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Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor und ein Verfahren zur Durchführung von Distanzmessungen mittels eines optischen Sensors.
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Derartige optische Sensoren weisen eine Sendelichtstrahlen emittierende Lichtsendeeinheit und einen in Abstand zu dieser angeordneten ortsauflösenden Empfänger auf. Die Distanzbestimmung erfolgt bei diesen optischen Sensoren in bekannter Weise nach dem Triangulationsprinzip. Die von der Lichtsendeeinheit emittierten Sendelichtstrahlen werden von einem zu detektierenden Objekt als Empfangslichtstrahlen in Richtung des ortsauflösenden Empfängers zurückreflektiert und generieren auf diesem einen Lichtfleck. In der Auswerteeinheit des optischen Sensors wird der Auftreffpunkt des Lichtflecks, vorzugsweise dessen Schwerpunkt, auf dem ortauslösenden Empfänger als Maß für die Distanz des Objekts zum optischen Sensor ausgewertet.
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Die so emittierten Distanzwerte sind jedoch oft fehlerbehaftet. Eine Fehlerursache ist die Abhängigkeit der Distanzmessungen von der Reflektivität der Oberfläche der zu detektierenden Objekte. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Objektoberflächen räumlich variierende Reflektivitäten aufweisen, beispielsweise Hell-Dunkelübergänge, Textstrukturen oder dergleichen. Auch ist die Distanzmessung von externen Störeinflüssen wie Fremdlichteinstrahlungen abhängig.
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Aus der
EP 1 947 477 B1 ist ein nach dem Triangulationsprinzip arbeitender optischer Sensor bekannt, bei welchem nicht nur die Position des Lichtflecks der Empfangslichtstrahlen auf dem ortsauflösenden Empfänger ausgewertet wird, sondern auch die Form, insbesondere der Durchmesser des Lichtflecks als Maß für die Objektdistanz ausgewertet wird. Die durch die Lichtfleckposition und Lichtfleckform erhaltenen Distanzmessungen werden entweder zur Überprüfung der Plausibilität miteinander verglichen oder miteinander verrechnet, insbesondere in Form einer Durchschnittsbildung.
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Damit wird eine redundante Distanzinformation bei jeder Distanzmessung erhalten, wodurch deren Genauigkeit gegenüber einer herkömmlichen Triangulationsmessung, bei der nur die Lichtfleckposition auf dem Empfänger ausgewertet wird, erhöht wird.
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Die
DE 100 59 156 A1 betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Objektstandes zwischen einem nach dem Triangulationsprinzip arbeitenden optoelektronischen Sensor und einem Tastobjekt. Der Sensor weist wenigstens einen Messkanal zwischen einer Sendeeinheit zum Aussenden elektromagnetischer Abtaststrahlen in den Messbereich und einer Empfangseinheit zum Nachweisen von aus dem Messbereich reflektierten Abtaststrahlen. Weiterhin weist der Sensor zumindest einen Zusatzkanal auf, der eine weitere Sendeeinheit aufweist. Zur Bestimmung des Objektabstands werden die Empfangssignale des Messkanals und des Zusatzkanals gemeinsam ausgewertet.
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Die
DE 10 2005 062 258 A1 betrifft eine optoelektronische Vorrichtung mit mindestens einem Sender und mindestens einem Empfänger, welcher als Mehrfachempfangselement mit einer Mehrfachanordnung von Empfangselementen ausgebildet ist. Die Sendelichtstrahlen werden in einen Raumwinkelbereich abgestrahlt und die Winkellage von mindestens zwei Direktreflexen wird durch das Mehrfachempfangselement ausgewertet, indem aus dem Abstand der beiden Empfangslichtflecke die Objektdistanz berechnet wird.
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Die
DE 10 2004 003 386 A1 betrifft einen optischen Sensor mit einer Sendelichtstrahlen emittierenden Sendereinheit, mit einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und mit einer Auswerteeinheit zur Generierung eines Objektfeststellungssignals in Abhängigkeit von am Ausgang des Empfängers anstehenden Empfangssignalen. Der Empfänger weist eine zeilenförmige Anordnung von Empfangselementen auf. Die Sendereinheit weist wenigstens ein Paar von Sendelichtstrahlen emittierenden Sendern auf, wobei die Sender beidseits des Empfängers angeordnet sind, und wobei sich die optischen Achsen der Sender in einer vorgegebenen Soll-Distanz schneiden.
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Die
DE 102 38 075 A1 betrifft einen optischen Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich mit zwei in Abstand angeordneten, Sendelichtstrahlen emittierenden Sendern und zwei Empfängerzeilen. Jeweils eine Empfängerzeile ist einem der Sender zur Durchführung einer Distanzmessung zugeordnet. In einer Auswerteeinheit wird aus den Ausgangssignalen der Empfängerzeilen ein Objektfeststellungssignal generiert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass Distanzmessungen mit weiter erhöhter Genauigkeit durchgeführt werden können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale der unabhängigen Ansprüche vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Der erfindungsgemäße optische Sensor umfasst eine Sendelichtstrahlen emittierende Lichtsendeeinheit, einen in Abstand zur Lichtsendeeinheit angeordneten, Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und eine Auswerteeinheit. Aus Empfangssignalen wird an Ausgängen des Empfängers die Distanz eines Objekts bestimmt. Mit der Lichtsendeeinheit werden Sendelichtstrahlen in Form mehrerer voneinander getrennter Strahlbündel emittiert, so dass mit diesen auf einem zu detektierenden Objekt mehrere durch Lücken getrennte Lichtflecke entstehen, welche auf dem Empfänger abgebildet werden. In der Auswerteeinheit werden die Lage und/oder Form wenigstens zweier Elemente, gebildet von einem Lichtfleck und einer Lücke als Maß für die Objektdistanz ausgewertet.
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Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung von Distanzmessungen mit diesem optischen Sensor.
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Da mit dem erfindungsgemäßen optischen Sensor mehrere Lichtflecke, getrennt durch Lücken, zur Objektdetektion generiert werden, steht eine gegenüber herkömmlichen, mit einem Lichtfleck arbeitenden optischen Sensoren eine erheblich vergrößerte Anzahl von Distanzinformationen für die Distanzbestimmung zur Verfügung. Aufgrund der mehreren, redundanten Distanzinformationen kann somit die Genauigkeit der Distanzmessung erheblich gesteigert werden.
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Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass mit der von der Lichtsendeeinheit generierten strukturierten Beleuchtung, bestehend aus mehreren Lichtflecken und Lücken, die Oberfläche des zu detektierenden Objekts an mehreren Stellen vermessen wird. Durch die Auswertung dieses Lichtfleckabbilds auf dem Empfänger wird insbesondere auch dann eine genaue Distanzmessung ermöglicht, wenn die Objektoberfläche räumlich variierende Reflektivitäten, beispielsweise in Form von Texturen, Schriftzeichen oder sonstigen Muster, aufweist. Die einzelnen Lichtflecke und Lücken des Beleuchtungsmusters können dabei auf Objektoberflächenzonen mit unterschiedlicher Reflektivität auftreffen. Dadurch können bei der Abbildung auf dem Empfänger zwar einzelne Lichtflecke oder Lücken in ihren Formen beeinflusst sein. Diese Störeffekte können durch einen Vergleich oder eine Mittelung der für die einzelnen Lichtflecke oder Lücken ermittelten Distanzwerte jedoch weitgehend eliminiert werden.
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Zur Distanzbestimmung können in der Auswerteeinheit einerseits die Lagen der Lichtflecke und der Lücken zwischen den Lichtflecken, insbesondere deren Schwerpunkte, ausgewertet werden. Da die Position der einzelnen von der Lichtsendeeinheit generierten Lichtflecke und der dazwischen liegenden Lücken relativ zum ortsauflösenden Empfänger bekannt sind, liefern diese Größen jeweils ein Maß für die Objektdistanz.
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Weiterhin können in der Auswerteinheit die Formen, insbesondere die Größen der Lichtflecke und Lücken, als Maß für die Objektdistanz ausgewertet werden, da sich auch diese Kenngrößen mit der Objektdistanz in eindeutiger Weise ändern. Generell kann in der Auswerteeinheit eine beliebige Kombination von Positionen und/oder Formen beziehungsweise Größen von Lichtflecken und Lücken zur Distanzbestimmung herangezogen werden. Dabei können die einzelnen Distanzinformationen miteinander verglichen werden, beispielsweise durch eine Plausibilitätsprüfung. Alternativ können die einzelnen Distanzinformationen, das heißt Einzel-Distanzwerte, miteinander verrechnet werden, beispielsweise in Form einer Mittelwertbildung.
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Ein wesentlicher Aspekt bei der erfindungsgemäßen Distanzmessung besteht darin, dass mit der Lichtsendeeinheit mehrere durch Lücken getrennte Strahlbündel generiert werden können.
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Generell kann die Lichtsendeeinheit dabei derart ausgebildet sein, dass die generierten Strahlbündel völlig separat voneinander sind, das heißt in den Lücken zwischen den Strahlbündeln kein Licht emittiert wird.
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Alternativ sendet die Lichtsendeeinheit ein kontinuierlich variierendes Muster unterschiedlicher Lichtstärken aus. In der Auswerteeinheit wird dann mittels unterschiedlicher Schwellwerte das Muster in Strahlbündel und Lücken aufgeteilt.
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Diese Variante ist deshalb vorteilhaft, da an die optischen Eigenschaften der Lichtsendeeinheit zur Trennung der Strahlbündel durch Lücken geringere Anforderungen gestellt werden müssen.
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Bei beiden Varianten kann gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform kann Lichtsendeeinheit mehrere Sender aufweisen, mittels derer die einzelnen Strahlbündel generiert werden.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform weist die Lichtsendeeinheit einen Sender und eine dieser nachgeordneten Ablenkeinheit auf. Die in verschiedenen Winkelpositionen der Ablenkeinheit abgedeckten Sendelichtstrahlen des Senders bilden die unterschiedlichen Strahlbündel.
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Gemäß einer dritten Ausführungsform bildet die Lichtsendeeinheit einen Sender und eine diesem nachgeordnete, strukturierte Aufweitungsoptik, die transparente und nicht transparente Segmente aufweist. Die über die transparenten Segmente der Aufweitungsoptik geführten Sendelichtstrahlen des Senders bilden die Strahlbündel.
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Bei sämtlichen Varianten der Lichtsendeeinheit kann diese so ausgebildet sein, dass mit dieser ein periodisch variierendes Lichtmuster von Strahlbündeln und Lücken generiert wird. Durch die Auswertung der periodischen Struktur des dadurch am Empfänger generierten Lichtfleckabbildes wird eine besonders genaue Objektdetektion ermöglicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Lichtstärken der Strahlbündel in den Randbereichen der Lichtsendeeinheit größer als die Lichtstärken der Strahlbündel in deren Zentrum.
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Dadurch kann erreicht werden, dass die Lichtintensitäten der mit der Lichtsendeeinheit generierten Lichtflecke zum Rand des beleuchteten Erfassungsbereichs hin auch bei größeren Distanzen nicht abfallen, wodurch die Nachweissicherheit des optischen Sensors erhöht wird.
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Diese Maßnahme lässt sich durch den Einsatz mehrerer Sender, die unterschiedliche Beleuchtungsstärken aufweisen, realisieren. Alternativ können hierzu geeignete Optikelemente zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen, beispielsweise in Form von Freiformlinsen, eingesetzt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Ebenen der Lichtsendeeinheit und des Empfängers um einen Kippwinkel gegeneinander verkippt.
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Dieser Kippwinkel ist vorteilhaft so gewählt, dass der optische Wirkungsgrad des Empfängers zu kürzeren Objektabständen hin verringert ist, so dass die Signalunterschiede bei Detektionen von Objekten in Nahbereich einerseits und Objekten im Fernbereich andererseits, verringert werden. Damit kann in einem großen Distanzbereich eine sichere Objektdetektion gewährleistet werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1: Erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Sensors.
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2: Zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Sensors.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Sensors 1. Der optische Sensor 1 stellt einen nach dem Triangulationsprinzip arbeitenden Distanzsensor dar. Der optische Sensor 1 umfasst eine Sendelichtstrahlen 2 emittierende Lichtsendeeinheit 3 und einen Empfangslichtstrahlen 4 empfangenden ortsauflösenden Empfänger 5. Im vorliegenden Fall ist der ortsauflösende Empfänger 5 von einer Empfängerzeile mit einer Anzahl von Empfangselementen, beispielsweise von einer CCD-Zeile oder einer CMOS-Zeile, gebildet. Dem ortsauflösenden Empfänger 5 ist weiterhin eine Empfangsoptik 6 vorgeordnet.
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Der optische Sensor 1 weist weiterhin eine Auswerteeinheit 7 auf, die beispielsweise von einem Mikroprozessor gebildet ist. Die Auswerteeinheit 7 dient zur Steuerung der Lichtsendeeinheit 3. Zudem werden zur Durchführung von Distanzmessungen die Empfangssignale an den Ausgängen des ortsauflösenden Empfängers 5 ausgewertet.
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Sämtliche Sensorkomponenten des optischen Sensors 1 sind in einem Gehäuse 8 integriert. In der Frontwand des Gehäuses 8 befindet sich ein Fenster 9. Durch dieses werden die von der Lichtsendeeinheit 3 emittierten Sendelichtstrahlen 2 und die von einem zu detektierenden Objekt 10 zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 4 geführt.
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Die Lichtsendeeinheit 3 weist im vorliegenden Fall zwei in Abstand zueinander angeordnete Sender 11a, 11b auf, die vorzugsweise identisch sind und von einer Leuchtdiode oder Laserdiode gebildet sein können. Den Sendern 11a, 11b kann jeweils eine nicht dargestellte Sendeoptik nachgeordnet sein. Jeder Sender 11a, 11b emittiert ein zumindest näherungsweise kollimiertes Strahlbündel 12a, 12b wobei die beiden Strahlbündel 12a, 12b zusammen die Sendelichtstrahlen 2 der Lichtsendeeinheit 3 bilden. Die Strahlbündel 12a, 12b verlaufen zumindest näherungsweise parallel zueinander innerhalb eines Überwachungsbereichs, in dem zu detektierende Objekte 10 angeordnet sein können.
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Anstellte zweier Sender 11a, 11b können auch mehrere derartige Sender 11a, 11b vorgesehen sein, die voneinander getrennte Strahlbündel 12a, 12b emittieren. Diese Sender 11a, 11b können insbesondere eine periodische Anordnung bilden.
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Mit den beiden getrennt verlaufenden Strahlbündeln 12a, 12b der Sender 11a, 11b der Lichtsendeeinheit 3 des optischen Sensors 1 gemäß 1 werden auf der Oberfläche des zu detektierenden Objekts 10 zwei Lichtflecke 13a, 13b generiert, die durch eine Lücke 14 voneinander getrennt sind.
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Dieses Muster der von der Lücke 14 getrennten Lichtflecke 13a, 13b wird durch die Reflektion der Sendelichtstrahlen 2 als Empfangslichtstrahlen 4 in Richtung des optischen Sensors 1 auf dem ortsauflösenden Empfänger 5 abgebildet. Dieses Lichtfleckabbild wird in der Auswerteeinheit 7 zur Bestimmung der Distanz des Objekts 10 zum optischen Sensor 1 ausgewertet.
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Als erstes Maß für die Objektdistanz werden in der Auswerteeinheit 7 die Auftreffpunkte der Lichtflecke 13a, 13b und der Lücke 14 zwischen diesem auf dem ortsauflösenden Empfänger 5 ausgewertet. Durch die bekannten Abstände der Sender 11a, 11b zum Empfänger kann aus den Auftreffpunkten, insbesondere den Schwerpunkten der auf den ortsauflösenden Empfänger 5 abgebildeten Lichtflecke 13a, 13b, oder der Lücke 14 jeweils die Objektdistanz ermittelt werden.
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Weiterhin wird jeweils aus den Formen, insbesondere den Größen der auf den ortsauflösenden Empfänger 5 abgebildeten Lichtflecke 13a, 13b und der Lücke 14 zwischen den Lichtflecken 13a, 13b die Objektdistanz ermittelt.
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Wie aus 1 ersichtlich, befindet sich die Ebene des Empfängers nicht in der Ebene E der Lichtsendeeinheit 3 beziehungsweise deren Empfänger. Wäre der ortsauflösende Empfänger 5 in der Ebene E der Sender 11a, 11b angeordnet, so wäre die Scheimpflug-Bedingung erfüllt, eine Voraussetzung für eine im Wesentlichen abstandsunabhängige Fokussierung der Empfangslichtstrahlen 4 ist. Da jedoch die Ebene des Empfängers aus der Ebene E der Lichtsendeeinheit 3 herausgekippt ist, ist die Abbildung der Lichtflecke 13a, 13b und der Lücken 14 auf dem ortsauflösenden Empfänger 5 abstandsabhängig, so dass deren Formen, insbesondere Größen ein direktes Maß für die Objektdistanz liefern.
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Mit der Verkippung des ortsauflösenden Empfängers 5 bezüglich der Ebene E der Lichtsendeeinheit 3 wird zudem erreicht, dass der Signalunterschied von Empfangslichtstrahlen 4, die von Objekten 10 im Nahbereich einerseits und von Objekten 10 im Fernbereich andererseits auf den ortsauflösenden Empfänger 5 treffen, verringert wird.
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In der Auswerteeinheit 7 stehen somit mehrere Distanzinformationen zur Verfügung. Diese Einzeldistanzmesswerte können in einer Plausibilitätbetrachtung miteinander verglichen werden. Beispielsweise kann der am häufigsten auftauchende Einzeldistanzmesswert als tatsächlicher Distanzwert übernommen und als Ausgangssignal ausgegeben werden. Alternativ kann auch eine Mittelwertbildung über alle oder eine vorgebbare Anzahl von Einzeldistanzwerten durchgeführt werden, um den Distanzwert, der als Ausgangssignal ausgegeben wird, zu ermitteln.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform des optischen Sensors 1, welche sich nur hinsichtlich des Aufbaus der Lichtsendeeinheit 3 von der Ausführungsform gemäß 1 unterscheidet.
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Die Lichtsendeeinheit 3 besteht in diesem Fall aus einem einzelnen Sender 11 mit einer nachgeordneten Aufweitungsoptik 15. Mit der so ausgebildeten Lichtsendeeinheit 3 werden keine voneinander völlig separaten Strahlbündel 12a, 12b als Sendelichtstrahlen 2 emittiert. Vielmehr sendet die Lichtsendeeinheit 3 ein in der Ebene senkrecht zur Strahlachse der Sendelichtstrahlen 2 räumlich kontinuierlich variierendes Muster mit verschiedenen Lichtstärken aus. Dieses Muster ist im vorliegendem Fall so ausgebildet, dass auf der Objektoberfläche sowie in Abstand zueinander liegende Maxima M1, M2 als Bereiche großer Lichtstärken abgebildet werden, die durch Bereiche geringerer Lichtstärken getrennt sind.
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Analog zur Ausführungsform gemäß 1 wird dieses Lichtmuster auf der Objektoberfläche auf dem ortsauflösenden Empfänger 5 abgebildet.
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In der Auswerteeinheit 7 erfolgt eine Analyse dieses Musters mittels einer Schwellwertbewertung, mit der die Bereiche M1, M2 als Strahlbündelbereiche vom Rest des Lichtmusters separiert werden. Damit werden durch die spezifische Auswertung in der Auswerteeinheit 7 wieder zwei durch eine Lücke 14 getrennte Strahlbündel 12a, 12b erhalten, so dass dann die weitere Auswertung zur Distanzbestimmung analog zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 erfolgen kann.
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Auch bei der Ausführungsform gemäß 2 kann mit mehr als zwei Strahlbündeln 12a, 12b gearbeitet werden. Hierzu ist die Aufweitungsoptik 15 so ausgebildet, dass mit dieser ein Lichtmuster auf der Objektoberfläche erzeugt wird, das mehr als zwei Maxima aufweist. Aus diesen Maxima können dann in der Auswerteeinheit 7 durch geeignete Schwellwertbewertungen durch Lücken 14 getrennte Strahlbündel 12a 12b extrahiert werden.
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Um mit den Sendelichtstrahlen 2 eine möglichst homogene Ausleuchtung von Objekten 10, insbesondere auch bei Objekten 10 im Fernbereich, zu gewährleisten, kann die Aufweitungsoptik 15 so beschaffen sein, dass mit dieser in den Randbereichen der Sendelichtstrahlen 2 größere Lichtstärken als im Zentrum erhalten werden. Hierzu geeignete Aufweitungsoptiken 15 können als Freiformlinsen und dergleichen ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Optischer Sensor
- 2
- Sendelichtstrahlen
- 3
- Lichtsendeeinheit
- 4
- Empfangslichtstrahlen
- 5
- ortsauflösender Empfänger
- 6
- Empfangsoptik
- 7
- Auswerteeinheit
- 8
- Gehäuse
- 9
- Fenster
- 10
- Objekt
- 11
- Sender
- 11a
- Sender
- 11b
- Sender
- 12a
- Strahlbündel
- 12b
- Strahlbündel
- 13a
- Lichtfleck
- 13b
- Lichtfleck
- 14
- Lücke
- 15
- Aufweitungsoptik
