DE102013020572B4

DE102013020572B4 - Optoelektronischer Sensor

Info

Publication number: DE102013020572B4
Application number: DE102013020572.7A
Authority: DE
Inventors: Manuel Bronner; Stefan Hilsenbeck
Original assignee: Balluff GmbH
Current assignee: Balluff GmbH
Priority date: 2013-12-13
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2016-11-17
Anticipated expiration: 2033-12-14
Also published as: DE102013020572A1

Abstract

Optoelektronischer Sensor, umfassend
– eine optische Linse (31),
– ein Gehäuse (3) in welchem ein optisches Empfangsbauteil (32) so angeordnet ist, dass eine Vielzahl von Lichtstrahlverläufen zwischen der optischen Linse (31) und dem optischen Empfangsbauteil (32) möglich sind,
– ein lichtbrechendes Bauteil (34), welches in dem Gehäuse (3) so zwischen der optischen Linse (31) und dem optischen Empfangsbauteil (32) angeordnet ist, dass nicht alle Lichtstrahlverläufe das lichtbrechende Bauteil durchqueren, und
– eine Lichtquelle (11),
dadurch gekennzeichnet, dass das lichtbrechende Bauteil (34) so angeordnet ist, dass von der Lichtquelle (11) ausgesandte Lichtstrahlen (L), die bei einer Entfernung von maximal einem Entfernungsgrenzwert zwischen dem optoelektronischen Sensor und einem Objekt (21) von dem Objekt (21) reflektiert werden, von der optischen Linse (31) so abgelenkt werden, dass sie auf das lichtbrechende Bauteil (34) gelenkt werden, und dass von der Lichtquelle (11) ausgesandte Lichtstrahlen (L), die bei einer Entfernung von mehr als dem Entfernungsgrenzwert zwischen dem optoelektronischen Sensor und dem Objekt (21) von dem Objekt (21) reflektiert werden, von der optischen Linse (31) so abgelenkt werden, dass sie nicht auf das lichtbrechende Bauteil (34) gelenkt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor, insbesondere einen Triangulationssensor.
Stand der Technik
Optoelektronische Sensoren, bei denen Sensor und Empfangslinse nebeneinander angeordnet sind, haben bauartbedingt durch die Anordnung der Linsen einen eingeschränkten Erfassungsbereich im Nahfeld des Sensors. Hervorgerufen wird dies durch die laterale Verschiebung des auftreffenden Lichtbündels auf dem Detektor bei kleiner werdendem Objektabstand. Dies führt dazu, dass der Sensor sich bei einem annähernden Objekt zuerst einschaltet, so dass das Objekt erkannt wird. Nähert sich das Objekt weiter an, so schaltet der Sensor sich wieder aus und das Objekt wird fälschlicherweise nicht mehr erkannt.
Die DE 101 06 075 C2 beschreibt einen konzentrischen Lichttaster, der dieses Problem mittels Autokollimation umgeht. Hierzu sind mehrere längs einer optischen Achse, hintereinander versetzt positionierte optische Empfangswandler und eine optische Abschirmung, die sich zwischen den Wandlern befindet, vorgesehen. Einer der Wandler besteht aus mehreren Wandlerelementen. Diese Konstruktion ist sehr aufwendig.
Die DE 698 05 598 T2 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung von Abstand oder Einfallswinkel eines Lichtstrahls, an deren Empfangslinse ein Prisma zur Winkelkompression im Nahbereich angeordnet ist. Dies führt allerdings zu einem deutlichen Energieverlust des erfassten Lichtstrahls im Fernbereich und damit zu einer deutlich verringerten Reichweite des Sensors.
Die DE 103 56 704 B4 beschreibt einen Reflexionslichttaster, der einen Lichtleiter an der Innenseite seines Empfangstubus, d. h. der dem Sender gegenüberliegenden Seite aufweist. Der Lichtleiter leitet alle Empfangsstrahlen im Nahbereich auf einen Punkt auf dem Empfangselement. Dieser Lichttaster weist allerdings keine Einstellbarkeit auf, wenn Lichtstrahlen nur noch über den Lichtleiter auf das Empfangselement geleitet werden.
Die EP 0 527 326 B1 beschreibt einen Reflexionslichtaster bzw. Triangulationssensor mit Hintergrundunterdrückung. Dieser weist eine spiegelnde Fläche auf der Innenseite seines Empfangstubus auf. Alle Strahlen im Nahbereich werden mittels dieses Spiegels auf das Empfangselement zurückreflektiert. Allerdings werden auch Lichtstrahlen, die aus dem Fernbereich kommen, auf das Empfangselement zurückgeworfen. Damit sind Doppeltschaltpunkte unvermeidbar. Auch ist eine Einstellbarkeit dieses Reflexionslichttasters nicht gegeben.
Die DE 196 29 396 C3 beschreibt einen Reflexionslichtaster mit einem zusätzlichen Empfangselement für den Nahbereich. Reflektierte Lichtstrahlen werden mit dem zusätzlichen Empfangselement und mittels einer speziellen Bauform des Lichttasters ausgewertet. Für das zusätzliche Empfangselement ist allerdings eine aufwendige Elektronik erforderlich.
Aus der WO 2013/013488 A1 ist ein optoelektronischer Sensor bekannt, in dessen Empfangselement zwischen der Empfangslinse und einem Empfänger ein Prisma angeordnet ist, welches schräg auf die Empfangslinse auftreffende Lichtstrahlen auf den Empfänger umleitet.
Die DE 102 20 037 A1 beschreibt einen Triangulationssensor, dessen Empfangseinheit neben einer Hauptempfangslinse eine weitere Linse aufweist. Einfallende Lichtstrahlen werden nur durch eine dieser beiden Linsen geleitet.
In der DE 10 2004 038 940 A1 wird ein optischer Sensor zur Erfassung eines Retroreflektors beschrieben. Dieser weist wenigstens zwei Empfangslicht empfangende Empfänger auf.
Die DE 10 2006 057 878 B4 offenbart ein Verfahren zur Erfassung von Objekten mittels einer optoelektronischen Vorrichtung. Hierbei werden zwei Empfangslichtflecke auf einem Empfänger generiert.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optoelektronischen Sensor bereitzustellen, dessen Blindzone gegenüber herkömmlichen optoelektronischen Sensoren verkleinert oder vollständig eliminiert ist. Es soll möglich sein, eine Empfangslinse auf den energetisch benachteiligten Fernbereich zu optimieren. Der Aufbau des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors soll zu keinem Energieverlust in diesem energiekritischen Fernbereich führen. Er soll keine Doppelschaltpunkte aufweisen und es soll möglich sein, mit diesem optoelektronischen Sensor auch sehr geringe Abstände bis unmittelbar vor dem Sensor einzustellen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensor gelöst. Dieser umfasst eine optische Linse, ein Gehäuse, in welchem ein optisches Empfangsbauteil so angeordnet ist, dass eine Vielzahl von Lichtstrahlverläufen zwischen der optischen Linse und dem optischen Empfangsbauteil möglich sind, und ein lichtbrechendes Bauteil, welches in dem Gehäuse so zwischen der optischen Linse und dem optischen Empfangsbauteil angeordnet ist, dass nicht alle Lichtstrahlverläufe das lichtbrechende Bauteil durchqueren.
Das optische Empfangsbauteil ist insbesondere ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem PSD-Element (Positive Sensitive Device), einer CCD-Zeile (Charge-coupled Device) und einer Photodiode.
Das lichtbrechende Bauteil ist insbesondere eine Zylinderlinse. Über die Form und Größe der Zylinderlinse lässt sich ihr Wirkbereich definieren.
Das lichtbrechende Bauteil ist vorzugsweise eingerichtet, um Lichtstrahlen, welche die optische Linse so passieren, dass sie ohne die Anwesenheit des lichtbrechenden Bauteils nicht auf eine aktive Fläche des optischen Empfangsbauteils fallen würden, auf die aktive Fläche des optischen Empfangsbauteils umzulenken. Hierdurch werden die im Nahbereich des optoelektronischen Sensors sonst verlorenen Lichtstrahlen eingefangen, abgelenkt und auf die aktive Fläche des Empfangsbauteils fokussiert.
Um den erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensor insbesondere als Triangulationssensor verwenden zu können, weist er eine Lichtquelle, besonders vorzugsweise einen Laser auf.
Das lichtbrechende Bauteil ist so angeordnet, dass von der Lichtquelle ausgesandte Lichtstrahlen, die in einer Entfernung von maximal einem Entfernungsgrenzwert von dem optoelektronischen Sensor von einem Objekt reflektiert werden, von der optischen Linse so abgelenkt werden, dass sie auf das lichtbrechende Bauteil gelenkt werden. Hierdurch müssen Lichtstrahlen, die von einem Objekt im Nahbereich reflektiert werden, das lichtbrechende Bauteil passieren. Dadurch wird der Maximalwert der auftreffenden Energie abgeschwächt, so dass ein elektronischer Verstärkungspfad des optoelektronischen Sensors weniger stark in die Übersteuerung getrieben wird.
Außerdem ist das lichtbrechende Bauteil so angeordnet, dass von der Lichtquelle ausgesandte Lichtstrahlen, die in einer Entfernung von mehr als dem Entfernungsgrenzwert von dem optoelektronischen Sensor von einem Objekt reflektiert werden, von der optischen Linse so abgelenkt werden, dass sie nicht auf das lichtbrechende Bauteil gelenkt werden. Wenn Lichtstrahlen von einem Objekt im Fernbereich reflektiert werden, treffen sie somit auf das optische Empfangsbauteil, ohne zuvor das lichtbrechende Bauteil passieren zu müssen. Somit werden Reichweite, Grauwertverschiebung und Hysterese des optoelektronischen Sensors durch das lichtbrechende Bauteil nicht beeinflusst.
Der Entfernungsgrenzwert ist vorzugsweise größer als 100 Millimeter. Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Entfernungsgrenzwert kleiner als 250 Millimeter ist. Besonders bevorzugt beträgt der Entfernungsgrenzwert 200 Millimeter und definiert somit die Grenze zwischen Nahbereich und Fernbereich des optoelektronischen Sensors.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors ist in den Zeichnungen dargestellt und wird anhand der folgenden Beschreibung näher erläutert.
1 ist eine Querschnittsdarstellung eines optoelektronischen Sensors gemäß dem Stand der Technik.
2 ist eine Querschnittsdarstellung eines anderen optoelektronischen Sensors gemäß dem Stand der Technik.
3 ist eine Querschnittsdarstellung eines optoelektronischen Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit dem ein Objekt im Nahbereich des optoelektronischen Sensors erfasst wird.
4 ist eine Querschnittsdarstellung des optoelektronischen Sensors gemäß 3, mit dem ein Objekt im Fernbereich des optoelektronischen Sensors erfasst wird.
5 zeigt in einem Diagramm den Verlauf der auf einem optischen Empfangsbauteil auftreffenden Energie mit zunehmendem Objektabstand für mehrere optoelektronische Sensoren.
6 zeigt in einem Diagramm den Schwerpunktverlauf eines Lichtbündels auf dem optischen Empfangsbauteil mehrerer optoelektronischer Sensoren bei zunehmendem Objektabstand.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
In 1 ist ein herkömmlicher Triangulationssensor dargestellt. Dieser weist einen Optikkopf 1 auf, der einen Laser als Lichtquelle 11, einen Laserkollimator 12 und eine Sendelinse 13 umfasst. Von dem Optikkopf 1 ausgesandte Lichtstrahlen L treffen auf ein Objekt 21 auf einem Target 2, welches 15 Millimeter von dem Triangulationssensor entfernt ist. Die Lichtstrahlen L werden von dem Objekt 21 reflektiert. Sie werden auf eine optische Linse 31, die als Empfangslinse fungiert und ein Gehäuse 3 abschließt, geworfen und von dieser in den Innenraum des Gehäuses 3 gelenkt. Es gelingt allerdings nicht sie auf die aktive Fläche eines optischen Empfangsbauteils 32 zu lenken, welches in dem Gehäuse 3 angeordnet und als PSD-Element ausgeführt ist. Vielmehr treffen die Lichtstrahlen L oberhalb des optischen Empfangsbauteils 32 in dem Gehäuse 3 auf. Der Triangulationssensor ist also für das unmittelbar vor ihm stehende Objekt 21 blind oder löst Fehlfunktionen durch Unstetigkeitsstellen im Schwerpunktverlauf aus.
In 2 ist ein Triangulationssensor gemäß der EP 0 527 326 B1 dargestellt. Dieser unterscheidet sich von dem Triangulationssensor gemäß 1 darin, dass er an der Innenseite des Gehäuses 3 einen Spiegel 33 aufweist. Die Lichtstrahlen L werden im Nahbereich von dem Spiegel 33 auf das optische Empfangsbauteil 32 umgelenkt.
3 zeigt einen Triangulationssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieser unterscheidet sich von dem Triangulationssensor gemäß 1 darin, dass eine Zylinderlinse als lichtbrechendes Bauteil 34 zwischen der optischen Linse 31 und dem optischen Empfangsbauteil 32 angeordnet ist. Diese lenkt im Nahbereich von dem Objekt 21 reflektierte Lichtstrahlen L auf das optische Empfangsbauteil 32 um. Der Verlauf der Lichtstrahlen L bei einem Abstand von 250 Millimetern zwischen dem Triangulationssensor und dem Objekt 21, d. h. im Fernbereich, ist in 4 dargestellt. Die Lichtstrahlen L passieren in diesem Fall die optische Linse 31 und den Innenraum des Gehäuses 3 und treffen auf das optische Empfangsbauteil 32, ohne zuvor das lichtbrechende Bauteil 34 zu durchqueren.
In 5 ist für Objektabstände O des Objekts 21 vom Triangulationssensor im Bereich von 0 bis 250 Millimeter die auf das optische Empfangsbauteil 32 auftreffende Energie E, welche auf 1 normiert ist, dargestellt.
Die Energie 41 des herkömmlichen Triangulationssensors gemäß 1 und die Energie 42 des herkömmlichen Triangulationssensors gemäß 2 erreichen im Nahbereich ein Maximum von mehr als 0,5 × 10^–4, was zu einer Übersteuerung des elektronischen Verstärkerpfades des jeweiligen Triangulationssensors führen kann. Hingegen erreicht die Energie 43 des erfindungsgemäßen Triangulationssensors einen geringen maximalen Energiewert, da die Lichtstrahlen L im Nahbereich das lichtbrechende Bauteil 34 passieren müssen. Dabei bleibt das Energieniveau im Fernbereich von O > 200 Millimeter unverändert, so dass der erfindungsgemäße Triangulationssensor eine ebenso hohe Reichweite aufweist wie die herkömmlichen Triangulationssensoren.
In 6 ist die Position des Schwerpunkts S eines Lichtbündels auf dem optischen Empfangsbauteil 32 für Objektabstände O im Bereich von 0 bis 250 Millimeter dargestellt. Der Schwerpunktverlauf 51, der bei Verwendung eines herkömmlichen Triangulationssensors gemäß 1 auftritt, nimmt für Objektabstände O von weniger als 50 Millimeter mehrfach denselben Wert an, so dass es zu Doppeldeutigkeiten kommt. Solche Doppeldeutlichkeiten treten ebenfalls im Schwerpunktverlauf 52 des Triangulationssensors gemäß 2 auf. Der erfindungsgemäße Triangulationssensor weist hingegen einen Schwerpunktverlauf 53 auf, in dem es zu keinen Mehrdeutigkeiten kommt. Damit kann der Einstellbereich des erfindungsgemäßen Triangulationssensors bis nahezu unmittelbar vor dem Sensor erweitert werden.

Claims

Optoelektronischer Sensor, umfassend – eine optische Linse (31), – ein Gehäuse (3) in welchem ein optisches Empfangsbauteil (32) so angeordnet ist, dass eine Vielzahl von Lichtstrahlverläufen zwischen der optischen Linse (31) und dem optischen Empfangsbauteil (32) möglich sind, – ein lichtbrechendes Bauteil (34), welches in dem Gehäuse (3) so zwischen der optischen Linse (31) und dem optischen Empfangsbauteil (32) angeordnet ist, dass nicht alle Lichtstrahlverläufe das lichtbrechende Bauteil durchqueren, und – eine Lichtquelle (11), dadurch gekennzeichnet, dass das lichtbrechende Bauteil (34) so angeordnet ist, dass von der Lichtquelle (11) ausgesandte Lichtstrahlen (L), die bei einer Entfernung von maximal einem Entfernungsgrenzwert zwischen dem optoelektronischen Sensor und einem Objekt (21) von dem Objekt (21) reflektiert werden, von der optischen Linse (31) so abgelenkt werden, dass sie auf das lichtbrechende Bauteil (34) gelenkt werden, und dass von der Lichtquelle (11) ausgesandte Lichtstrahlen (L), die bei einer Entfernung von mehr als dem Entfernungsgrenzwert zwischen dem optoelektronischen Sensor und dem Objekt (21) von dem Objekt (21) reflektiert werden, von der optischen Linse (31) so abgelenkt werden, dass sie nicht auf das lichtbrechende Bauteil (34) gelenkt werden.
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Empfangsbauteil (32) ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einem PSD-Element, einer CCD-Zeile, und einer Photodiode.
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtbrechende Bauteil (34) eine Zylinderlinse ist.
Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtbrechende Bauteil (34) eingerichtet ist, um Lichtstrahlen (L), welche die optische Linse (31) so passieren, dass sie ohne die Anwesenheit des lichtbrechenden Bauteils (34) nicht auf eine aktive Fläche des optischen Empfangsbauteils (32) fallen würden, auf die aktive Fläche des optischen Empfangsbauteils (32) umzulenken.
Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (11) ein Laser ist.
Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Entfernungsgrenzwert größer als 100 Millimeter ist.
Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Entfernungsgrenzwert kleiner als 250 Millimeter ist.