DE102018108340A1

DE102018108340A1 - Optoelektronischer Sensor und Verfahren zur Erfassung und Abstandsbestimmung von Objekten

Info

Publication number: DE102018108340A1
Application number: DE102018108340.8A
Authority: DE
Inventors: Stephan Schmitz
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2018-04-09
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2019-10-10
Also published as: JP2019215320A; US20190310370A1

Abstract

Es wird ein optoelektronischer Sensor (10) zur Erfassung und Abstandsbestimmung von Objekten in einem Überwachungsbereich (16) angegeben, der einen Lichtsender (12) zum Aussenden eines Sendelichtstrahls (18) mit einer aufmodulierten Pulsfolgencodierung, einen Lichtempfänger (24) zum Erzeugen eines Empfangssignals aus dem von Objekten in dem Überwachungsbereich (16) remittierten Sendelichtstrahl (20) sowie eine Steuer- und Auswertungseinheit (26) aufweist, die dafür ausgebildet ist, anhand des Empfangssignals und der zugehörigen Pulsfolgencodierung eine Lichtlaufzeit und daraus einen Abstandswert zu bestimmen. Dabei ist der Lichtsender (12) dafür ausgebildet, simultan mehrere Sendelichtstrahlen (18) mit einer aufmodulierten Pulsfolgencodierung zur Abtastung mehrerer Messpunkte (28) auszusenden, und der Lichtempfänger (24) weist eine Vielzahl von Lichtempfangselementen zum Erzeugen mehrerer Empfangssignale aus mehreren remittierten Sendelichtstrahlen (20) auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor und ein Verfahren zur Erfassung und Abstandsbestimmung von Objekten in einem Überwachungsbereich nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 9.
Mit einigen optoelektronischen Sensoren, zu denen ein Laserscanner und eine 3D-Kamera zählen, wird auch eine Tiefeninformation erfasst. So entstehen dreidimensionale Bilddaten, die auch als Entfernungsbild oder Tiefenkarte bezeichnet werden. Die zusätzliche Entfernungsdimension lässt sich in einer Vielzahl von Anwendungen nutzen, um mehr Informationen über Objekte in der erfassten Szenerie zu gewinnen und so verschiedene Aufgaben zu lösen.
Zur Ermittlung der Tiefeninformationen sind verschiedene Verfahren bekannt. Bei der hier betrachteten Lichtlaufzeitmessung (TOF, Time of Flight) wird eine Szene mit gepulstem oder amplitudenmoduliertem Licht beleuchtet. Der Sensor misst die Laufzeit des reflektierten Lichtes. In einem Pulsverfahren werden dafür Lichtpulse ausgesandt und die Dauer zwischen Sende- und Empfangszeitpunkt gemessen. In einem Phasenverfahren erfolgt eine periodische Amplitudenmodulation und Messung des Phasenversatzes zwischen Sende- und Empfangslicht.
In einer 3D-Kamera wird die Laufzeit für jeweilige Pixel oder Pixelgruppen gemessen. Beispielsweise sind in einem Pulsverfahren TDCs zur Laufzeitmessung mit den Pixeln verbunden oder sogar gemeinsam mit den Pixeln auf einem Wafer integriert. Eine Technologie für die Gewinnung von dreidimensionalen Bilddaten mit einem Phasenverfahren ist die Photomischdetektion (PMD).
In einem Laserscanner überstreicht ein von einem Laser erzeugter Lichtstrahl mit Hilfe einer Ablenkeinheit periodisch den Überwachungsbereich. Zusätzlich zu der gemessenen Abstandinformation wird aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit auf die Winkellage des Objektes geschlossen, und so entstehen nach einer Abtastperiode Bilddaten mit Abstandswerten in Polarkoordinaten. Durch zusätzliche Variation oder Mehrstrahlabtastung im Elevationswinkel werden dreidimensionale Bilddaten aus einem Raumbereich erzeugt. In den meisten Laserscannern wird die Abtastbewegung durch einen Drehspiegel erreicht. Es ist aber auch bekannt, stattdessen den gesamten Messkopf mit einem oder mehreren Lichtsendern und Lichtempfängern rotieren zu lassen, wie dies beispielsweise in DE 197 57 849 B4 beschrieben ist.
3D-Kameras und Laserscanner haben jeweils Vor- und Nachteile, die bei der Auswahl des richtigen Sensors für eine bestimmte Anwendung abgewogen werden müssen. Mit einer 3D-Kamera ist es möglich, in einem Zug und ohne bewegte mechanische Teile einen großen Raumbereich zu erfassen. Der Laserscanner benötigt zwar eine Rotation und gerade bei Abtastung eines 3D-Bereichs auch eine gewisse Messzeit, fokussiert aber dafür jeweils die Sendeenergie auf einen Punkt und gewinnt dadurch Reichweite und verlässlichere Messwerte.
Es gibt im Stand der Technik Bestrebungen, ein flächenscannendes System ohne rotierende Ablenkeinheit aufzubauen. Beispielsweise wird in der EP 2 708 914 A1 der gepulste Sendelichtstrahl einer Lichtquelle mit einem MEMS-Spiegel in X-Richtung und Y-Richtung über die abzutastende Fläche geführt. Die reflektierten Lichtpulse werden von einer SPAD-Matrix empfangen (Single-Photon Avalanche Diode), von der jeweils nur diejenigen SPADs aktiviert werden, die den aktuell von dem Sendelichtstrahl beleuchteten Bereich beobachten. Damit ist zwar der Verzicht auf ein rotierendes System gelungen, aber zumindest bei hoher Auflösung dauert der Scanvorgang für eine schnelle Bildaufnahme zu lang.
Für Lichtgitter ist beispielsweise aus EP 2 012 144 B1 und EP 2 103 962 B1 bekannt, die jeweiligen Lichtstrahlen mit zueinander orthogonalen Pulsfolgen zu modulieren. Dadurch wird es möglich, das für Lichtgitter sonst übliche zyklische Aktivieren der Lichtstrahlen aufzubrechen und Lichtsender gleichzeitig zu betreiben. Das Nutzsignal des jeweils gegenüberliegenden Lichtsenders wird anhand der von dort erwarteten Pulsfolge von anderen Lichtsendern und auch von Fremdlicht unterschieden. Ein Lichtgitter ist aber kein geeigneter Sensor, um eine Tiefenkarte zu erfassen.
Die EP 2 626 722 B1 offenbart einen Laserscanner, der seinen Abtaststrahl mit einer Pseudozufallscodefolge moduliert und Lichtlaufzeiten durch Korrelation mit der Pseudozufallscodefolge misst. Das macht den Laserscanner robuster gegen Fremdlicht und Mehrfachreflexionen, aber das System basiert weiter auf einer rotierenden Ablenkeinheit, mit den genannten Nachteilen der Ausfallgefahr und Kosten. Außerdem ist eine Flächenabtastung allenfalls möglich, wenn eine zusätzliche Ablenkung in Elevation erfolgt, und dann werden die Messperioden sehr lang. Die EP 2 626 722 B1 stellt weiterhin eine besondere Pseudozufallscodefolge vor, die aus einem ersten zeitlich gestauchten und einem zweiten gestreckten Anteil besteht. Das verbessert das Messverhalten, löst aber die genannten grundsätzlichen Probleme nicht.
Auch die EP 2 730 942 B1 befasst sich mit einem Laserscanner, der sein Signal-Rausch-Verhalten durch Pseudozufallsfolgen verbessert. In diesem Fall ist die Besonderheit, dass die binäre Pseudozufallsfolge besonders viele Nullen und nur wenige Einsen aufweist. Dadurch erhält das Signal mehr hochfrequente Anteile, die von niederfrequentem Rauschen durch Fremdlicht getrennt werden können. Erneut werden aber so die grundsätzlichen Nachteile eines Laserscanners nicht berührt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten entfernungsmessenden Sensor anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor und ein Verfahren zur Erfassung und Abstandsbestimmung von Objekten in einem Überwachungsbereich nach Anspruch 1 beziehungsweise 9 gelöst. Der Sensor erfasst durch seine Abstandsmessung dreidimensionale Bilddaten, die großflächig erfasst sein können, die laterale Verteilung der Messpunkte aber auch auf eine oder mehrere Teilbereiche (ROI, Region of Interest) beschränkt sein darf. Der Sensor umfasst einen Lichtsender zum Erzeugen eines Sendelichtstrahls mit Pulsfolgencodierung und einen Lichtsender zum Empfangen des in dem Überwachungsbereich remittierten Sendelichtstrahls. Eine Steuer- und Auswertungseinheit misst die Lichtlaufzeit anhand des Empfangssignals des Lichtsenders und der bekannten aufmodulierten Pulsfolge, insbesondere durch Korrelation des Empfangssignals mit der Pulsfolge, und bestimmt daraus einen Abstandswert zu dem angetasteten Objekt, das den Sendelichtstrahl zurückgeworfen hat.
Die Erfindung geht nun von dem Grundgedanken aus, simultan mit mehrere Sendelichtstrahlen zu messen. Die Sendelichtstrahlen werden jeweils mit einer Pulsfolgencodierung moduliert, und sie werden von unterschiedlichen Lichtempfangselementen des Lichtempfängers erfasst, um mehrere Empfangssignale zu erzeugen. Die Steuer- und Auswertungseinheit kann so gleich mehrere Abstände zu mehreren Messpunkten aus den Empfangssignalen bestimmen. Die Lichtempfangselemente des Lichtempfängers sind direkt benachbart, insbesondere indem der Lichtempfänger als Pixelmatrix ausgebildet ist, und nicht etwa räumlich getrennt mit gegenseitigem Abstand wie bei einem Lichtgitter. Ein Lichtgitter würde auch keine remittierten Sendelichtstrahlen empfangen, sondern direkt den Sendelichtstrahl selbst mit einem gegenüberliegenden Lichtempfänger. Simultanes Aussenden bedeutet nicht zwingend, dass die Pulsfolgen zum selben Zeitpunkt beginnen und/oder enden, aber jedenfalls überlappt das Zeitintervall, in denen Pulsfolgen mehrerer Sendelichtstrahlen ausgesandt werden.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch parallele Erfassung mehrerer Messpunkte eine schnelle Abtastung eines großen Bereichs und damit eine schnelle Ansprechzeit des Sensors möglich werden. Es ist auch vorstellbar, bestimmte ROls mit besonders großer lateraler Ortsauflösung und/oder Genauigkeit der Abstandsmessung zu erfassen. Die Pulsfolgen ermöglichen eine Unterscheidung von Fremdlicht und daher ein gutes Signal-Rausch-Verhalten mit entsprechender Robustheit und Genauigkeit der Messung sowie einer hohen Reichweite. Im Vergleich zu einer Flächenbeleuchtung einer 3D-Kamera ist die Lichtleistung auf die Messpunkte konzentriert, wodurch das Signal-Rausch-Verhalten weiter verbessert wird.
Die den mehreren Sendelichtstrahlen aufmodulierten Pulsfolgen sind bevorzugt untereinander unterschiedlich, insbesondere orthogonal zueinander. Die Steuer- und Auswertungseinheit kann so die Sendelichtstrahlen durch Korrelation mit den unterschiedlichen Pulsfolgen identifizieren und voneinander unterscheiden. Wenn also auf ein Lichtempfangselement Lichtanteile eines nicht zugehörigen Sendelichtstrahls eingestreut werden, so hat das wegen der nicht passenden Pulsfolge nur geringe Auswirkungen wie Fremdlicht. Orthogonale Pulsfolgen haben gerade die Eigenschaft, praktisch gar nicht miteinander zu korrelieren, und damit wird die Zuordnung von Sendelichtstrahl zu demjenigen Lichtempfangselement, das den davon beleuchteten Messpunkt beobachtet, besonders genau.
Als Pulsfolge werden vorzugsweise Pseudozufallscodefolgen verwendet, nochmals bevorzugt Binärcodes, deren Einsen durch jeweils einen Puls codiert sind. Ein Beispiel für geeignete Pseudozufallscodefolgen sind m-Sequenzen (Maximum length sequence). Grundsätzlich können aber auch andere Pseudozufallscodefolgen verwendet werden, eine beispielhafte Auswahl umfasst Barker Codes, Goldcodes, Kasami-Sequenzen oder Hadamar-Walsh-Sequenzen.
Die Pulsfolgen weisen vorzugsweise einen ersten Teil mit engerem Zeitraster und einen zweiten Teil mit einem weiteren Zeitraster auf, wie dies in der einleitend genannten EP 2 626 722 B1 beschrieben ist. Außerdem überwiegt vorzugsweise der Anteil von Nullen in der Pulsfolge, noch bevorzugter sehr deutlich, entsprechend der einleitend genannten EP 2 730 942 B1 . Für genauere Erläuterungen und die erzielbaren Vorteile wird auf diese Dokumente verwiesen. Ein hoher Anteil von Nullen hat erfindungsgemäß den besonderen Vorteil, dass in jedem Moment trotz des simultanen Aussendens von Sendelichtstrahlen in der Regel nur eine oder jedenfalls wenige Einsen, d.h. Pulse, zu erzeugen sind. Dadurch ist jeweils eine hohe Laserleistung möglich, ohne dass die abgestrahlte Lichtleistung durch die mehreren Sendelichtstrahlen stark anwächst.
Der Lichtsender ist bevorzugt dafür ausgebildet, mindestens einen Sendelichtstrahl in veränderte Richtungen auszusenden, so dass der von dem Sendelichtstrahl ausgeleuchtete Messpunkt im Überwachungsbereich von einem anderen Lichtempfangselement beobachtet wird. Dazu kann eine individuelle oder gekoppelte Ablenkung für mehrere oder alle Sendelichtstrahlen vorgesehen sein, um Sendelichtstrahlen einzeln, in Gruppen oder insgesamt in eine oder zwei laterale Richtungen abzulenken. Damit sind die Messpunkte der Sendelichtstrahlen zumindest in den Grenzen der möglichen Ablenkung frei wählbar. Es ist ebenso möglich, bestimmte Messpunkte zu fixieren wie ROls oder den gesamten Überwachungsbereich abzutasten. Aufgrund der mehreren Sendelichtstrahlen ist eine solche Abtastung deutlich beschleunigt.
Der Lichtsender weist bevorzugt eine Zeilenanordnung von Lichtquellen auf. Damit kann simultan eine ganze Zeile, also vorzugsweise der gesamte horizontale oder vertikale Sichtbereich erfasst werden.
Der Lichtsender ist bevorzugt dafür ausgebildet, die Sendelichtstrahlen quer zu der Zeilenanordnung in veränderte Richtungen auszusenden. Werden die Richtungen gemeinsam variiert, so scannt die Zeilenanordnung den Überwachungsbereich flächig ab.
Im Gegensatz zu einem punktförmigen Abscannen wie etwa in der einleitend genannten EP 2 708 914 A1 ist das um einen Faktor schneller, welcher der Anzahl Messpunkte in Zeilenrichtung entspricht. Es ist auch denkbar, die Richtungen quer zu der Zeilenanordnung nicht insgesamt, sondern individuell oder gruppenweise zu verändern. So passt sich die Zeile einer Kontur an, die beispielsweise eine Kante oder allgemein einer ROI entspricht.
Vorzugsweise ist auch in der anderen Richtung längs der Zeilenanordnung eine Richtungsänderung möglich. Damit kann eine kürzere Zeilenanordnung effektiv scannend verlängert werden, die nicht das volle Sichtfeld in Zeilenrichtung abdeckt. Außerdem ist es möglich, nach dem Gedanken der Superresolution die Auflösung in Zeilenrichtung zu erhöhen, indem Zwischenpositionen angefahren werden.
Dem Lichtsender ist bevorzugt ein Mustererzeugungselement zugeordnet, insbesondere ein DOE (diffraktives optisches Element), um aus einem in das Mustererzeugungselement einfallenden Lichtstrahl mehrere Sendelichtstrahlen zu erzeugen. Dadurch wird ein Sendelichtstrahl aufgesplittet oder vervielfacht. Die entstehenden Teilsendelichtstrahlen sind dann zwangsläufig mit derselben Pulsfolge codiert. Sie können aber durch das Mustererzeugungselement relativ weit voneinander beabstandet werden, um sich gegenseitig nicht oder nur wenig zu stören. Verwendet man einen Lichtsender mit mehreren Lichtquellen, so lassen sich ineinander geschachtelte Muster erzeugen, die auch dichter werden, in denen aber Messpunkte mit gleichen Pulscodierungen einen recht großen Abstand zueinander behalten.
Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, jeweils nur diejenigen Lichtempfangselemente zu aktivieren oder auszulesen, welche die von den Sendelichtstrahlen beleuchteten Messpunkte beobachten. Dadurch werden keine Empfangssignale von Lichtempfangselementen erzeugt oder ausgewertet, die zum Nutzsignal nicht beitragen können. Bei einer SPAD-Matrix als Lichtempfänger können SPADs dadurch inaktiv geschaltet werden, dass die Vorspannung unter die Durchbruchspannung abgesenkt wird. Sie verlieren dann um mehrere Größenordnungen an Empfindlichkeit und können deshalb als ausgeschaltet angesehen werden. Das Inaktivschalten hat auch den Vorteil, dass keine unnötigen Lawinen ausgelöst werden, die nur Stromaufnahme und Wärmeentwicklung beitragen. Es ist aber auch unabhängig von der Technik möglich, die nicht benötigten Lichtempfangselemente aktiv zu lassen und lediglich deren Empfangssignal nicht auszulesen oder in der Auswertung nicht zu beachten. Statt auf Ebene des Lichtempfängers kann auch zuvor optisch dafür gesorgt werden, dass die nicht benötigten Lichtempfangselemente kein Licht empfangen, etwa mit einem elektro-optischen Shutter. Dunkelrauschen wird so aber nicht eliminiert, und gerade bei SPADs kann dies einen erheblichen Anteil haben.
Der Sensor ist bevorzugt als Laserscanner ausgebildet und weist eine drehbare Ablenkeinheit zur periodischen Abtastung des Überwachungsbereichs auf. Die drehbare Ablenkeinheit ist ein Drehspiegel, insbesondere Polygonspiegelrad, zur periodischen Strahlablenkung bei stationär angeordnetem Lichtsender und Lichtempfänger, oder alternativ eine mitdrehende Ablenkeinheit mit Lichtsender und Lichtempfänger. Im Gegensatz zu den einleitend genannten bekannten Laserscannern ist ein erfindungsgemäßer Laserscanner ein Mehrstrahlscanner, dessen mehrere Sendelichtstrahlen mit Pulsfolgen codiert sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:

1 eine schematische Darstellung eines entfernungsmessenden optoelektronischen Sensors mit Matrixanordnungen von Lichtquellen und Lichtempfangselementen;
2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Sensors mit variabel ausrichtbaren Lichtsendern;
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Sensors mit einer Linearanordnung von Lichtsendern und Ablenkung senkrecht zu der Linearanordnung;
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Sensors mit Vervielfältigung der beleuchteten Messpunkte mittels DOE; und
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Sensors als Laserscanner.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines entfernungsmessenden optoelektronischen Sensors 10. Mit einem Lichtsender 12 wird moduliertes Sendelicht durch eine Sendeoptik 14 in einen Überwachungsbereich 16 ausgesandt. Der Lichtsender 12 ist in der Lage, das Sendelicht in mehreren Sendelichtstrahlen 18 zu bündeln. Damit kann die verfügbare Lichtleistung auf die tatsächlichen Messpunkte konzentriert werden, was im Gegensatz zu einer einfachen Flächenbeleuchtung das Signal-RauschVerhältnis erheblich verbessert. Als Lichtsender 12 wird hier ein Array mit einer Vielzahl von einzeln oder gruppenweise ansteuerbaren Einzellichtsendern verwendet, beispielsweise ein VCSEL-Array. Weitere geeignete Lichtsender 12 sind eine Mehrfachanordnung anderer Lichtquellen, wie LEDs oder Kantenemitter-Laserdioden, oder ein optisches Phased Array, und weitere Ausführungsbeispiele werden später unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 erläutert.
Der Lichtsender 12 moduliert die Sendelichtstrahlen 18 jeweils mit einer Pulsfolge. Sofern nicht in allen Sendelichtstrahlen 18 dieselbe Pulsfolge verwendet werden soll, ist dazu erforderlich, die Einzellichtsender nicht nur individuell oder gruppenweise an- und ausschalten, sondern auch mit unterschiedlichen Modulationen ansteuern zu können. Die Sendelichtstrahlen 18 sind dann anhand ihrer Pulsfolgen unterscheidbar, und es kann damit gleichzeitig in mehreren Messpunkten gemessen werden. Dabei bedeutet gleichzeitig nicht, dass die Messungen völlig synchron verlaufen müssen, sie dürfen aber zeitlich miteinander überlappen.
Als Pulsfolgen werden vorzugsweise Binärcodes gesendet, deren Einsen den Pulsen entsprechen. Die Pulsfolgen der verschiedenen Sendelichtstrahlen 18 können Pseudozufallscodes sein. Sie sind untereinander möglichst unkorreliert oder sogar quasiorthogonal zueinander, wie beispielsweise m-Sequenzen, Barker Codes, Goldcodes, Kasami-Sequenzen oder Hadamar-Walsh-Sequenzen. Es ist auch möglich, die Pulsfolgen zunächst zeitlich zu stauchen und dann zu strecken und/oder Pulsfolgen mit überwiegend Nullen zu verwenden, wie in den einleitend genannten EP 2 626 722 B1 und EP 2 730 942 B1 beschrieben. Geht man als Zahlenbeispiel von typischen Pulsbreiten von 250 ps oder weniger aus, so können über einen Zeitraum von 20 µs insgesamt 80.000 Zeitschlitze genutzt werden.
Treffen die Sendelichtstrahlen 18 nun in dem Überwachungsbereich 16 auf Objekte, so werden sie als remittierte Sendelichtstrahlen 20 zu dem Sensor 10 zurückgeworfen. Die remittierten Sendelichtstrahlen 20 gelangen durch eine Empfangsoptik 22 auf einen Lichtempfänger 24. Die Empfangsoptik 22 ist wie schon die Sendeoptik 14 nur durch eine einfache Linse repräsentiert, die stellvertretend für beliebige Optiken mit mehrlinsigen Objektiven, Blenden und sonstige optische Elemente steht. Auch eine reflexive oder diffraktive Optik ist vorstellbar. Auch der optische Grundaufbau mit biaxial nebeneinanderliegendem Lichtsender 12 und Lichtempfänger 24 ist nicht zwingend und durch jede an sich von einstrahligen optoelektronischen Sensoren bekannte Bauform ersetzbar. Ein Beispiel dafür ist eine koaxiale Anordnung mit oder ohne Strahlteiler.
Der Lichtempfänger 24 weist eine Vielzahl von Lichtempfangselementen auf und ist hier als SPAD-Array ausgebildet. SPADs sind hochempfindlich und hoch integrierbar, und sie bieten die Möglichkeit, durch Absenken der Vorspannung unter die Durchbruchspannung praktisch inaktiv zu werden. Dadurch können jeweils nur solche SPADs aktiv geschaltet werden, die den gewünschten Messpunkten und damit den erwarteten Auftrefforten der remittierten Sendelichtstrahlen 20 entsprechen. Alternativ zu einem SPAD-Array ist eine Mehrfachanordnung von Photodioden oder APDs oder ein anderer Matrixempfänger beispielsweise in CCD- oder CMOS-Technik denkbar, bei dem dann gegebenenfalls nur bestimmte Pixel oder Pixelgruppen entsprechend gewünschten Messpunkten ausgelesen werden. Diese vorteilhafte Einschränkung des Gesichtsfeldes jeweils auf die gerade angeleuchteten Messpunkte verringert die Verlustleistung und erhöht die Fremdlichtfestigkeit. Alternativ kann das Gesichtsfeld auch optisch begrenzt werden, um nicht beleuchtete Bereiche abzudunkeln, beispielsweise mit einem elektro-optischen Shutter.
Eine Steuer- und Auswertungseinheit 26 ist mit dem Lichtsender 12 und dem Lichtempfänger 24 verbunden. Damit werden jeweils gewünschte Einzellichtsender oder VCSEL aktiviert und moduliert, um die mit Pulsfolgen modulierten Sendelichtstrahlen 18 zu erzeugen. Die Empfangssignale vorzugsweise nur der tatsächlich von remittierten Sendelichtstrahlen 20 beleuchteten Lichtempfangselementen oder SPADs werden ausgewertet, um eine Lichtlaufzeit zu den Messpunkten der angetasteten Objekte in dem Überwachungsbereich und daraus deren Abstand zu bestimmen. Für die Lichtlautzeitmessung wird beispielsweise jedes der Empfangssignale mit Pulsfolge korreliert, die für die Modulation des zugehörigen Sendelichtstrahls 18 verwendet wurde. In dem so erhaltenen Korrelationssignal bestimmt die Auswertungseinheit 26 dann die Lage des Korrelationsmaximums und daraus einen Empfangszeitpunkt. Zumindest Teile der Steuer- und Auswertungseinheit 26 können mit dem Lichtsender 12 beziehungsweise dem Lichtempfänger 24 auf einem gemeinsamen Baustein integriert werden, etwa eine Signalerzeugung für die Modulation der Sendelichtstrahlen 18 oder pixelbezogene Auswertungen und Korrelationen des Empfangssignals.
Aufgrund der Pulscodierung ist eine simultane Messung mit mehreren Sendelichtstrahlen 18 möglich, die sowohl bezüglich gegenseitiger Lichteinstreuungen als auch Fremdlicht besonders robust ist. So werden die Vorteile eines Laserscanners und einer 3D-Kamera kombiniert: Die Abstandswerte werden an mehreren Messpunkten erfasst, und zwar zugleich deutlich schneller als bei sequentieller Erfassung mit nur einem Sendelichtstrahl und dennoch mit Konzentration des Messlichts auf einen Messpunkt, anders als bei flächiger Beleuchtung und Aufnahme.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Sensors 10. Bei der Ausführungsform nach 1 ist als Lichtsender 12 eine Matrixanordnung von Einzellichtsendern vorgesehen, und die Ausrichtung der Sendelichtstrahlen 18 erfolgt dort durch Auswahl bestimmter aktivierter Einzellichtsender. Im Gegensatz dazu weist der Lichtsender 12 gemäß 2 mehrere, hier beispielhaft drei variabel ausrichtbare Einzellichtsender 12a-c auf. Dadurch können die Sendelichtstrahlen 18a-c auf bestimmte variable Messpunkte 28a-c ausgerichtet werden. Erneut werden vorzugsweise Lichtempfangselemente des Lichtempfängers 24 nur dort aktiviert oder ausgelesen, wo die remittierten Lichtstrahlen 20a-c bei der aktuellen Ausrichtung der Sendelichtstrahlen 18a-c erwartet werden.
Die Ablenkung der Sendelichtstrahlen 18a-c ist in 2 nur schematisch durch Verstelleinheiten 30a-c dargestellt. Es gibt dafür verschiedenste Umsetzungsmöglichkeiten, wie eine Piezo-Aktorik, welche die laterale Position der Sendeoptik 14a-c oder, da es auf die relative Lage dazwischen ankommt, der Einzellichtsender 12a-c verändert. Weitere Beispiele sind zusätzliche optische Elemente wie MEMS-Spiegel, Drehspiegel, Drehprisma oder ein akusto-optischer Modulator. Eine bevorzugte Ausführungsform verwendet eine Flüssiglinse als Sendeoptik 14a-c, in der die Grenzschicht zwischen zwei nicht mischbaren Medien durch Ansteuerung einer Elektrodenanordnung verkippt werden kann.
Jedenfalls kann mit Hilfe der Verstelleinheiten 30a-c der zugehörige Messpunkt 28a-c lateral oder in XY-Richtung senkrecht zu der Z-Richtung, in welche der Sensor 10 Entfernungen misst, verschoben werden. Das eröffnet eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Ein Flächenscan, bei dem die Messpunkte 28a-c systematisch gemeinsam den gesamten Überwachungsbereich 16 abtasten, ist um einen Faktor entsprechend der Anzahl Einzellichtsender 12a-c schneller als ein herkömmliches System beispielsweise gemäß der einleitend genannten EP 2 708 914 A1 . Es ist aber auch denkbar, gezielt eine oder mehrere ROls anzusteuern. Dabei kann insbesondere mit Messzeit verlängert werden, um durch Mittelung oder andere statistische Verfahren die Entfernungsmessung zu verbessern, oder der nun kleinere Bereich wird mit einem feineren Raster abgetastet, um die laterale Ortsauflösung zu erhöhen.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Sensors 10, in welcher der Lichtsender 12 eine Linearanordnung von q Einzellichtsendern 12₁ -12_q aufweist, die vorzugsweise q zueinander orthogonale Pulsfolgen aussenden. Eine kollimierende jeweilige Sendeoptik 14_i...q ist vereinfachend nicht gezeigt. Es ist nur der Sendepfad dargestellt, als Lichtempfänger 24 kommt beispielsweise wiederum eine SPAD-Matrix in Betracht.
Damit kann bereits der gesamte vertikale Sichtbereich abgedeckt werden. In einer möglichen Ausführungsform geht es nur um die Beobachtung eines derartigen langgestreckten Bereiches. Vorzugsweise ist aber wie dargestellt eine Verstelleinheit 30 vorgesehen, um die vertikale abgebildete Linie über einen horizontalen Winkel abzulenken und so einen Flächenscan zu ermöglichen. Die Begriffe vertikal und horizontal sind hier natürlich austauschbar. Als Verstelleinheit 30 ist hier ein MEMS-Spiegel vorgesehen, aber die zu 2 vorgestellten Alternativen wie Piezoaktoren an Einzellichtsender 12_1...q oder Sendeoptik 14_1..q , Flüssiglinsen und dergleichen sind ebenfalls denkbar. Insbesondere können die Einzellichtsender 12_1..q jeweils VCSEL-Zeilen oder eine gemeinsame VCSEL-Matrix mit separater Modulationsmöglichkeit der VCSEL-Spalten sein. Dann wandert der Quellpunkt der Sendelichtstrahlen 18_1..q horizontal, und zwar gemeinsam für einen Flächenscan und/oder individuell, um der simultan vermessenden Zeile eine Krümmung zu geben.
Es ist auch denkbar, mit der Verstelleinheit 39 eine Bewegung in vertikaler Richtung zu erzeugen, um das vertikale Sichtfeld scannend zu vergrößern und/oder die vertikale Ortsauflösung zu verfeinern. Für eine verbesserte Ortsauflösung werden die vertikalen Zwischenräume zwischen den Einzellichtsender 12_1...q angefahren und damit ein- oder mehrfach verkleinert.
Wenn vorzugsweise die Pulsfolgen überwiegend Nullen aufweisen wie in EP 2 730 942 B1 erläutert, sind selten oder nie zwei Einzellichtsender 12_1...q zum selben Zeitpunkt aktiv. Sie senden zwar simultan Pulsfolgen aus, aber es kommt praktisch kaum vor, dass sie dabei auch zugleich zu einem betrachteten Zeitpunkt eine Eins, also einen Puls aussenden. Dadurch kann die Versorgung sehr einfach ausfallen, es muss keine Bestromung für viele oder gar alle Einzellichtsender 12_1...q verfügbar sein.
Für Sendelichtstrahlen 18 und damit Messpunkte 28, die weit genug auseinanderliegen, ist ein Übersprechen nicht mehr zu erwarten. Sofern also garantiert werden kann, dass auf dem Lichtempfänger 24 die räumliche Trennung gewahrt bleibt, dürfen sich Pulsfolgen auch wiederholen, d.h. mehrere Einzellichtsender 12_1..q verwenden unter der genannten Bedingung dieselbe Pulsfolge. Damit kann bei gleichbleibender Codelänge die Anzahl der simultan betriebenen Einzellichtsender 12_1..q noch weiter erhöht werden.
Auch in der Ausführungsform nach 3 ist es sinnvoll, den aktiven Empfangsbereich auf dem Lichtempfänger 24 auf die aktuell beleuchteten Messpunkte 28 durch gezieltes Aktivschalten oder Auslesen nur bestimmter Lichtempfangselemente zu begrenzen, oder alternativ durch optische Begrenzung wie mit einem elektronischen Shutter. Hier wäre der jeweils aktive Empfangsbereich vorzugsweise der jeweilige zeilenförmige Abschnitt entsprechend der aktuellen Lage der Linearanordnung von Einzellichtsendern 12_1...q .
4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Sensors 10. Statt einer Verstelleinheit 30 ist den hier beispielhaft zwei Einzellichtsendern 12a-b jeweils ein Mustererzeugungselement 32a-b zugeordnet, insbesondere ein DOE. Die Mustererzeugungselemente 32a-b können auch in einem gemeinsamen Mustererzeugungselement kombiniert werden.
Das Mustererzeugungselement 32a-b vervielfältigt den jeweiligen einfallenden Lichtstrahl des Einzellichtsenders 12a-b und erzeugt so mehrere Sendelichtstrahlen 18a_1..3 , 18b_1..3 . Die zugehörigen remittierten Empfangslichtstrahlen 20 sind der Übersicht halber nicht eingezeichnet.
Die entsprechenden Messpunkte 28a_1..3 , 28b_1..3 desselben Einzellichtsenders 12a-b liegen weit genug auseinander, um die oben erläuterte Bedingung der ausreichenden räumlichen Trennung zu erfüllen. Obwohl also die Sendelichtstrahlen 18a_1..3 , 18b_1..3 desselben Einzellichtsenders 12a-b auch mit derselben Pulsfolge codiert sind, ist eine gegenseitige Störung durch die Anordnung beziehungsweise das Design der Mustererzeugungselemente 32a-b gewährleistet. Für Messpunkte 28a_1..3 , 28b_1..3 verschiedener Einzellichtsender 12a-b ist eine dichte Nachbarschaft möglich, da sich hier die Pulsfolgen unterscheiden. Somit ist die Nachbarschaftsbedingung keine ernsthafte praktische Einschränkung, da sie durch ineinander verschränkte Beleuchtungsmuster nahezu aufgehoben werden kann.
Es ist denkbar, zusätzlich eine Verstelleinheit 30 wie in der Ausführungsform gemäß 2 vorzusehen, um mit dem Muster der Messpunkte 28a_1..3 , 28b_1..3 eine Scanbewegung durchzuführen, insbesondere in einer Ausführungsform mit nur einem Einzellichtsender 12a und einem Mustererzeugungselement 32a.
5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen optoelektronischen Sensor 10 in einer weiteren Ausführungsform als mehrstrahliger Laserscanner. Der Sensor 10 umfasst in grober Aufteilung eine bewegliche Ablenkeinheit 34 und eine Sockeleinheit 36. Die Ablenkeinheit 34 ist der optische Messkopf, während in der Sockeleinheit 36 weitere Elemente wie eine Versorgung, Auswertungselektronik, Anschlüsse und dergleichen untergebracht sind. Im Betrieb wird mit Hilfe eines Antriebs 38 der Sockeleinheit 36 die Ablenkeinheit 34 in eine Drehbewegung um eine Drehachse 40 versetzt, um so einen Überwachungsbereich 16 periodisch abzutasten.
Die Ablenkeinheit 34 weist mindestens ein Abtastmodul auf, das in dieser Ausführungsform als vierstrahliges System mit vier Einzellichtsendern und vier Lichtempfangselementen ausgebildet ist. Dementsprechend werden hier vier pulscodierte Sendelichtstrahlen 18 erzeugt. Dieser Aufbau des Abtastmoduls ist rein beispielhaft, im Prinzip können alle zu den 1 bis 4 vorgestellten Sensoren 10 als mitdrehendes System ein Abtastmodul bilden oder mehrfach als mehrere Abtastmodule vorgesehen werden. Dadurch werden verschiedenste Strahlanordnungen und teilweise auch Überlagerungen von Scanbewegungen möglich, mit denen Messpunkte 28 in dem Überwachungsbereich 16 erfasst beziehungsweise gescannt werden.
Lichtsender 12 und Lichtempfänger 24 ist in dieser Ausführungsform gemeinsam auf einer Leiterkarte 42 angeordnet, die auf der Drehachse 40 liegt und mit der Welle des Antriebs 38 verbunden ist. Dies ist nur beispielhaft zu verstehen, es sind praktisch beliebige Anzahlen und Anordnungen von Leiterkarten denkbar.
Eine berührungslose Versorgungs- und Datenschnittstelle 44 verbindet die bewegliche Ablenkeinheit 34 mit der ruhenden Sockeleinheit 36. Dort befindet sich die Steuer- und Auswertungseinheit 26, die zumindest teilweise auch auf der Leiterkarte 42 oder an anderem Ort in der Ablenkeinheit 34 untergebracht sein kann. Die Steuer- und Auswertungseinheit 40 steuert neben den schon erläuterten Funktionen auch den Antrieb 38 und erhält das Signal einer nicht gezeigten, von Laserscannern allgemein bekannten Winkelmesseinheit, welche die jeweilige Winkelstellung der Ablenkeinheit 34 bestimmt.
Damit wird während eines Umlaufs mit jedem Sendelichtstrahl 18 eine Ebene abgetastet, wobei Messpunkte 28 in Polarkoordinaten aus der Winkelstellung der Abstasteinheit 34 und dem mittels Lichtlaufzeit gemessen Abstand erzeugt werden. Genaugenommen wird nur bei einem Elevationswinkel von 0°, also einem in 5 nicht vorhandenen horizontalen Sendelichtstrahl 18, tatsächlich eine Ebene abgetastet. Andere Sendelichtstrahlen 18 mit endlicher Elevation tasten jeweils die Mantelfläche eines Kegels ab, der je nach Elevationswinkel unterschiedlich spitz ausgebildet ist. Bei mehreren Sendelichtstrahlen 18, die in unterschiedlichen Winkeln nach oben und unten abgelenkt werden, entsteht insgesamt als Abtastgebilde eine Art Schachtelung von mehreren Sanduhren. Durch weitere Bewegung der Sendelichtstrahlen 18 wie in einer der zu 1 bis 4 vorgestellten Ausführungsformen oder eine Elevationsbewegung der Ablenkeinheit 34 wird das Abtastgebilde noch komplexer und kann so für eine in Ausdehnung und lokaler Abtastdichte gewünschte Erfassung des räumlichen Überwachungsbereichs 16 angepasst werden. In jedem Fall ist die Erfassung durch die dank der Pulscodierung ermöglichte simultane Abtastung mit mehreren Sendelichtstrahlen 18 gegenüber herkömmlichen Laserscannern deutlich schneller.
Der dargestellte Sensor 10 ist ein Laserscanner mit rotierendem Messkopf, nämlich der Ablenkeinheit 34. Alternativ ist auch eine periodische Ablenkung mittels Drehspiegel oder einem Facettenspiegelrad denkbar. Eine weitere alternative Ausführungsform schwenkt die Ablenkeinheit 34 hin und her, entweder anstelle der Drehbewegung oder zusätzlich um eine zweite Achse senkrecht zur Drehbewegung, um auch in Elevation eine Abtastbewegung zu erzeugen. Derartige Bewegungen werden aber vorzugsweise stattdessen mit einem der zu 1 bis 4 vorgestellten Prinzipien erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19757849 B4 [0005]
EP 2708914 A1 [0007, 0021, 0037]
EP 2012144 B1 [0008]
EP 2103962 B1 [0008]
EP 2626722 B1 [0009, 0017, 0030]
EP 2730942 B1 [0010, 0017, 0030, 0041]

Claims

Optoelektronischer Sensor (10) zur Erfassung und Abstandsbestimmung von Objekten in einem Überwachungsbereich (16), der einen Lichtsender (12) zum Aussenden eines Sendelichtstrahls (18) mit einer aufmodulierten Pulsfolgencodierung, einen Lichtempfänger (24) zum Erzeugen eines Empfangssignals aus dem von Objekten in dem Überwachungsbereich (16) remittierten Sendelichtstrahl (20) sowie eine Steuer- und Auswertungseinheit (26) aufweist, die dafür ausgebildet ist, anhand des Empfangssignals und der zugehörigen Pulsfolgencodierung eine Lichtlaufzeit und daraus einen Abstandswert zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender (12) dafür ausgebildet ist, simultan mehrere Sendelichtstrahlen (18) mit einer aufmodulierten Pulsfolgencodierung zur Abtastung mehrerer Messpunkte (28) auszusenden und der Lichtempfänger (24) eine Vielzahl von Lichtempfangselementen zum Erzeugen mehrerer Empfangssignale aus mehreren remittierten Sendelichtstrahlen (20) aufweist.
Sensor (10) nach Anspruch 1, wobei die den mehreren Sendelichtstrahlen (18) aufmodulierten Pulsfolgen untereinander unterschiedlich, insbesondere orthogonal zueinander sind.
Sensor (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Lichtsender (12) dafür ausgebildet ist, mindestens einen Sendelichtstrahl (18) in veränderte Richtungen auszusenden, so dass der von dem Sendelichtstrahl (18) ausgeleuchtete Messpunkt (28) im Überwachungsbereich (16) von einem anderen Lichtempfangselement beobachtet wird.
Sensor (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Lichtsender (12) eine Zeilenanordnung von Lichtquellen (12_1..q) aufweist.
Sensor (10) nach Anspruch 4, wobei der Lichtsender (12) dafür ausgebildet ist, die Sendelichtstrahlen (18) quer zu der Zeilenanordnung in veränderte Richtungen auszusenden.
Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Lichtsender (12) ein Mustererzeugungselement (32) zugeordnet ist, um aus einem in das Mustererzeugungselement (32) einfallenden Lichtstrahl mehrere Sendelichtstrahlen (18a_1..3, 18b_1..3) zu erzeugen.
Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuer- und Auswertungseinheit (26) dafür ausgebildet ist, jeweils nur diejenigen Lichtempfangselemente zu aktivieren oder auszulesen, welche die von den Sendelichtstrahlen (18) beleuchteten Messpunkte (28) beobachten.
Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der als Laserscanner ausgebildet ist und eine drehbare Ablenkeinheit (34) zur periodischen Abtastung des Überwachungsbereichs (16) aufweist.
Verfahren zur Erfassung und Abstandsbestimmung von Objekten in einem Überwachungsbereich (16), bei dem ein Sendelichtstrahl (18) mit einer aufmodulierten Pulsfolgencodierung ausgesandt, aus dem von Objekten in dem Überwachungsbereich (16) remittierten Sendelichtstrahl (20) in einem Lichtempfänger (24) ein Empfangssignal erzeugt und unter Einbeziehen der zugehörigen Pulsfolgencodierung ausgewertet wird, um eine Lichtlaufzeit und daraus einen Abstandswert zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass simultan mehrere Sendelichtstrahlen (18) mit einer aufmodulierten Pulsfolgencodierung zur Abtastung mehrerer Messpunkte (28) ausgesandt werden, aus den remittierten Sendelichtstrahlen (20) in verschiedenen Lichtempfangselementen desselben Lichtempfängers (24) mehrere Empfangssignale erzeugt und diese jeweils mit der zugehörigen Pulsfolgencodierung korreliert werden, um jeweilige Abstandswerte zu den mehreren Messpunkten (28) zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Richtung mindestens eines Sendelichtstrahls (18) verändert wird, um einen anderen Messpunkt (28) zu beleuchten und den zugehörigen remittierten Sendelichtstrahl (20) in einem anderen Lichtempfangselement zu empfangen.