Title:
Optoelektronischer Sensor
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Optoelektronischer Sensor mit einem Lichtsender 1 zum Aussenden eines Lichtsignals durch einen Kollimator 2 in einen Objektbereich 3 auf einer ersten optischen Achse 4, mit einem Empfänger 5 und einer Empfängerlinse 6 zum Empfang des von einem Objekt reflektierten Lichtsignals auf einer zweiten optischen Achse 7, wobei die Empfängerlinse 6 eine Hauptlinse 8 zur Abbildung des Objektbereichs 3 und eine Zusatzlinse 9 zur Erfassung des Nahbereichs enthält, wobei die Zusatzlinse 9 eine zweidimensional parametrierbare Freiformfläche aufweist, die das Licht umso stärker in Richtung der zweiten optischen Achse 7 lenkt, je näher sich ein reflektierendes Objekt am Sensor befindet, wobei die Zusatzlinse 9 eine Strahlen aus dem Nahbereich brechende bikonische Fläche 10 mit zwei unterschiedlichen Brennweiten f1 und f2, sowie eine Strahlen aus dem Nahbereich reflektierende Fläche 11 aufweist.





Inventors:
Henkel, Harry (88213, Ravensburg, DE)
Application Number:
DE102016208713A
Publication Date:
11/23/2017
Filing Date:
05/20/2016
Assignee:
ifm electronic gmbh, 45128 (DE)
International Classes:
G01V8/12; G01B11/14; G01S7/481; G02B3/10
Domestic Patent References:
DE102014114314A1N/A2016-04-07
DE102009047662A1N/A2011-06-09
DE202006004240U1N/A2006-06-08
DE102004037137A1N/A2006-03-23
DE10026625C1N/A
DE102014116254A1N/A
DE10220037A1N/A
DE202013102370U9N/A
DE69805598T2N/A
Foreign References:
CN102313882B
Claims:
1. Optoelektronischer Sensor mit einem Lichtsender (1) zum Aussenden eines Lichtsignals durch einen Kollimator (2) in einen Objektbereich (3) auf einer ersten optischen Achse (4), mit einem Empfänger (5) und einer Empfängerlinse (6) zum Empfang des von einem Objekt reflektierten Lichtsignals auf einer zweiten optischen Achse (7), wobei die Empfängerlinse (6) eine Hauptlinse (8) zur Abbildung des Objektbereichs (3) und eine Zusatzlinse (9) zur Erfassung des Nahbereichs enthält, wobei die Zusatzlinse (9) eine zweidimensional parametrierbare Freiformfläche aufweist, die das Licht umso stärker in Richtung der zweiten optischen Achse (7) lenkt, je näher sich ein reflektierendes Objekt am Sensor befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzlinse (9) eine Strahlen aus dem Nahbereich brechende bikonische Fläche (10) mit zwei unterschiedlichen Brennweiten f1 und f2, sowie eine Strahlen aus dem Nahbereich reflektierende Fläche (11) aufweist.

2. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der reflektierende Fläche (11) aus dem Nahbereich kommende Strahlen durch Totalreflexion zum Empfänger (5) gelenkt werden.

3. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängerlinse (6) aus einem Stück gefertigt ist und aus Kunststoff besteht.

4. Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptlinse (8) eine Fresnelstruktur (12) aufweist.

5. Empfängerlinse (8) für einen optoelektronischen Sensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.

Description:

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor mit einem Lichtsender zum Aussenden eines Lichtsignals in einen Objektbereich auf einer ersten optischen Achse, mit einem Empfänger und einer Empfängerlinse zum Empfang des von einem Objekt reflektierten Lichtsignals auf einer zweiten optischen Achse, wobei die die Empfängerlinse eine Hauptlinse zur Abbildung des Objektbereichs, und eine Zusatzlinse zur Verminderung der durch den Achsenabstand bedingten Blindzone im Nahbereich aufweist, wobei die Zusatzlinse das Licht umso stärker in Richtung der zweiten optischen Achse lenkt je näher sich das Objekt am Sensor befindet.

Optoelektronische Sensoren, insbesondere Reflexlichttaster werden in vielen Bereichen des täglichen Lebens, neuerdings im Automobil, aber auch in der Automatisierungstechnik eingesetzt. Wegen ihrer vergleichsweise hohen Reichweite können die einfach aufgebauten energetischen Lichttaster leicht von reflektierenden Hintergrundobjekten gestört werden. Des Weiteren führen Objekte mit unterschiedliche Reflexionskoeffizienten zu unterschiedlichen Schaltabständen. Um das zu vermeiden, wurden zunächst Triangulations-Lichttaster mit zwei nebeneinander liegenden optischen Achsen entwickelt, was wegen des Achsabstandes zwangsläufig zu einem Blindzone unmittelbar vor dem Sensor führt.

Die später entwickelten Lichtlaufzeitsensoren, (TOF = Time Of Flight), die wegen der geringen Lichtlaufzeit vorzugsweise als Phasenmessgeräte, insbesondere als Photo-Mischdetektoren (PMD) ausgeführt sind, können selbst bei koaxialen Optik mit geteilter Pupille hier keine Abhilfe schaffen, weil die extrem kurzen Lichtlaufzeiten im Nahbereich nicht mehr auswertbar sind.

Deshalb wird in der DE 10 2004 037 137 A1 eine zeilenförmige Anordnung mit mehreren TOF-Detektoren vorgeschlagen, deren Signale im Nahbereich zusätzlich triangulatorisch ausgewertet werten, was auch hier zu dem oben genannten Blindzone führt.

Um diesen möglichst gering zu halten, wird in der DE 20 2006 004 240 U1 eine Hilfsoptik in Form eines Keils oder einer Zylinderlinse offenbart, die zwar Licht in die Nähe der optische Achse des Empfängers lenkt, ohne jedoch das Licht in der Bildebene zu fokussieren.

Die DE 10 2009 047 662 A1 zeigt einen Triangulationssensor, bei dem die fehlende Fokussierung im Nahbereich durch Bildung des geometrischen Schwerpunktes des Lichtflecks kompensiert wird. Hierzu ist allerdings eine hoch auflösende CCD-Kamera als Empfänger erforderlich.

Die DE 10 2014 114 314 A1 zeigt einen Triangulationslichttaster mit einer polymerbeschichteten asphärischen Empfängerlinse, die eine zweidimensional parametrisierte Freiformfläche aufweist, welche das im inneren Randbereich auf die Linse treffende Licht umso stärker zur optischen Achse des Empfängers hin bricht, je näher sich das remittierende Objekt in der Detektionszone befindet. Nachteilig ist, dass der großflächige Randbereich der modifizierten Empfängerlinse nicht zum Empfangssignal beitragen kann.

Ein weiterer Nachteil ist der doch recht komplizierte Herstellungsprozess für die Empfängerlinse.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise zu beseitigen, und eine Empfängerlinse anzugeben, die einfach und kostengünstig herstellbar ist, und die Blindzone für im Nahbereich befindliche Objekte verkleinert.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 4 betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung und der Anspruch 5 Empfängerlinse.

Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, den inneren Randbereich der Empfängerlinse so zu gestalten, dass neben dem bekannten, Strahlen aus dem Nahbereich brechenden Bereich ein zweiter, Strahlen aus dem Nahbereich reflektierender Bereich entsteht, der auch aus dem unmittelbaren Nahbereich kommendes Licht noch auf den Empfänger lenkt.

Das geschieht durch eine asphärische Struktur, die in einer vorteilhaften Ausgestaltung Licht durch Totalreflexion auf den Empfänger lenkt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, die Empfängerlinse vollständig aus Kunststoff in nur einem Spritzvorgang herzustellen, was Herstellungszeit und Kosten reduziert.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Lichtlaufzeit-Reflexlichttaster mit einem PMD-Empfänger. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Empfängerlinse mit einer Fresnelstruktur.

Die 1 zeigt eine Laserdiode als Lichtsender 1, deren divergierendes Strahlenbündel von einem Kollimator 2 in einen Objektbereich 3 gelenkt wird.

Ein auf dieser ersten optischen Achse 4 befindliches diffus reflektierendes Objekt mit annähernd Lambertscher Abstrahlcharakteristik lenkt Licht auf eine Empfängerlinse 6, die sich auf einer im Abstand d zur ersten optische Achse 4 angeordneten zweiten optischen Achse 7 befindet.

Die Empfängerlinse 6 ist asphärisch und weist neben einer Hauptlinse 8 an ihrem Innenrand eine Zusatzlinse 9 auf, die eine Strahlen aus den Nahbereich brechenden Fläche 10 und eine Strahlen aus den Nahbereich reflektierende Fläche 11 aufweist. Die brechende Fläche 10 ist vorteilhaft bikonisch, was zu einen astigmatischen Strahlenverlauf mit zwei unterschiedlichen Brennweiten in x- und y-Richtung führt, wobei der Begriff Brennweite hier lediglich zum Ausdruck bringen soll, dass das Licht gezielt auf die Empfänger 5 gelenkt wird, wobei ein näherungsweise elliptischer Lichtfleck entsteht.

Durch das abgestimmte Zusammenwirken der beiden Flächen 10 und 11 kann die Blindzone nicht nur verkleinert, sondern der Signalverlauf zusätzlich geglättet werden. Die Reflexion an der reflektierenden Fläche 11 kann durch eine reflektierende Beschichtung oder auch durch Totalreflexion zustande kommen.

Der Empfänger 5 ist ein zur Auswertung der Lichtlaufzeit (TOF) geeigneter Photo-Mischdetektor (PMD-Empfänger), der wie auch der Sender 1 in bekannter Weise mit einer symbolisch als µC dargestellten Steuer- und Auswerteeinheit 20 verbunden ist.

Die 2 zeigt eine Empfängerlinse 6 mit einer Hauptlinse 8 und einer Zusatzlinse 9, wobei die Hauptlinse 8 an ihre Frontseite eine Fresnelstruktur 12 aufweist.

Die Abmessungen der Hauptlinse 8 betragen 10 × 20 mm und die der Zusatzlinse 9 ca. 6 × 8 mm. Der Achsenabstand d beträgt etwa 15 mm.

Die Empfängerlinse 6 weist eine weitere Zusatzlinse mit einer zweiten bikonischen Fläche 102 auf, die zur Glättung des Signalverlaufs dient, so dass zwischen 30 und 500 mm ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen dem Objektabstand und dem Empfangssignal erreicht wird.

Die Kontur der Zusatzlinse 9 wird durch eine Freiformfläche beschrieben, die in bekannter Weise durch eine zweidimensionale Parameterdarstellung oder auch tabellarisch angegeben sein kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Kontur der Freiformfläche unter Berücksichtigung des verwendeten Linsenmaterials, vorzugsweise Kunststoff (Polycarbonat oder Plexiglas), wobei die Fläche 11 so gestaltet, dass für bestimmte Einfallswinkel Totalreflexion auftritt.

Die Linse 6 kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung aus den genannten Kunststoffen oder jedem anderen für optische Komponenten geeigneten Material in einem Stück im Spritzguss- oder im Spritzprägeverfahren hergestellt werden.

Die erfindungsgemäße Empfängerlinse 6 ist sowohl zur Verwendung in einem die Lichtlaufzeit (TOF) messenden Reflexlichttaster, als auch in einem Triangulations-Lichttaster geeignet.

Bezugszeichenliste

1
Lichtsender
2
Kollimator
3
Objektbereich
4
Erste optischen Achse
5
Empfänger
6
Empfängerlinse
7
Zweite optischen Achse
8
Hauptlinse
9
Erste Zusatzlinse
10
Brechende bikonische Fläche auf der Zusatzlinse 9
11
Reflektierende Fläche auf der Zusatzlinse 9
12
Fresnelstruktur auf der Hauptlinse 8
20
Steuer- und Auswerteeinheit
102
Zweite bikonische Fläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102004037137 A1 [0004]
  • DE 202006004240 U1 [0005]
  • DE 102009047662 A1 [0006]
  • DE 102014114314 A1 [0007]