unerwünscht flach einfallende Strahlen berücksichtigt werden sollte.Due to the asymmetrical reduction of the aperture of the receiving optics on the side of the main axis facing the transmitting light path, the light rays striking at a particularly flat angle are, so to speak, cut off. The associated reduction in the aperture area of the receiving optics compared to a corresponding untrimmed circular aperture area can be accepted. The degree of asymmetry of the two aperture halves can be adapted to the angle of inclination of the reception plane, i.e. the angle included between the transmission plane and the reception plane, and other parameters. As a rule, a greater inclination of the receiving plane relative to the main plane of the receiving optics also requires a greater asymmetry, whereby the specific interference sensitivity of the light receiver for undesirably flat incident rays should also be taken into account.

In dem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die asymmetrische Apertur der Empfangsoptik dadurch gebildet ist, dass die Ausdehnung der optisch wirksamen Fläche der Empfangsoptik bezogen auf die Hauptachse der Empfangsoptik auf der dem Sendelicht zugewandten Seite der Hauptachse kleiner ist als auf der dem Sendelichtpfad abgewandten Seite der Hauptachse. Dementsprechend wird die Asymmetrie dadurch erreicht, dass anschaulich gesagt von einer symmetrisch ausgeprägten Optik oder Linse auf der dem Sendelichtpfad zugewandten Seite ein Teil „abgeschnitten“ wird, wobei der Begriff „abgeschnitten“ nicht wörtlich zu verstehen ist, sondern auch bereits bei der Herstellung der Linse, beispielsweise im Spritzgussverfahren berücksichtigt werden kann.In this context, it has proven to be advantageous if the asymmetrical aperture of the receiving optics is formed in that the extent of the optically effective surface of the receiving optics, relative to the main axis of the receiving optics, is smaller on the side of the main axis facing the transmitted light than on the side of the transmitted light path side facing away from the main axis. Accordingly, the asymmetry is achieved by, clearly speaking, a part being “cut off” from a symmetrically pronounced optics or lens on the side facing the transmitted light path, whereby the term “cut off” is not to be understood literally, but also during the production of the lens , for example, can be taken into account in the injection molding process.

Die Reduzierung der optisch wirksamen Fläche der Empfangsoptik schließt nicht aus, dass die Optik oder Linse sich auch über den durch die Apertur begrenzten Bereich hinaus ausdehnen kann, beispielsweise um bei einer Kunststofflinse eine Art Rahmen zur Fassung der Linse oder Optik in einer entsprechenden Halterung zu schaffen. Ein solcher überstehender Bereich trägt jedoch nicht zur Erzeugung des Empfangslichtflecks bei und wird daher als optisch nicht wirksam bezeichnet.The reduction of the optically effective area of the receiving optics does not exclude the possibility that the optics or lens can also expand beyond the area limited by the aperture, for example in the case of a plastic lens to create a kind of frame for holding the lens or optics in a corresponding holder . However, such a protruding area does not contribute to the creation of the receiving light spot and is therefore referred to as not being optically effective.

Alternativ kann die asymmetrische Apertur dadurch gebildet sein, dass der bevorzugt rotationssymmetrisch ausgebildeten Empfangsoptik eine Aperturblende zugeordnet ist, deren Öffnung bezogen auf die Hauptachse der Empfangsoptik auf der dem Empfangslichtpfad zugewandten Seite der Hauptachse kleiner ist als auf der dem Sendelichtpfad abgewandten Seite der Hauptachse. Bei dieser Ausgestaltung kann die asymmetrische Begrenzung der Apertur auf kostengünstige Weise durch eine vor oder auch hinter der Empfangsoptik angeordnete asymmetrische Aperturblende erreicht werden. Hierdurch erübrigen sich kostenintensive Sonderanfertigungen der Empfangsoptik.Alternatively, the asymmetrical aperture can be formed in that the preferably rotationally symmetrical receiving optics are assigned an aperture stop, the opening of which, relative to the main axis of the receiving optics, is smaller on the side of the main axis facing the receiving light path than on the side of the main axis facing away from the transmitting light path. In this embodiment, the asymmetrical limitation of the aperture can be achieved in a cost-effective manner by means of an asymmetrical aperture diaphragm arranged in front of or behind the receiving optics. This eliminates the need for expensive custom-made receiving optics.

Zusätzlich kann auch eine Asymmetrie der Empfangsoptik senkrecht zur Triangulationsrichtung vorgesehen sein.In addition, an asymmetry of the receiving optics perpendicular to the triangulation direction can also be provided.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird diese Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen:

1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines optoelektronischen Sensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer ersten Schnittebene; und
2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Sendelichtpfads des optoelektronischen Sensors von 1 in einer zweiten Schnittebene.

Further advantages of the optoelectronic sensor according to the invention and advantageous refinements result from the following description of the drawing. Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings. The drawings, description and claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will also expediently consider these features individually and combine them into further sensible combinations. Show it:

1 a schematic cross-sectional representation of an optoelectronic sensor according to a first exemplary embodiment in a first sectional plane; and
2 a schematic cross-sectional representation of a transmitting light path of the optoelectronic sensor 1 in a second cutting plane.

1 zeigt einen optoelektronischen Sensor 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel, welcher zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich 12 nach dem Triangulationsprinzip eingerichtet ist. 1 shows an optoelectronic sensor 10 according to an exemplary embodiment, which is set up to detect objects in a monitoring area 12 according to the triangulation principle.

Der optoelektronische Sensor umfasst eine Sendeanordnung 14 zum Aussenden von Sendelichtsignalen in den Überwachungsbereich entlang eines Sendelichtpfads 16, welcher in 1 und 2 vereinfacht als eine Sendelichtachse dargestellt ist. Die Sendelichtanordnung 14 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier zum Beispiel als LED oder VCSEL ausgebildete Lichtquellen 18, welche entlang einer senkrecht zu einer Triangulationsrichtung T verlaufenden Geraden angeordnet sind. Da diese Gerade in 1 senkrecht zur Zeichenebene verläuft, erscheinen die vier Lichtquellen 18 in der schematischen Schnittdarstellung von 1 als übereinanderliegende Lichtquellen, so dass in 1 nur eine Lichtquelle 18 sichtbar ist. Die Lichtquellen 18 können als Teillichtquellen einer Lichtquelle oder einer Lichtquellenanordnung angesehen werden. Bei einer nicht dargestellten Abwandlung ist jedoch eine Verwendung von nur einer einzelnen Lichtquelle 18 ebenfalls möglich, zum Beispiel, wenn sie linienförmig ausgestaltet ist und sich senkrecht zur Zeichenebene der 1 erstreckt.The optoelectronic sensor comprises a transmitting arrangement 14 for emitting transmitted light signals into the monitoring area along a transmitted light path 16, which in 1 and 2 is shown simplified as a transmitting light axis. In the present exemplary embodiment, the transmitting light arrangement 14 comprises four light sources 18, for example designed as LEDs or VCSELs, which are arranged along a straight line running perpendicular to a triangulation direction T. Since this straight line in 1 runs perpendicular to the plane of the drawing, the four light sources 18 appear in the schematic sectional view of 1 as light sources lying one above the other, so that in 1 only one light source 18 is visible. The light sources 18 can be viewed as partial light sources of a light source or a light source arrangement. In a modification not shown, however, the use of only a single light source 18 is also possible, for example if it is linear and is perpendicular to the plane of the drawing 1 extends.

Der optoelektronische Sensor 10 umfasst weiterhin eine Empfangsanordnung 30, mit einer Empfangsoptik 32, die zum Fokussieren von Empfangslichtsignalen bzw. Empfangslichtstrahlen 38 in einen Empfangslichtfleck eingerichtet ist. Die Empfangslichtsignale bzw. Empfangslichtstrahlen 38 werden von einem im Überwachungsbereich 12 anwesenden Objekt (nicht dargestellt) durch Remission, d.h. durch spiegelnde und/oder diffuse Reflektion, auftreffender Sendelichtsignale erzeugt. Die Empfangsanordnung 30 umfasst ferner einen ortsauflösenden Lichtempfänger 34, welcher zum ortsaufgelösten Detektieren des Empfangslichtflecks eingerichtet ist. Der Lichtempfänger 34 kann beispielsweise als Zeilensensor mit mehreren benachbart zueinander angeordneten fotosensitiven Elementen ausgebildet sein, die parallel zur Zeichenebene nebeneinander angeordnet sind.The optoelectronic sensor 10 further comprises a receiving arrangement 30, with receiving optics 32, which is set up to focus received light signals or received light beams 38 into a received light spot. The received light signals or received light beams 38 are generated by an object (not shown) present in the monitoring area 12 through remission, ie through specular and/or diffuse reflection, of incident transmitted light signals. The receiving arrangement 30 further comprises a spatially resolved light receiver 34, which is set up for spatially resolved detection of the received light spot. The light receiver 34 can be designed, for example, as a line sensor with a plurality of photosensitive elements arranged adjacent to one another, which are arranged next to one another parallel to the plane of the drawing.

Die Sendeanordnung 14 und die Empfangsanordnung 30 sind in der Triangulationsrichtung T voneinander beabstandet angeordnet, so dass gemäß dem Triangulationsprinzip der Auftreffort des Empfangslichtflecks auf den Lichtempfänger 34 bezogen auf die Triangulationsrichtung von dem Abstand eines erfassten Objekts von dem optoelektronischen Sensor 10 abhängt.The transmitting arrangement 14 and the receiving arrangement 30 are arranged at a distance from one another in the triangulation direction T, so that according to the triangulation principle, the point of impact of the received light spot on the light receiver 34 depends on the distance of a detected object from the optoelectronic sensor 10 in relation to the triangulation direction.

Der optoelektronische Sensor 10 umfasst eine plane Trägerkarte 36, welche allgemein als Trägermodul, bevorzugt aber als Elektronikkarte oder Leiterkarte ausgebildet ist und sowohl die Lichtquellen 18 als auch den Lichtempfänger 34 trägt, wobei zusätzlich noch weitere, nicht dargestellte elektronische Bauelemente auf der Trägerkarte 36 angeordnet sein können. Die Trägerkarte 36 kann mit einer Anzeige- und Bedieneinheit 46 verbunden sein, welche an einem Strukturelement 44, beispielsweise einem Abschnitt eines Gehäuses des optoelektronischen Sensors 10, angeordnet ist. Die Verbindung kann beispielsweise über eine flexible Leitung 48 erfolgen.The optoelectronic sensor 10 comprises a flat carrier card 36, which is generally designed as a carrier module, but preferably as an electronic card or circuit card, and carries both the light sources 18 and the light receiver 34, with additional electronic components (not shown) being arranged on the carrier card 36 can. The carrier card 36 can be connected to a display and operating unit 46, which is arranged on a structural element 44, for example a section of a housing of the optoelectronic sensor 10. The connection can be made, for example, via a flexible line 48.

Die Trägerkarte 36 weist eine dem Überwachungsbereich 12 zugewandte erste Seite und eine dem Überwachungsbereich 12 abgewandte zweite Seite auf, wobei der Lichtempfänger 34 auf der ersten Seite und die Lichtquellen 18 auf der zweiten Seite angeordnet sind. Somit wird das von den Lichtquellen 18 emittierte Sendelicht zunächst in eine von dem Überwachungsbereich 12 wegführende Richtung emittiert. Um das Sendelicht in Richtung des Überwachungsbereichs 12 umzulenken, weist die Sendeanordnung 14 ein Umlenkelement 26 auf, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Spiegel ausgestaltet ist. Das Sendelicht wird also nach dem Austreten aus den Lichtquellen 18 zunächst umgelenkt und nachfolgend mittels einer Sendeoptik 22 in einen Sendelichtfleck fokussiert.The carrier card 36 has a first side facing the monitoring area 12 and a second side facing away from the monitoring area 12, with the light receiver 34 being arranged on the first side and the light sources 18 being arranged on the second side. Thus, the transmitted light emitted by the light sources 18 is first emitted in a direction away from the monitoring area 12. In order to redirect the transmitted light in the direction of the monitoring area 12, the transmitting arrangement 14 has a deflection element 26, which in the present exemplary embodiment is designed as a mirror. After emerging from the light sources 18, the transmitted light is first deflected and then focused into a transmitted light spot by means of a transmitting optics 22.

Durch diese Faltung des Sendelichtpfads 16 wird bei einem vorgegebenen Bauraum (z.B. bei einer vorgegebenen Gehäusetiefe eines Gehäuses des optoelektronischen Sensors 10) die maximal mögliche Objektweite, d.h. der maximal mögliche Abstand zwischen den Lichtquellen 18 und der Sendeoptik 22 im Vergleich zu einem ungefalteten Strahlengang, vergrößert. Um dies zu veranschaulichen, sind in 1 und 2 zusätzlich zu den Lichtquellen 18 entsprechende virtuelle Lichtquellen 20 eingezeichnet, deren Position sich für einen ungefalteten Sendelichtstrahlengang mit gleicher Objektweite ergeben würde. Wie in 1 gut zu erkennen ist, liegt diese Position auf einer dem Überwachungsbereich 12 abgewandten Seite des Strukturelements 44 und damit bereits außerhalb eines Gehäuses des optoelektronischen Sensors 10. Um unter Verzicht auf Umlenkelemente eine oder mehrere Lichtquellen an einer Position entsprechend der Position der virtuellen Lichtquellen 20 anordnen zu können, müsste die Bautiefe des Gehäuses somit deutlich vergrößert werden.This folding of the transmitting light path 16 increases the maximum possible object width, ie the maximum possible distance between the light sources 18 and the transmitting optics 22 in comparison to an unfolded beam path, in a given installation space (for example with a given housing depth of a housing of the optoelectronic sensor 10). . To illustrate this, are in 1 and 2 In addition to the light sources 18, corresponding virtual light sources 20 are shown, the position of which would result for an unfolded transmitting light beam path with the same object width. As in 1 can be clearly seen, this position is on a side of the structural element 44 facing away from the monitoring area 12 and thus already outside a housing of the optoelectronic sensor 10. In order to arrange one or more light sources at a position corresponding to the position of the virtual light sources 20 without deflection elements the overall depth of the housing would have to be significantly increased.

Gemäß einer nicht dargestellten Abwandlung können das Umlenkelement und damit auch die Faltung des Sendelichtpfads entfallen. Hierbei können beispielsweise reelle Lichtquellen an den Positionen der virtuellen Lichtquellen 20 werden.According to a modification (not shown), the deflection element and thus also the folding of the transmitted light path can be omitted. Here, for example, real light sources can be at the positions of the virtual light sources 20.

Während in 1 der optoelektronische Sensor 10 in einer X-Z-Ebene dargestellt ist, zeigt 2 die Sendeanordnung 14 mit dem zugehörigen Sendelichtpfad 16 in einer hierzu senkrechten Y-Z-Ebene. Dementsprechend sind die virtuellen Lichtquellen 20 nicht mehr übereinanderliegend, sondern nebeneinanderliegend dargestellt. Wegen der besseren Übersichtlichkeit sind die zugehörigen reellen Lichtquellen 18 sowie das Umlenkelement 26 nicht gezeigt. Ebenso sind aus diesem Grund die Strahlen auch lediglich für die beiden äußeren virtuellen Lichtquellen 20 dargestellt und für die beiden inneren virtuellen Lichtquellen 20 nur durch kurze gestrichelte Linien angedeutet. Beide Darstellungen der 1 und 2 sind grundsätzlich nicht maßstäblich und dienen lediglich der Veranschaulichung der beschriebenen Effekte.While in 1 the optoelectronic sensor 10 is shown in an XZ plane 2 the transmission arrangement 14 with the associated transmission light path 16 in a YZ plane perpendicular thereto. Accordingly, the virtual light sources 20 are no longer shown lying one above the other, but rather lying next to one another. For better clarity, the associated real light sources 18 and the deflection element 26 are not shown. Likewise, for this reason, the rays are only shown for the two outer virtual light sources 20 and are only indicated by short dashed lines for the two inner virtual light sources 20. Both representations of the 1 and 2 are generally not to scale and only serve to illustrate the effects described.

Wie aus einem Vergleich von 1 und 2 ersichtlich wird, ist die Sendeoptik 22 als eine astigmatische Optik ausgebildet, welche derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die mehreren Lichtquellen 18 scharf in einem vorgegebenen Arbeitsabstand bezogen auf die Triangulationsrichtung Z und unscharf in einer Querrichtung dazu abgebildet werden. Im Unterschied zu 1 ist in 2 die Sendeoptik 22 leicht vergrößert dargestellt, um den Effekt durch die astigmatische Ausgestaltung der Empfangsoptik 22 zeichnerisch besser veranschaulichen zu können. Die punktförmigen Lichtquellen 18 bzw. die zugeordneten virtuellen Lichtquellen 20 werden in zwei jeweilige hintereinanderliegende, senkrecht zueinander verlaufende Brennlinien 24, 25 abgebildet.As from a comparison of 1 and 2 As can be seen, the transmission optics 22 are designed as astigmatic optics, which are designed and arranged in such a way that the plurality of light sources 18 are imaged sharply at a predetermined working distance based on the triangulation direction Z and blurred in a transverse direction thereto. In contrast to 1 is in 2 The transmitting optics 22 are shown slightly enlarged in order to be able to better illustrate the effect due to the astigmatic design of the receiving optics 22. The point-shaped light sources 18 or the associated virtual light sources 20 are imaged in two respective focal lines 24, 25 lying one behind the other and running perpendicular to one another.

Die vorderen, sich in Längsrichtung teilweise überlappenden Brennlinien 24 erzeugen auf einem dort anwesenden Objekt einen linienförmigen Sendelichtfleck, dessen Querschnitt in Triangulationsrichtung T bezogen auf den Objektabstand ein Minimum aufweist (1). Die vorderen Brennlinien 24 definieren einen Sollabstand oder vorgegebenen Arbeitsabstand, der auch als Arbeitspunkt bezeichnet wird. Ein Arbeitsabstandsbereich des Sensors 10 erstreckt sich vor und hinter diesem Arbeitspunkt, wobei sich die Größe eines sinnvollen Arbeitsabstandsbereichs aus einer gerade noch tolerierbaren Unschärfe des Sendelichtflecks festlegen lässt. Die vorderen Brennlinien 24 weisen aufgrund der astigmatischen Ausgestaltung der Empfangsoptik 22 in einer senkrecht zur Triangulationsrichtung T verlaufenden Richtung eine unschärfebedingte Ausdehnung auf (2). Diese Unschärfe bewirkt im Vergleich zu einer nicht astigmatischen Abbildung eine Homogenisierung des linienförmigen Empfangslichtflecks.The front focal lines 24, which partially overlap in the longitudinal direction, produce a linear transmitted light spot on an object present there, the cross section of which in the triangulation direction T has a minimum in relation to the object distance ( 1 ). The front focal lines 24 define a target distance or predetermined working distance, which is also referred to as the working point. A working distance range of the sensor 10 extends in front of and behind this working point, whereby the size of a sensible working distance range can be determined from a just tolerable blurring of the transmitted light spot. Due to the astigmatic design of the receiving optics 22, the front focal lines 24 have a blur-related extent in a direction perpendicular to the triangulation direction T ( 2 ). In comparison to a non-astigmatic image, this blurring causes a homogenization of the linear receiving light spot.

Die jeweiligen hinteren Brennlinien 25, die in 1 übereinanderliegen und daher nur als eine Linie dargestellt und in 2 als jeweilige Schnittpunkte mit der Zeichenebene dargestellt sind, liegen sinnvollerweise außerhalb des Arbeitsabstandsbereichs des Sensors 10.The respective rear focal lines 25, which are in 1 lie on top of each other and are therefore only shown as one line and in 2 are shown as respective intersection points with the drawing plane, are usefully outside the working distance range of the sensor 10.

Der Abstand des durch die Brennlinien 24 definierten Arbeitspunkts von der Sendeoptik 22, welcher der vorderen Bildweite der Sendeoptik 22 entspricht, hängt von der optischen Weglänge zwischen den Lichtquellen 18 und der Sendeoptik 22, d.h. der Objektweite, und der Brennweite der Sendeoptik 22 ab.The distance of the working point defined by the focal lines 24 from the transmitting optics 22, which corresponds to the front image distance of the transmitting optics 22, depends on the optical path length between the light sources 18 and the transmitting optics 22, i.e. the object distance, and the focal length of the transmitting optics 22.

Da die Faltung des Sendelichtpfads 16 die Verwendung einer langbrennweitigen Sendeoptik 22 ermöglicht, ist der nutzbare Arbeitsabstandsbereich jedoch größer als bei einer kurzbrennweitigen Sendeoptik mit vergleichbarer Apertur. Die durch die Vergrößerung der Brennweite bedingte Reduzierung der Lichtstärke der Sendeoptik 22 wird durch die Verwendung der längsausgedehnten Anordnung von mehreren Lichtquellen 18 kompensiert.However, since the folding of the transmission light path 16 enables the use of long-focal length transmission optics 22, the usable working distance range is larger than with short-focal length transmission optics with a comparable aperture. The reduction in the light intensity of the transmitting optics 22 caused by the increase in the focal length is compensated for by using the longitudinally extended arrangement of several light sources 18.

In der schematischen Darstellung von 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit die Bildweite des Sendelichtflecks 24 stark verkürzt wiedergegeben und korrespondiert nicht mit dem Verlauf der Empfangslichtstrahlen 38, welche in 1 für ein sich annähernd in unendlicher Entfernung vom optoelektronischen Sensor 10 befindenden Objekt wiedergegeben sind.In the schematic representation of 1 For reasons of clarity, the image width of the transmitted light spot 24 is shown in a very shortened manner and does not correspond to the course of the received light beams 38, which are shown in 1 are shown for an object located approximately at an infinite distance from the optoelectronic sensor 10.

Gemäß 1 definiert der in Ausbreitungsrichtung des Sendelichtes hinter dem Umlenkelement liegende Teilabschnitt des Sendelichtpfads 16 zugleich eine Sendeebene 16, welche einer senkrecht zur Zeichenebene verlaufenden Ebene entspricht. Die Empfangsoptik 32 weist eine Optikebene 40 auf, welche einer Haupterstreckungsebene oder Hauptebene der Empfangsoptik 32 entspricht. Der Lichtempfänger 34 weist eine Lichteintrittsfläche auf, welche in einer Empfangsebene 42 verläuft. Die Optikebene 40 und die Empfangsebene 40 verlaufen ebenfalls senkrecht zur Zeichenebene und schneiden die Sendeebene 16 in einer gemeinsamen Schnittachse 50, die ebenfalls senkrecht zur Zeichenebene verläuft und daher als Punkt dargestellt ist. Die Empfangsebene 16, die Optikebene 40 und die Empfangsebene 42 erfüllen somit die Scheimpflugsche Bedingung. Daher wird ein Sendelichtfleck, welcher durch die Sendelichtstrahlen beim Auftreffen auf ein Objekt erzeugt werden, unabhängig vom Abstand des Objekts vom optoelektronischen Sensor 10 oder der Bildweite stets scharf auf den Lichtempfänger 34 abgebildet.According to 1 The section of the transmitted light path 16 lying behind the deflection element in the direction of propagation of the transmitted light also defines a transmission plane 16, which corresponds to a plane running perpendicular to the plane of the drawing. The receiving optics 32 has an optical plane 40, which corresponds to a main extension plane or main plane of the receiving optics 32. The light receiver 34 has a light entry surface which runs in a reception plane 42. The optical plane 40 and the receiving plane 40 also run perpendicular to the drawing plane and intersect the transmitting plane 16 in a common cutting axis 50, which also runs perpendicular to the drawing plane and is therefore shown as a point. The reception level 16, the optical level 40 and the reception level 42 thus fulfill Scheimpflug's condition. Therefore, a transmitted light spot, which is generated by the transmitted light rays when striking an object, is always sharply imaged on the light receiver 34, regardless of the distance of the object from the optoelectronic sensor 10 or the image distance.

Um diese Scheimpfluganordnung zu realisieren, verläuft im Ausführungsbeispiel die Optikebene 40 senkrecht zur Sendeebene 16, während die Empfangsebene 42 gegenüber der Optikebene 40 um einen Winkel von ca. 25° geneigt ist. Folglich beträgt der zwischen der Sendeebene 16 und der Empfangsebene 42 eingeschlossene Winkel im Ausführungsbeispiel ungefähr 115°. Die genannten Winkelangaben sind hier rein beispielhaft. Der Neigungswinkel bzw. der eingeschlossene Winkel können auch größer oder kleiner gewählt werden. Beispielsweise kann der Neigungswinkel auch nur 15 bis 20° betragen, was einem zwischen der Sendeebene 16 und der Empfangsebene 42 eingeschlossenen Winkel von 105 bis 110° entsprechen würde.In order to implement this Scheimpflug arrangement, in the exemplary embodiment the optical plane 40 runs perpendicular to the transmitting plane 16, while the receiving plane 42 is inclined relative to the optical plane 40 at an angle of approximately 25°. Consequently, the angle included between the transmission plane 16 and the reception plane 42 is approximately 115° in the exemplary embodiment. The angle information mentioned here is purely an example. The angle of inclination or the included angle can also be chosen larger or smaller. For example, the angle of inclination can only be 15 to 20°, which would correspond to an angle of 105 to 110° included between the transmission plane 16 and the reception plane 42.

Da die Lichtquellen 18 das Sendelicht senkrecht zur rückseitigen Oberfläche der Trägerkarte 36 abstrahlen, ermöglicht die geneigte Anordnung der Trägerkarte 36, dass das in Bezug auf den hinter dem Umlenkelement liegenden Teilabschnitt des Sendelichtpfads 16 geneigt abgestrahlte Sendelicht in einfacher Weise mittels des einen Umlenkelements 26 um die Trägerkarte herum in Richtung der Sendeoptik 22 gelenkt werden kann. Somit ist es nicht erforderlich, mehrere Umlenkelemente 26 vorzusehen, was jedoch bei anderer geometrischer Anordnung der Komponenten des optoelektronische Sensors 10 grundsätzlich auch möglich wäre.Since the light sources 18 emit the transmitted light perpendicular to the rear surface of the carrier card 36, the inclined arrangement of the carrier card 36 enables the transmitted light to be emitted at an angle with respect to the section of the transmitted light path 16 located behind the deflection element in a simple manner by means of the one deflection element 26 Carrier card can be directed around in the direction of the transmission optics 22. It is therefore not necessary to provide several deflection elements 26, although this would in principle also be possible with a different geometric arrangement of the components of the optoelectronic sensor 10.

Die Empfangsoptik 32 weist eine asymmetrische Apertur auf, die dadurch gebildet ist, dass die Ausdehnung der optisch wirksamen Fläche der Empfangsoptik 32 bezogen auf eine Hauptachse 52 der Empfangsoptik 32 auf der dem Sendelichtpfad 16 zugewandten Seite der Hauptachse 52 kleiner ist, als auf der dem Sendelichtpfad 16 abgewandten Seite der Hauptachse 52. Durch diese Asymmetrie der Empfangsapertur werden diejenigen Empfangslichtstrahlen ausgeblendet, die unter einem vergleichsweise flachen Winkel auf den Lichtempfänger 34, d.h. einem kleinen Winkel zwischen dem Strahl und der Empfängeroberfläche, treffen würden und durch Übersprechen auf benachbarte Empfangselemente eine Verschlechterung der Signalqualität verursachen könnten. Durch die asymmetrische Apertur der Empfangsoptik werden somit nur diejenigen Empfangslichtstrahlen 38 durchgelassen, die in 1 als durchgezogene Linien dargestellt sind. Diejenigen Empfangslichtstrahlen 38', die unter einem besonders flachen Winkel auf den Lichtempfänger 34 treffen würden und durch eine gestrichelte Linie repräsentiert sind, werden ausgeblendet.The receiving optics 32 has an asymmetrical aperture, which is formed in that the extent of the optically effective surface of the receiving optics 32 is smaller in relation to a main axis 52 of the receiving optics 32 on the side of the main axis 52 facing the transmitting light path 16, than on the side of the main axis 52 facing away from the transmitting light path 16. This asymmetry of the receiving aperture blocks out those receiving light beams that would hit the light receiver 34 at a comparatively flat angle, ie a small angle between the beam and the receiver surface, and occur due to crosstalk neighboring receiving elements could cause a deterioration in signal quality. Due to the asymmetrical aperture of the receiving optics, only those receiving light beams 38 which are in 1 are shown as solid lines. Those received light beams 38' that would hit the light receiver 34 at a particularly flat angle and are represented by a dashed line are hidden.

Gemäß einer Abwandlung kann anstelle der asymmetrisch ausgestalteten Empfangsoptik 22 gemäß 1 auch eine symmetrische Empfangsoptik eingesetzt werden, welcher eine Blende zugeordnet ist, deren Apertur eine entsprechende Asymmetrie aufweist.According to a modification, instead of the asymmetrically designed receiving optics 22 according to 1 A symmetrical receiving optics can also be used, which is assigned an aperture whose aperture has a corresponding asymmetry.

Insgesamt werden durch die verschiedenen Maßnahmen sowohl eine unschärfebedingte Ausdehnung des Sendelichtflecks als auch eine unschärfebedingte Ausdehnung des Empfangslichtflecks, jeweils bezogen auf die Triangulationsrichtung T, im Vergleich zu herkömmlichen vergleichbaren Sensoren über einen größeren Arbeitsabstandsbereich hinweg reduziert. Dadurch erhöht sich die Entfernungssensitivität des Sensors.Overall, the various measures reduce both a blur-related expansion of the transmitted light spot and a blur-related expansion of the received light spot, each based on the triangulation direction T, compared to conventional comparable sensors over a larger working distance range. This increases the distance sensitivity of the sensor.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1010: optoelektronischer Sensoroptoelectronic sensor
1212: ÜberwachungsbereichMonitoring area
1414: SendeanordnungTransmission arrangement
1616: Sendelichtpfad, SendeebeneTransmission light path, transmission level
1818: Lichtquellelight source
2020: virtuelle Lichtquellevirtual light source
2222: SendeoptikTransmission optics
2424: vordere Brennliniefront focal line
2525: hintere Brennlinierear focal line
2626: UmlenkelementDeflection element
3030: EmpfangsanordnungReception arrangement
3232: Empfangsoptikreceiving optics
3434: LichtempfängerLight receiver
3636: TrägerkarteCarrier card
38, 38'38, 38': EmpfangslichtstrahlReceiving light beam
4040: Optikebeneoptical level
4242: EmpfangsebeneReception level
4444: StrukturelementStructural element
4646: Anzeige- und BedieneinheitDisplay and operating unit
4848: LeitungLine
5050: SchnittachseCutting axis
5252: Hauptachse main axis
TT: TriangulationsrichtungTriangulation direction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007050096 A1 [0008]
DE 102014105746 A1 [0009]
EP 2442141 B1 [0010]
EP 2159599 B1 [0011]
DE 19732376 C1 [0012]
EP 1947477 B1 [0013]
DE 202021101693 U1 [0014]

Claims

Optoelectronic sensor (10) for detecting objects in a monitoring area (12) according to the triangulation principle, with a transmitting arrangement (14) for emitting transmitted light signals into the monitoring area (12) along a transmitted light path (16), the transmitting arrangement (14) being a line-shaped or flat light source (18) and a transmitting optics (22), which is set up to focus the transmitted light signals generated by the light source (18) into a transmitted light spot, and with a receiving arrangement (30), which has a receiving optics (32) which is set up to focus received light signals, which are generated by an object present in the monitoring area (12) by remission of incident transmitted light signals, into a receiving light spot, and a spatially resolving light receiver (34) which is set up to detect the received light spot, the point of impact of the received light spot on the light receiver (34) depending on the distance of the object from the optoelectronic sensor (10) in relation to a triangulation direction (T), - wherein the transmission optics (22) is designed as astigmatic optics, which are designed and arranged in such a way that the light source (18) is imaged sharply at a predetermined working distance in relation to the triangulation direction (T) and blurred in a transverse direction thereto, - wherein at least one section of the transmitted light path (16) pointing in the direction of the monitoring area, viewed in the direction of propagation of the transmitted light signals, runs in a transmission plane (16) and the receiving optics (32) has an optical plane (40) and a light entry surface of the light receiver (34) in a reception plane (42) runs and the transmission plane (16), the optical plane (40) and the reception plane (42) intersect in a common intersection line (50).

Photoelectric sensor (10) according to Claim 1 , characterized in that the light source (18) comprises a plurality of partial light sources (18), which are linear along a straight line running perpendicular to the triangulation direction (T) or in a matrix shape both along a straight line running parallel to the triangulation direction (T) and along a straight line perpendicular to the triangulation direction (T). T) are arranged in straight lines, or that the light source (18) is designed as a single, longitudinally extended light source (18), the main direction of extension of which runs perpendicular to the triangulation direction (T).

Photoelectric sensor (10) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the light receiver (34) faces the monitoring area (12) and the light source (18) is arranged facing away from the monitoring area (12), and wherein the transmitting arrangement (14) comprises at least one deflection element (26) which is set up for this purpose to redirect the transmitted light signals emitted by the light source (18) in the direction of the monitoring area (12) in a direction pointing away from the monitoring area (12).

Photoelectric sensor (10) according to Claim 3 , characterized in that the light source (18) and the light receiver (34) are arranged on a common carrier card (36), the carrier card (36) having a first side facing the monitoring area (12) and a second side facing away from the monitoring area (12). Side, and wherein the light receiver (34) is arranged on the first side and the light source (18) on the second side.

Photoelectric sensor (10) according to Claim 4 , characterized in that a light entry surface of the light receiver (34) runs parallel to the first side of the carrier card (36).

Photoelectronic sensor (10) according to one of the Claims 4 or 5 , characterized in that a main radiation direction of the light source (18) runs perpendicular to the second side of the carrier card (36).

Photoelectronic sensor (10) according to one of the Claims 3 until 6 , characterized in that the at least one deflection element (26) is arranged in the transmission light path (16) between the light source (18) and the transmission optics (22).

Optoelectronic sensor (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the angle included between the transmission plane (16) and the reception plane (42) is more than 90°.

Optoelectronic sensor (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the receiving optics (32) has an asymmetrical aperture which, relative to the main axis (52) of the receiving optics (32), is on the side of the main axis facing the transmitted light path (16) ( 52) is smaller than on the side of the main axis (52) facing away from the transmitted light path (16).

Photoelectric sensor (10) according to Claim 9 , characterized in that the asymmetrical aperture is formed in that the extent of the optically effective surface of the receiving optics (32) relative to the main axis (52) of the receiving optics (32) on the transmitting The side of the main axis (52) facing the light path (16) is smaller than the side of the main axis (52) facing away from the transmitted light path (16).

Photoelectric sensor (10) according to Claim 9 , characterized in that the asymmetrical aperture is formed in that the preferably rotationally symmetrical receiving optics (32) is assigned an aperture diaphragm, the opening of which, relative to the main axis (52) of the receiving optics (32), is on the side facing the transmitting light path (16). The main axis (52) is smaller than on the side of the main axis (52) facing away from the transmitted light path (16).