DE10220037A1

DE10220037A1 - Vorrichtung zum Detektieren von Objekten

Info

Publication number: DE10220037A1
Application number: DE2002120037
Authority: DE
Inventors: Gerhard Merettig; Siegfried Ringwald
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2002-05-04
Filing date: 2002-05-04
Publication date: 2003-11-20
Anticipated expiration: 2022-05-05
Also published as: DE10220037B4; DE10220037C5

Abstract

Eine Vorrichtung zum Detektieren von Objekten in Form eines Triangulationssensors weist zu der Haupt-Empfangslinse 1 eine zusätzliche Linse 2 auf, welche die Strahlen aus den empfängernahen Bereichen hin zum Empfänger 5 bricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Detektieren von Objekten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Vorrichtungen zur Objekterkennung werden auch als Triangulationssensoren oder Reflexionslichttaster bezeichnet. Das verwendete Licht kann dabei jede Art von Licht sein, also Licht im sichtbaren Bereich, aber auch Licht im Infrarotbereich oder im ultravioletten Bereich.

Das Grundprinzip bei einem derartigen Triangulationssensor besteht darin, dass ein Sender Licht, insbesondere Pulslicht aussendet, welches über eine Linse auf das zu detektierende Objekt fokussiert wird. Das Licht wird von dem Objekt remittiert. Ein Teil des Lichts trifft über eine Empfangslinse auf ein lichtempfindliches Element. Dieses kann aus einer oder mehreren Fotodioden in einer Reihenanordnung oder einem PSD bestehen.

Der Nachteil der Triangulation ist, dass eine Änderung der Entfernung zum Fernbereich auf dem Empfängerelement eine kleine Wegänderung erzeugt, während die gleiche Änderung hin zum Nahbereich eine große Wegänderung auf dem Empfängerelement bewirkt. Objekte, die sich noch näher beim Sensor befinden, werden nur noch teilweise oder gar nicht mehr auf dem Empfängerelement abgebildet. Aus diesem Grunde gibt es für den Nahbereich Ausgleichseinrichtungen für das im empfängernahen Bereich von dem Objekt reflektierten Licht, beispielsweise ein zusätzliches Spiegelelement, welches die reflektierten Strahlen im Nahbereich auf das Empfängerelement reflektiert (DE 41 25 479 C2). Allerdings sind diese Spiegelelemente für den Nahbereichsausgleich nicht optimal.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Detektieren von Objekten der eingangs angegebenen Art mit einem verbesserten Ausgleich für das im empfängernahen Bereich von dem Objekt reflektierten Licht zu schaffen.

Die technische Lösung ist gekennzeichnet durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1.

Dadurch ist eine Vorrichtung zum Detektieren von Objekten mit einem verbesserten Ausgleich für das im empfängernahen Bereich von dem Objekt reflektierten Licht geschaffen. Die Grundidee besteht in der speziellen Verwendung und Ausbildung/Formgebung der dem Empfängerelement vorgeschalteten Linse, welche den Empfangsstrahl dergestalt abstandsabhängig umlenkt, dass - je näher sich das Objekt beim Sender/Empfänger befindet - die Lichtstrahlen um so stärker gebrochen werden, so dass die ansonsten nicht mehr auf das Empfängerelement auftreffenden Lichtstrahlen doch noch auf das Empfängerelement auftreffen und detektiert werden können. Durch eine entsprechende Formgebung der Linse kann vorbestimmt werden, wie die Brechung in Abhängigkeit der Objektentfernung konkret erfolgt. Die Linse kann dabei einstückig ausgebildet sein. Sie kann aber auch aus mehreren Teilstücken bestehen.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 2 definiert ein spezielles Brechungsverhalten für im empfängerfernen Bereich reflektiertes Licht.

Eine erste technische Realisierung der Linse schlägt Anspruch 3 vor. Bei der Linse handelt es sich demgemäß um einen im wesentlichen langgestreckten Körper, wobei diese Längserstreckung sich im wesentlichen parallel zur optischen Achse des Senders erstreckt. Mit dieser Art von Linse ist eine abstandsabhängige Umlenkung des Empfangsstrahls möglich.

Eine konkrete geometrische Ausbildung dieser Linse schlägt Anspruch 4 vor. Die Grundidee besteht im wesentlichen darin, dass die Linse von drei brechenden Flächen begrenzt ist, nämlich eine erste Fläche, auf die sowohl die Strahlen aus dem Nahbereich als auch die Strahlen aus dem Fernbereich auftreten, sowie eine zweite und eine dritte Fläche für den Austritt des Lichts entweder aus dem Fernbereich oder aus dem Nahbereich.

Gefordert ist, dass die Kombination der ersten Fläche mit der zweiten Fläche sowie die Kombination der ersten Fläche mit der dritten Fläche eine Sammellinse definiert. Vom Grundsatz her könnte es sich bei diesen Flächenkombinationen auch um eine Konvex/Konkav-Kombination handeln. Gemäß der Weiterbildung in Anspruch 5 sind die drei Flächen jedoch jeweils vorzugsweise konvex gekrümmt.

Um einen stetigen Übergang zwischen dem Fernbereich und dem Nahbereich zu schaffen, schlägt die Weiterbildung gemäß Anspruch 6 vor, dass die zweite Fläche und die dritte Fläche stetig ineinander übergehen. Die Umfangskontur der Linse macht somit in diesem Übergangsbereich keinen Sprung.

Eine zweite technische Realisierung der Linse schlägt Anspruch 7 vor. Auch mit dieser Ausbildung der Linse ist eine abstandsabhängige Umlenkung des Empfangsstrahls möglich. Mit dieser Ausbildung der Linse lässt sich gleichzeitig für die Strahlen aus dem Fernbereich eine schnelle Wegänderung und für die Strahlen aus dem Nahbereich eine langsamere Wegänderung auf dem Empfängerelement realisieren.

Eine konkrete technische Ausbildung dieser Linse schlägt Anspruch 8 vor. Die Grundidee besteht darin, dass durch die konvexe Krümmung in der Art eines Buckels die eintreffenden Lichtstrahlen aus dem Nahbereich hin zum Empfängerelement umgelenkt werden, welche normalerweise, also ohne die Linse, nicht auf das Empfängerelement auftreffen würden.

Gemäß der Weiterbildung in Anspruch 9 kann die Linse direkt auf dem Empfängerelement angeordnet sein. Sie kann aber auch in einer beliebigen Ebene parallel zum Empfängerelement angeordnet sein.

Grundsätzlich ist es denkbar, die vorbeschriebene Linse ohne Haupt-Empfangslinse zu verwenden. Die Weiterbildung gemäß Anspruch 10 schlägt jedoch die Kombination der erfindungsgemäßen Linse mit einer herkömmlichen Haupt-Empfangslinse vor, bei der es sich beispielsweise um eine sphärische Linse handeln kann. Die erfindungsgemäße Linse stellt somit zu der Haupt-Empfangslinse eine Zusatz-Linse bzw. Zusatzeinrichtung dar. Die Grundidee besteht darin, dass eine Überlagerung des Lichts aus der Haupt-Empfangslinse mit dem Licht aus der Zusatz-Linse stattfindet, wobei diese Überlagerung davon abhängt, ob das Licht von einem Objekt im Nahbereich oder im Fernbereich stammt.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 11 schlägt eine konkrete technische Anordnung der Zusatz-Linse auf der Kante, d. h. im wesentlichen in der Ebene der Haupt-Empfangslinse vor, so dass es sich hier um eine erweiterte Haupt-Empfangslinse handelt. Die Grundidee besteht darin, dass ein Teil des Empfangslichtes dafür verwendet wird, dass dieses über die Zusatz-Linse so umgelenkt wird, dass das Licht des Fernbereichs eine ähnliche Wegänderung erfährt wie das Licht aus dem Nahbereich.

Bei der Verwendung einer Zusatz-Linse der zweiten Variante schlägt die Weiterbildung gemäß Anspruch 12 eine Weiterbildung vor. Im Gegensatz zur ersten Variante ist die Zusatz- Linse zwischen der Empfängerlinse und dem Empfangselement angeordnet. Diese Zusatz- Linse kann dabei in beliebiger Ebene zwischen der Haupt-Empfangslinse und dem Empfängerelement angebracht sein.

Zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Detektieren von Objekten werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäß erweiterten Empfangslinse;
Fig. 2 basierend auf der erweiterten Empfangslinse gemäß Fig. 1 der erfindungsgemäße Triangulationssensor;
Fig. 3 beispielhafte Darstellungen des Strahlengangs durch die optische Zusatzanordnung;
Fig. 4a die Spotpositionen sowie Spotdurchmesser einerseits der Haupt-Empfangslinse und andererseits der optischen Zusatzeinrichtung bei unterschiedlichen Objektabständen;
Fig. 4b ein zu Fig. 4a zugehöriges Schaubild;
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform der abstandsabhängigen Strahlumlenkung.
In den Fig. 1 bis 4 ist eine erste Ausführungsform und in Fig. 5 eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zum Detektieren von Objekten dargestellt.
Bei der ersten Ausführungsform ist eine - übliche - Haupt-Empfangslinse 1 vorgesehen. Diese kann eine sphärische Form aufweisen. Dieser Haupt-Empfangslinse 1 ist eine zusätzliche Linse 2 zugeordnet, wie sie im Detail, insbesondere mit dem Strahlenverlauf in Fig. 3 näher dargestellt ist.
Die Haupt-Empfangslinse 1 sowie die Linse 2 sind Bestandteile eines Triangulationssensors, wie er in seiner Gesamtheit in Fig. 2 dargestellt ist. Dieser Triangulationssensor weist zunächst einen Sender 3 auf, dem eine Senderlinse 4 nachgeordnet ist. Weiterhin ist ein Empfänger 5 aus einer oder mehreren Fotodioden (in einer Array-Anordnung) oder einem PSD vorgesehen. Diesem Empfänger vorgeschaltet ist die in Fig. 1 dargestellte Haupt- Empfangslinse 1 mit der Linse 2.
Die Funktionsweise ist wie folgt:
Der Sender 3 sendet ein Pulslicht aus, welches über die Senderlinse 4 auf ein Objekt 6 fokussiert wird. Dieses Objekt 6 ist in Fig. 2 nur rein schematisch angedeutet. Es kann an jeder beliebigen Stelle auf der optischen Achse des Senders 3 angeordnet sein. Das Licht wird von dem Objekt 6 remittiert. Ein Teil des Lichts trifft über die Haupt-Empfangslinse 1 und/oder die Linse 2 auf den Empfänger 5. Bei der Darstellung in Fig. 2 sind dabei die Empfangsstrahlen von verschiedenen Positionen des Objektes 6 dargestellt, wobei bei diesen Empfangsstrahlen nur der Mittelpunktstrahl gezeichnet ist. Eine weitere Unterteilung der Empfangsstrahlen ist dergestalt gekennzeichnet, dass die Strahlen durch die Haupt- Empfangslinse 1 gestrichelt und die Strahlen durch die zusätzliche Linse 2 als Volllinie gezeichnet sind.
Fig. 4a und 4b zeigen die Auswirkungen dieser Linsenkombination 1, 2: Die Haupt- Empfangslinse 1 bildet den Lichtspot aus dem Fernbereich mit einem minimalen Spotdurchmesser ab. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Empfänger aus mehreren Fotodioden besteht, da dadurch ein genauerer Schaltpunkt eingestellt werden kann. Im Nahbereich wird der Spot immer unschärfer, bis er größer als das Fotoelement des Empfängers 5 wird und wandert bei großer Nähe dann schnell aus dem Empfänger 5 heraus. Dagegen ist mit der zusätzlichen Linse 2 in keinem Fall der minimale Spotdurchmesser der Haupt- Empfangslinse 1 erreichbar. Durch geeignete Ausformung der Linse 2 kann jedoch erreicht werden, dass sich der Spotdurchmesser nicht so stark ausdehnt. Die Wirkungsweise der zusätzlichen Linse 2 ist dabei in Fig. 3 erkennbar. Oben ist dabei der Strahlengang bei einem entfernten Objekt 6 dargestellt, weiter unten dann Objekte 6 bei mittleren Entfernungen sowie ganz unten aus dem Nahbereich. Dabei ist erkennbar, dass durch die spezielle Formung der Linse 2 der Empfangsstrahl um so mehr nach oben gebrochen wird, je näher sich das Objekt 6 beim Sender 3 befindet. Dadurch wird vermieden, dass der Spot aus dem Empfänger 5 herauswandert.
In Fig. 4b ist die Spotposition der Haupt-Empfangslinse 1 und die Spotposition der zusätzlichen Linse 2 über der Tastweite dargestellt. Die Kurve 7 zeigt die Kombination beider vorgenannter Kurven. Im Fernbereich ist demgemäß die Haupt-Empfangslinse 1 dominant, da deren Empfangsfläche wesentlich größer ist als die der zusätzlichen Linse 2. Im mittleren Bereich gelangt (bedingt durch die Unschärfe) nicht mehr alles Licht auf den Empfänger 5. Dadurch wird der Einfluss der zusätzlichen Linse 2 immer stärker, bis der Lichtfleck der Haupt-Empfangslinse 1 im Nahbereich völlig von dem Empfänger 5 gewandert ist und die resultierende Kurve 7 mit der Kurve der zusätzlichen Linse 2 identisch ist. Durch Formgebung der Öffnungsverhältnisse, der Steilheit der beiden Kurven und der Geometrie des Empfängers 5 (bzw. einer Blende vor dem Empfänger 5) lassen sich so beliebige Übergangsfunktionen realisieren.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich in der Ausbildung und Anordnung der zusätzlichen Linse 2. Bei dieser Ausführungsform ist die Linse 2 zwischen der Haupt-Empfangslinse 1 und dem Empfänger 5 angeordnet. Die Linse 2 kann dabei in beliebiger Ebene zwischen der Haupt-Empfangslinse 1 und dem Empfänger 5 angebracht sein.
Auch bei dieser Ausführungsform lenkt die Linse 2 den Empfangsstrahl abstandsabhängig um. Zu diesem Zweck weist die Linse 2 am von der optischen Achse des Senders 3 abgewandten Ende einen konvexförmigen Buckel auf, so dass darauf auftreffende Empfangsstrahlen relativ stark hin zum Empfänger 5 gebrochen werden. Durch eine entsprechende Formgebung am anderen, d. h. sendernahen Ende kann eine Aufweitung der objektfernen Empfangsstrahlen erreicht werden. Somit lässt sich mit dieser Anordnung gleichzeitig mit den Strahlen des Fernbereichs eine schnellere Wegänderung und im Nahbereich eine langsamere Wegänderung realisieren.
Die optische Wirkung der Linse 2 kann zusätzlich oder alternativ auch durch eine oder mehrere reflektierende, insbesondere gekrümmte Spiegelflächen erreicht werden. Bezugszeichenliste 1 Haupt-Empfangslinse
2 Linse
3 Sender
4 Senderlinse
5 Empfänger
6 Objekt
7 Kurve

Claims

1. Vorrichtung zum Detektieren von Objekten (6)
mit einem Sender (3) zum Aussenden von Licht,
mit einem Empfänger (5) zum Empfangen des von dem Objekt (6) reflektierten Lichts,
mit einer dem Empfänger (5) vorgeordneten Linse (2) sowie
mit einem Ausgleich für das im empfängernahen Bereich von dem Objekt (6) reflektierten Licht,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Linse (2) derart ausgebildet ist, dass das im empfängernahen Bereich reflektierte Licht desto stärker in Richtung zur optischen Achse des Senders (3) gebrochen wird, je näher sich das Objekt (6) beim Sender (3)/Empfänger (5) befindet.

2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das im empfängerfernen Bereich reflektierte Licht desto stärker weg von der optischen Achse des Senders (3) gebrochen wird, je weiter weg sich das Objekt (6) vom Sender (3)/Empfänger (5) befindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (2) im wesentlichen als zur optischen Achse des Senders (3) paralleler, länglicher Körper ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass der längliche Körper eine dem Objekt (6) zugewandte erste gekrümmte Fläche aufweist, auf welcher das reflektierte Licht zunächst auftrifft,
dass der längliche Körper eine vom Objekt (6) abgewandte gekrümmte Fläche aufweist, aus welcher die empfängerfernen Strahlen austreten,
wobei die Kombination der vorgenannten beiden Flächen eine Sammellinse definieren, und
dass die der optischen Achse des Senders (3) abgewandte Seite der Linse (2) eine dritte gekrümmte Fläche aufweist,
wobei die erste Fläche und die dritte Fläche eine Sammellinse definieren.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Flächen jeweils konvex gekrümmt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fläche und die dritte Fläche stetig ineinander übergehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (2) im wesentlichen als zur optischen Achse des Senders (3) senkrechter, länglicher Körper ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der längliche Körper auf der bezüglich der optischen Achse des Senders (3) abgewandten sowie den auftreffenden reflektierten Lichtstrahlen zugewandten Seite zum Ende hin in der Art eines Buckels konvex gekrümmt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (2) auf dem Empfänger (5) oder parallel dazu versetzt angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haupt-Empfangslinse (1) vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10 sowie nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (2) an der Haupt-Empfangslinse (1) auf deren der optischen Achse des Senders (3) zugewandten Seite angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 sowie nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Haupt-Empfangslinse (1) in Strahlrichtung gesehen vor der Linse (2) angeordnet ist.