DE19634269A1 - Lichtgitter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist in der DE 41 19 797 C2 offenbart. Diese Vor­ richtung ist als Sicherheitslichttaster ausgebildet. Die vom Sender emittierten Sendelichtstrahlen werden in einer fest vorgegebenen Richtung emittiert und treffen bei freiem Strahlengang auf eine den Überwachungsbereich begrenzende Referenzfläche. Dabei wird die Distanz der Referenzfläche zur Vorrichtung er­ faßt und zusammen mit einer oberen und unteren Toleranzgrenze als Sollwert abgespeichert. Der von einem Objekt stammende Distanzwert wird mit dem Sollwert innerhalb der Toleranzgrenzen verglichen. Liegt dieser Distanzwert außerhalb der Toleranzgrenzen, so wird ein Warnvorgang ausgelöst.

Die Einsatzmöglichkeiten dieses Sicherheitslichttasters sind eingeschränkt, da mit den Sendelichtstrahlen nur ein nahezu eindimensionaler Überwachungs­ bereich überwacht werden kann. Zur Vergrößerung des Überwachungsbereichs können die Sendelichtstrahlen über einen Drehspiegel abgelenkt werden, so daß mit der Vorrichtung eine halbkreisförmige Fläche abgetastet wird. Nachteilig hierbei ist der radiale Verlauf der Sendelichtstrahlen, so daß die Auflösung der Vorrichtung quer zur Strahlachse mit zunehmender Entfernung stark abnimmt.

Eine andere Möglichkeit der Erweiterung des Überwachungsbereichs besteht in der Mehrfachanordnung mehrerer Sicherheitslichttaster, die sich zu einem Licht­ gitter ergänzen. Nachteilig hierbei ist, daß eine Vielzahl von Sicherheitslicht­ tastern benötigt wird, um den Überwachungsbereich abzudecken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art so auszubilden, daß mit möglichst geringem Schaltungsaufwand ein flächiger Überwachungsbereich lückenlos überwachbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß treffen die vom Sender des Distanzsensors emittierten Sende­ lichtstrahlen auf eine Umlenkeinheit und werden von dort periodisch einzeln nacheinander auf Spiegelelemente geführt. Dabei sind die Sendelichtstrahlen koaxial zu den Empfangslichtstrahlen geführt. Die Spiegelelemente sind so an­ geordnet, daß die an den Spiegelelementen reflektierten Sendelichtstrahlen parallel im Überwachungsbereich verlaufende Strahlenbündel bilden.

Mit diesen Strahlenbündeln wird der Überwachungsbereich während einer Periode, welche von der Umlenkeinheit vorgegeben ist, nacheinander abgetastet. Die von den einzelnen Strahlenbündeln stammenden Signale werden nacheinan­ der im Empfänger registriert und im Zeittakt, mit der die Sendelichtstrahlen auf die einzelnen Spiegelsegmente geführt sind, in der Auswerteeinheit ausgewertet.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß mit einem Distanzsensor ein Lichtgitter realisiert werden kann. Vorteilhaft ist dabei insbesondere, daß im Gegensatz zu bekannten Lichtgittern nur ein Sender und ein Empfänger benötigt wird und somit auch kein Schaltungsaufwand für die Synchronisation verschiedener Sender und Empfänger notwendig ist. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Spiegelelemente relativ zur Umlenkeinheit ist gewährleistet, daß mit den einzelnen von den verschiedenen Spiegelelemen­ ten ausgehenden Strahlenbündeln der Überwachungsbereich schrittweise nach­ einander abgetastet wird. Die Taktrate der Abtastung läßt sich durch die Um­ lenkeinheit einfach vorgeben. Da zudem auch die Empfangslichtstrahlen über die einzelnen Spiegelelemente geführt sind, treffen die von den einzelnen Strahlenbündeln stammenden Signale im Takt, der von der Umlenkeinheit vor­ gegeben ist, auf den Empfänger und können in der Auswerteeinheit ohne Synchronisierungsaufwand nacheinander ausgewertet werden.

Durch eine geeignete Wahl der Anzahl der Spiegelelemente und deren Abstand zueinander läßt sich die laterale Auflösung des erfindungsgemäßen Lichtgitters auf einfache Art und Weise vorgeben. Auch eine nachträgliche Erweiterung durch Hinzufügen weiterer Spiegelelemente ist bei dieser Vorrichtung prinzipiell möglich.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung.

Fig. 2 Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 3 Querschnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 2.

In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele einer optoelektronischen Vorrichtung 1 zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich dar­ gestellt. Die Vorrichtung 1 weist einen Distanzsensor 2 mit einem Sender 3, einem Empfänger 4 und einer nicht dargestellten Auswerteeinheit auf.

Die Distanzmessung erfolgt vorzugsweise nach dem Prinzip der Laufzeitmes­ sung. Hierzu ist der Sender 3 von einer Laserdiode gebildet, der Empfänger 4 ist beispielsweise von einer Photodiode gebildet. Die Laserdiode kann einerseits im Dauerstrichbetrieb betrieben werden. In diesem Fall erfolgt die Distanzmes­ sung nach dem Phasenmeßprinzip. Den vom Sender 3 emittierten Sendelicht­ strahlen 5 wird eine Amplitudenmodulation aufgeprägt. Empfangsseitig wird die Phasendifferenz der ausgesendeten Sendelichtstrahlen 5 und der auf den Emp­ fänger 4 auftreffenden Empfangslichtstrahlen 6 ausgewertet. Alternativ kann die Laserdiode im Pulsbetrieb betrieben werden. In diesem Fall wird empfangsseitig direkt die Laufzeit eines Lichtimpulses ausgewertet.

Der Distanzsensor 2 weist eine Linse 7 auf, welche die Sende- und Empfangs­ optik bildet. Die Sende- 5 und Empfangslichtstrahlen 6 werden koaxial über die Linse 7 geführt. Zur Erzeugung des koaxialen Strahlengangs kann im Distanz­ sensor 2 ein Strahlteilerspiegel 8 vorgesehen sein, über welchen die Sende- 5 und Empfangslichtstrahlen 6 geführt sind.

Bei freiem Strahlengang treffen die Sendelichtstrahlen 5 ungehindert auf eine den Überwachungsbereich begrenzende Referenzfläche 9.

Zur Erhöhung der Nachweissicherheit der Vorrichtung 1 wird die Referenz­ fläche 9 bei freiem Strahlengang in einer Initialisierungsphase vermessen. Die registrierten Distanzwerte werden in der Auswerteeinheit als Sollwerte abgespei­ chert. Zusätzlich werden für die Distanzwerte jeweils eine obere und untere Toleranzgrenze vorgegeben. Diese Toleranzgrenzen können aus den Meßwert­ streuungen berechnet oder als applikationsspezifische Parameter frei vorgegeben werden. Die Distanzwerte werden zusammen mit den Toleranzgrenzen in der Auswerteeinheit abgespeichert.

In einer auf die Initialisierungsphase folgenden Betriebsphase werden Objekte im Überwachungsbereich erfaßt, wobei die Distanz der Objekte zur Vorrich­ tung 1 registriert wird. Neben dieser Distanzinformation interessiert oftmals nur, ob ein Objekt in den Überwachungsbereich eingedrungen ist oder nicht. Hierzu werden die aktuellen, vom Distanzsensor 2 registrierten Distanzwerte fortlau­ fend mit den Sollwerten innerhalb der vorgegebenen Toleranzgrenzen vergli­ chen.

Liegt einer oder liegen mehrere der aktuellen Distanzwerte außerhalb dieser Toleranzgrenzen, so erfolgt eine Objektmeldung.

Die Nachweisempfindlichkeit kann noch dadurch gesteigert werden, wenn zu­ sätzlich zu den Distanzinformationen auch die Amplituden der am Ausgang des Empfängers 4 anstehenden Empfangssignale bewertet werden.

In diesem Fall werden in der Initialisierungsphase die von der Referenzfläche 9 stammenden Amplituden der Empfangssignale als Sollwerte abgespeichert. Auch für diese Sollwerte werden obere und unter Toleranzgrenzen definiert. Analog zur Auswertung der Distanzwerte werden in der Betriebsphase die aktuellen Amplitudenwerte mit den Sollwerten verglichen. Eine Objektmeldung erfolgt zweckmäßigerweise dann, wenn sowohl die aktuellen Distanzwerte als auch die aktuellen Amplitudenwerte außerhalb der Toleranzgrenzen der Soll­ werte liegen. Alternativ kann eine Objektmeldung bereits dann erfolgen, wenn entweder die Distanzwerte oder die Amplitudenwerte außerhalb der Toleranz­ grenze liegen.

Üblicherweise bleibt die Position der Referenzfläche 9 während der Initialisie­ rungs- und Betriebsphase unverändert. In diesem Fall ist die Referenzfläche 9 beispielsweise von der Oberfläche einer Wand oder einer Maschine gebildet.

Alternativ kann die Referenzfläche 9 auch beweglich angeordnet sein. Dann ist die Referenzfläche 9 beispielsweise von der Oberfläche eines Fahrzeugs gebil­ det, welches sich entlang einer vorgegebenen Bahn bewegt.

In diesem Fall wird während der Initialisierungsphase die Referenzfläche 9 ent­ lang dieser vorgegebenen Bahn bei freiem Strahlengang bewegt. Währenddessen wird die Referenzfläche 9 fortlaufend von der Vorrichtung 1 vermessen. Die die Sollwerte bildenden Distanzwerte und Amplitudenwerte werden während der Bewegung der Referenzfläche 9 fortlaufend registriert und als zeitabhängige Sollwert-Kennlinien abgespeichert. Während der darauffolgenden Betriebsphase führt die Referenzfläche 9 dieselbe Bewegung aus. Dabei werden die aktuellen Meßwerte mit den jeweils zugehörigen Sollwerten, die zu den jeweils entspre­ chenden Zeiten aufgenommen worden sind, miteinander verglichen.

Die optoelektronische Vorrichtung 1 weist eine Umlenkeinheit 10 auf, welche dem Distanzsensor 2 nachgeordnet ist und über welche die Sende- 5 und Emp­ fangslichtstrahlen 6 geführt sind. Die Umlenkeinheit 10 führt eine periodische Bewegung aus, so daß die Sendelichtstrahlen 5 nacheinander auf der Umlenk­ einheit 10 nachgeordnete Spiegelelemente 11a, b, c geführt sind. Dabei treffen in den entsprechenden Stellungen der Umlenkeinheit 10 die Sendelichtstrahlen 5 jeweils auf ein Spiegelelement 11a, b, c. Die Spiegelelemente 11a, b, c sind stationär so angeordnet, daß die an den einzelnen Spiegelelementen 11a, b, c re­ flektierten Sendelichtstrahlen 5 parallel zueinander im Überwachungsbereich verlaufende Strahlenbündel 5a, b, c bilden.

Entsprechend der Periodendauer der Bewegung der Umlenkeinheit 10 werden die Sendelichtstrahlen 5 in einem vorgegebenen Zeittakt auf die einzelnen Spiegelelemente 11a, b, c geführt, so daß mit den von den Spiegelelementen 11a, b, c ausgehenden Strahlenbündeln 5a, b, c der Überwachungsbereich sukzessive abgetastet wird. Die koaxial zu den Sendelichtstrahlen 5 geführten Empfangslichtstrahlen 6 werden auf demselben Weg wie die Sendelichtstrahlen 5 geführt, so daß die von den einzelnen Strahlenbündeln 5a, b, c stammenden Empfangssignale in dem von der Umlenkeinheit 10 vorgegebenen Zeittakt nach­ einander auf den Empfänger 4 treffen und in der Auswerteeinheit ohne Syn­ chronisierungsaufwand nacheinander ausgewertet werden können.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Umlenkeinheit 10 aus einem drehbar gelagerten Spiegelelement 12, welches über ein Stellglied 13 in verschiedenen Winkelstellungen positionierbar ist. Das Stellglied 13 wird zweckmäßigerweise von der Auswerteeinheit des Distanzsensors gesteuert und kann beispielsweise von einem Schrittmotor gebildet sein.

Der Umlenkeinheit 10 sind drei übereinander angeordnete, in einem Winkel von etwa 45° zur Vertikalen geneigte Spiegelelemente 11a, b, c so nachgeordnet, daß die auftreffenden Sendelichtstrahlen 5 durch die Reflexion an den Spiegel­ elementen 11a, b, c jeweils horizontal verlaufend den Überwachungsbereich passieren. Die Vorrichtung 1 bildet somit ein messendes Lichtgitter. Dabei kann die Kontur der den Überwachungsbereich begrenzenden Referenzfläche 9 be­ liebig ausgebildet sein.

Die Spiegelelemente 11a, b, c sind stationär und äquidistant zueinander ange­ ordnet. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Spiegelelementen 11a, b, c de­ finiert die laterale Auflösung der Vorrichtung.

Das Stellglied 13 der Umlenkeinheit 10 positioniert das drehbare Spiegelelement 12 für kurze, von der Auswerteeinheit vorgebbare Zeiten in den Winkelpositio­ nen, bei welchen die Sendelichtstrahlen 5 auf die Zentren der stationären Spiegelelemente 11a, b, c treffen.

Dabei sind die Zentren der stationären Spiegelelemente 11a, b, c in einer ver­ tikalen Ebene angeordnet. In dieser Ebene verlaufen auch die optischen Achsen der von den Spiegelelementen 11a, b, c ausgehenden Strahlenbündel 5a, b, c, welche den Überwachungsbereich abtasten. Damit die oberen Spiegelelemente 11a, b die darunter liegenden Spiegelelemente 11b, c nicht abschatten, sind die einzelnen Spiegelelemente 11a, b, c in horizontaler Richtung versetzt zueinander angeordnet, so daß die Sendelichtstrahlen 5 auf jedes einzelne Spiegelelement 11a, b, c ungehindert auftreffen können.

In einer besonders einfachen Ausführungsform der Erfindung kann der Distanz­ sensor 2 in einem Gehäuse integriert sein. Die Umlenkeinheit 10, die Spiegel­ elemente 11a, b, c und der Distanzsensor 2 können an einem Träger befestigt sein.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Distanzsensor 2, die Umlenkeinheit 10 und die Spiegelelemente 11a, b, c in einem gemeinsamen Gehäuse 14 integriert, wobei diese Elemente an den Gehäusewänden befestigt sein können. Alternativ können die Elemente an einem im Gehäuse 14 angeord­ neten Träger befestigt sein.

Ebenfalls im Gehäuse 14 ist ein Testobjekt 15 so angeordnet, daß bei einer vor­ gegebenen Winkelstellung der Umlenkeinheit 10 die Sendelichtsstrahlen 5 über die Umlenkeinheit 10 zu diesem Testobjekt 15 geführt sind. Das Testobjekt 15 weist eine definierte Oberfläche und Distanz zum Distanzsensor 2 auf. Durch Auswertung der vom Testobjekt 15 empfangenen Signale hinsichtlich Distanz­ wert und Amplitude kann die Funktionsfähigkeit des Distanzsensors 2 zyklisch überprüft werden.

In den Fig. 2 und 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung 1 dargestellt. Die Vorrichtung 1 ist wiederum als dreistrah­ liges Lichtgitter ausgebildet, wobei die Lage der Strahlachsen durch die Position der Spiegelelemente 11a, b, c vorgegeben wird.

Der Distanzsensor 2, die Umlenkeinheit 10, die Spiegelelemente 11a, b, c sowie das Testobjekt 15 sind ebenfalls in einem gemeinsamen Gehäuse 14 unterge­ bracht.

Die Umlenkeinheit 10 ist in diesem Fall von einem rotierenden Prisma 16, welches über einen von der Auswerteeinheit gesteuerten Motor 17 angetrieben wird, gebildet. Die Drehachse der Umlenkeinheit 10 verläuft in vertikaler Rich­ tung. Das Prisma 16 führt im Gegensatz zu dem drehbaren Spiegelelement der Umlenkeinheit 10 gemäß Fig. 1 eine kontinuierliche Drehbewegung mit kon­ stanter Drehzahl aus.

Die von dem Distanzsensor 2 emittierten und koaxial zu den Empfängslicht­ strahlen 6 geführten Sendelichtstrahlen 5 werden durch die Umlenkeinheit 10 so abgelenkt, daß diese auf einer kreiskegelförmigen Bahn umlaufen. Die Spiegel­ elemente 11a, b, c sind wiederum im wesentlichen vertikal angeordnet. Die Ab­ stände benachbarter Spiegelelemente 11a, b, c sind jeweils identisch. Die Spiegelelemente 11a, b, c sind in einem Winkel von etwa 45° zur Vertikalen geneigt, so daß die an den Spiegelelementen 11a, b, c reflektierten Sendelicht­ strahlen 5 horizontal verlaufende Strahlenbündel 5a, b, c bilden. Damit bei einer Umdrehung die Sendelichtstrahlen 5 jeweils einzeln nacheinander auf eines der Spiegelelemente 11a, b, c treffen, sind diese senkrecht zu den optischen Achsen der Strahlenbündel 5a, b, c in horizontaler Richtung versetzt angeordnet. Dies ist aus Fig. 3 ersichtlich. Auch das Testobjekt 15 ist in dieser Richtung ver­ setzt zu den Spiegelelementen 11a, b, c angeordnet, wobei das mittlere Spiegel­ element 11b und das Testobjekt 15 auf gleicher Höhe angeordnet sind. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, sind das Testobjekt 15 und die Spiegelelemente 11a, b, c senkrecht zur Drehachse der Umlenkeinheit 10 um jeweils 90° versetzt an­ geordnet.

Claims (11)

1. Optoelektronische Vorrichtung mit einem einen Sender, einen Empfänger und eine Auswerteeinheit aufweisenden Distanzsensor zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich, welcher von einer Referenz­ fläche begrenzt ist, wobei die Distanz der Referenzfläche zur Vorrichtung vom Distanzsensor erfaßt wird und mit dem von einem Objekt stammen­ den Distanzwert verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Sender (3) emittierten Sendelichtstrahlen (5) und die auf den Empfänger (4) auftreffenden Empfangslichtstrahlen (6) koaxial geführt auf eine Umlenkeinheit (10) treffen, daß durch die Umlenkbewegung der Um­ lenkeinheit (10) die Sendelichtstrahlen (5) periodisch einzeln nacheinander auf der Umlenkeinheit (10) nachgeordnete, stationäre Spiegelelemente (11a, b, c) treffen, so daß die an den Spiegelelementen (11a, b,c ) reflek­ tierten Sendelichtstrahlen (5) parallel zueinander im Überwachungsbereich verlaufende Strahlenbündel (5a, b, c) bilden, und daß im Zeittakt, mit dem die Sendelichtstrahlen (5) auf die einzelnen Spiegelelemente (11a, b, c) treffen, die von den einzelnen Strahlenbündeln (5a, b, c) stammenden Distanzwerte nacheinander in der Auswerteeinheit ausgewertet werden.

2. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelelemente (11a, b, c) übereinander in Abstand zueinander angeordnet sind.

3. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spiegelelemente (11 a, b, c) äquidistant angeordnet sind.

4. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentren der Spiegelelemente (11a, b, c) in einer vertikalen Ebene liegend angeordnet sind.

5. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelelemente (11a, b, c) quer zu den optischen Achsen der von den Spiegelelementen (11a, b, c) ausgehenden Strahlen­ bündel (5a, b, c) in horizontaler Richtung versetzt angeordnet sind.

6. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinheit (10) von einem drehbaren Spiegel­ element (12) gebildet ist, welches über ein Stellglied (13) in vorgegebenen Winkelstellungen positionierbar ist.

7. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinheit von einem rotierenden Prisma (16) gebildet ist.

8. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Distanzsensor (2), die Umlenkeinheit (10) und die Spiegelelemente (11a, b, c) in einem gemeinsamen Gehäuse (14) an­ geordnet sind.

9. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (14) ein Testobjekt (15) angeordnet ist, wobei zur Funk­ tionsüberprüfung des Distanzsensors (2) bei einer vorgegebenen Stellung der Umlenkeinheit (10) die Sendelichtstrahlen (5) über die Umlenkeinheit (10) auf das Testobjekt (15) geführt sind.

10. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die am Empfänger (4) des Distanzsensors (2) an­ stehenden Signale hinsichtlich ihrer Amplitude bewertet werden, wobei die von der Referenzfläche (9) stammenden Amplitudenwerte innerhalb einer oberen und unteren Toleranzgrenze mit den von dem Objekten stammenden Applikationswerten verglichen werden.

11. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der Referenzfläche (9) zeitlich veränder­ lich ist.