Original-Dokument

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*DE102013020572B420161117*
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DE 10 2013 020 572 B4 2016.11.17
Patentschrift
(21) Aktenzeichen: 10 2013 020 572.7
(22) Anmeldetag: 13.12.2013
(43) Offenlegungstag: 18.06.2015
(45) Veröffentlichungstag
der Patenterteilung: 17.11.2016
(51) Int Cl.:
G01D 5/30 (2006.01)
G01V 8/12 (2006.01)
G01S 7/481 (2006.01)
G01C 11/30 (2006.01)
Innerhalb von neun Monaten nach Veröffentlichung der Patenterteilung kann nach § 59 Patentgesetz gegen das Patent
Einspruch erhoben werden. Der Einspruch ist schriftlich zu erklären und zu begründen. Innerhalb der Einspruchsfrist ist
eine Einspruchsgebühr in Höhe von 200 Euro zu entrichten (§ 6 Patentkostengesetz in Verbindung mit der Anlage zu §
2 Abs. 1 Patentkostengesetz).
(73) Patentinhaber:
Balluff GmbH, 73765 Neuhausen, DE
(74) Vertreter:
JAKELSKI & ALTHOFF Patentanwälte
Partnerschaftsgesellschaft mbB, 71229 Leonberg,
DE
(72) Erfinder:
Bronner, Manuel, 72760 Reutlingen, DE;
Hilsenbeck, Stefan, 71144 Steinenbronn, DE
(54) Bezeichnung: Optoelektronischer Sensor
(57) Hauptanspruch: 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.
(56) Ermittelter Stand der Technik:
DE
101 06 075
DE
196 29 396
DE
103 56 704
DE 10 2006 057 878
DE
102 20 037
DE 10 2004 038 940
DE
698 05 598
EP
0 527 326
WO
2013/ 013 488
C2
C3
B4
B4
A1
A1
T2
B1
A1
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Beschreibung
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor, insbesondere einen Triangulationssensor.
Stand der Technik
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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 un-
vermeidbar. Auch ist eine Einstellbarkeit dieses Reflexionslichttasters nicht gegeben.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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
[0013] 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
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angeordnet ist, dass nicht alle Lichtstrahlverläufe das
lichtbrechende Bauteil durchqueren.
[0014] 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.
[0015] Das lichtbrechende Bauteil ist insbesondere
eine Zylinderlinse. Über die Form und Größe der Zylinderlinse lässt sich ihr Wirkbereich definieren.
[0016] 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.
[0017] Um den erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensor insbesondere als Triangulationssensor
verwenden zu können, weist er eine Lichtquelle, besonders vorzugsweise einen Laser auf.
[0020] 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
[0021] Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors ist in den Zeichnungen dargestellt und wird anhand der folgenden
Beschreibung näher erläutert.
[0022] Fig. 1 ist eine Querschnittsdarstellung eines
optoelektronischen Sensors gemäß dem Stand der
Technik.
[0023] Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung eines
anderen optoelektronischen Sensors gemäß dem
Stand der Technik.
[0024] Fig. 3 ist eine Querschnittsdarstellung eines
optoelektronischen Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, mit dem ein Objekt im
Nahbereich des optoelektronischen Sensors erfasst
wird.
[0018] 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.
[0025] Fig. 4 ist eine Querschnittsdarstellung des
optoelektronischen Sensors gemäß Fig. 3, mit dem
ein Objekt im Fernbereich des optoelektronischen
Sensors erfasst wird.
[0019] 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.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
[0026] Fig. 5 zeigt in einem Diagramm den Verlauf
der auf einem optischen Empfangsbauteil auftreffenden Energie mit zunehmendem Objektabstand für
mehrere optoelektronische Sensoren.
[0027] Fig. 6 zeigt in einem Diagramm den Schwerpunktverlauf eines Lichtbündels auf dem optischen
Empfangsbauteil mehrerer optoelektronischer Sensoren bei zunehmendem Objektabstand.
[0028] In Fig. 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
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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.
[0029] In Fig. 2 ist ein Triangulationssensor gemäß
der EP 0 527 326 B1 dargestellt. Dieser unterscheidet sich von dem Triangulationssensor gemäß Fig. 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.
[0030] Fig. 3 zeigt einen Triangulationssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieser unterscheidet sich von dem Triangulationssensor
gemäß Fig. 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 Fig. 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.
[0031] In Fig. 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.
[0032] Die Energie 41 des herkömmlichen Triangulationssensors gemäß Fig. 1 und die Energie 42 des
herkömmlichen Triangulationssensors gemäß Fig. 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.
[0033] In Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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.
Patentansprüche
1. 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.
2. 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.
3. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtbrechende Bauteil (34) eine Zylinderlinse ist.
4. 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 op-
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tischen Empfangsbauteils (32) fallen würden, auf die
aktive Fläche des optischen Empfangsbauteils (32)
umzulenken.
5. Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Lichtquelle (11) ein Laser ist.
6. Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der
Entfernungsgrenzwert größer als 100 Millimeter ist.
7. Optoelektronischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der
Entfernungsgrenzwert kleiner als 250 Millimeter ist.
Es folgen 5 Seiten Zeichnungen
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Anhängende Zeichnungen
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