DE19639403A1 - Opto-electronic sensor for identification of objects during monitoring - Google Patents
Opto-electronic sensor for identification of objects during monitoringInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen optaelektronischen Sensor zum Erkennen von Gegenständen innerhalb eines Überwachungs bereiches nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an optoelectronic sensor for Detection of objects within a surveillance area according to the preamble of claim 1.
Derartige optische Sensoranordnungen werden im weitesten Sinne als Lichtschranken bezeichnet. Unter diesem allge meinen Begriff sind die optischen Sensoren zusammengefaßt, die als Autokollimations-Lichtschranken, Reflexions-Licht schranken, Lichttaster, Abstandstaster, usw. ausge bildet sein können.Such optical sensor arrangements are the broadest Senses referred to as light barriers. Under this general my term is the optical sensors, that as autocollimation light barriers, reflection light barriers, light sensors, distance sensors, etc. out forms can be.
Optische Sensoranordnungen, insbesondere Lichtschranken zur Erkennung von Gegenständen, arbeiten im allgemeinen nach folgendem Prinzip: Es wird mit Hilfe optischer Elemente, insbesondere einer Sendeoptik, ein gerichtetes optisches Sendesignal abgestrahlt, welches entweder von einem Retroreflektor am gegenüberliegenden Ende der Überwachungsstrecke oder vom zu erkennenden Gegenstand selbst reflektiert wird. Dieses reflektierte Signal wird wiederum mit einer Empfangsoptik, welche sich im gleichen Gehäuse befindet, aufgenommen und mittels optischer Elemente dem Lichtempfänger zugeführt. Der Lichtempfänger wandelt die optische Strahlung in eine elektrische Größe um, die anschließend in einer Empfangssignalverarbeitungsstufe ausgewertet wird. Zur optischen Trennung des im gleichen Sensorgehäuse angeordneten Sende- und Empfangslichtpfades haben sich im wesentlichen zwei unterschiedliche Ausführungvarianten bewährt. Es ist dies zum einen die echte Autokollimation, bei der die Sendestrahlung über einen teildurchlässigen Spiegel geführt wird, welcher die Strahlung teilweise reflektiert und teilweise ohne Richtungsveränderung hindurchläßt. Einer der beiden so erzeugten Teilstrahlen wird über ein Sendeobjektiv auf die zu überwachende Strecke ausgesendet. Die am Objekt oder am Retroreflektor reflektierte Strahlung wird vom gleichen Sendeobjektiv, welches nun in der Funktion eines Empfangsobjektives wirkt, aufgenommen und ebenfalls wieder über den Teilerspiegel in zwei Komponenten (reflektierte und transmittierte Anteile) aufgespalten. Einer dieser beiden Teilempfangsstrahlen gelangt dabei zurück zur Sendequelle, während der andere Teilstrahl einer lichtelektrischen Wandleranordnung zugeführt wird. In der zweiten Ausführungsvariante sind der Lichtsender einschließlich der Sendeoptik und die Empfangsoptik mit der dahinter angeordneten photoelektrischen Wandleranordnung räumlich nebeneinander angeordnet, weshalb bei diesem System auch oft von einem Doppellinsensystem oder einer Pupillenteilung gesprochen wird.Optical sensor arrangements, in particular light barriers for Detection of objects, generally rework following principle: It is using optical elements, in particular a transmission optics, a directional optical Broadcast signal emitted, which either from a Retroreflector at the opposite end of the Monitoring route or from the object to be detected itself is reflected. This reflected signal will again with receiving optics, which are in the same Housing is located, recorded and by means of optical elements fed to the light receiver. The light receiver converts the optical radiation into an electrical quantity that then in a received signal processing stage is evaluated. For optical separation of the same Sensor housing arranged transmit and receive light path have essentially two different ones Proven design variants. On the one hand, this is the real one Autocollimation, in which the transmitted radiation over a semi-transparent mirror is guided, which the Radiation partly reflected and partly without Changes direction. One of the two like that generated partial beams is transmitted to the Route to be monitored sent. The on the object or on Retroreflector reflected radiation is from the same Transmission lens, which now functions as a Reception objective works, is recorded and also again about the divider mirror in two components (reflected and transmitted shares) split. One of those two Partial reception beams go back to the transmission source, while the other sub-beam is a photoelectric Transducer arrangement is supplied. In the second The light transmitter including the Transmission optics and the reception optics with the behind arranged photoelectric transducer arrangement spatially arranged side by side, which is why often with this system from a double lens system or a pupil division is spoken.
Bedingt durch die zahlreichen Applikationen für derartige Lichtschranken werden eine Vielzahl unterschiedlicher mechanisch -/optischer Bauformen für die jeweiligen Sensorgehäuse in der Praxis gefordert. Die nachteiligen Folgen dieser relativ großen Typenvielfalt (kleine Losgrößen, höhere Kosten, großer logistischer Aufwand usw.) sind offensichtlich und wirken sich deshalb auch nachteilig auf die gesamte Kette der damit betroffenen aus, d. h. von der Herstellung über die gesamte Handelskette bis zum Anwender dieser Produkte.Due to the numerous applications for such Photoelectric sensors are a variety of different mechanical - / optical designs for the respective Sensor housing required in practice. The disadvantageous Consequences of this relatively large variety of types (small Lot sizes, higher costs, great logistical effort, etc.) are obvious and therefore have a negative effect on the entire chain of those affected, d. H. from manufacturing across the entire retail chain up to Users of these products.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, durch eine leicht modifizierbare, flexible und deshalb vielfältig einsetzbare Sensorausführung die notwendige Typenvielfalt zu reduzieren, ohne daß dadurch andere Nachteile, wie zum Beispiel höhere Packungsdichte/Herstellkosten Handlingsprobleme in der Anbau- bzw. Betriebsphase oder reduzierte Funktions-/Betriebssicherheit, hervorgerufen werden.An object of the invention is now through a easily modifiable, flexible and therefore diverse usable sensor design the necessary variety of types reduce without other disadvantages, such as Example higher packing density / manufacturing costs Handling problems in the cultivation or operating phase or reduced functional / operational safety will.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved by the im characterizing part of claim 1 specified features solved.
Gemäß der Erfindung können somit beide durch die Strahlteilung bei der Autokollimations-Lichtschranke entstehenden Teilsendebündel/Empfangslichtbündel wahlweise genutzt werden. Zu diesem Zweck können im entsprechenden Sensorgehäuse an zwei benachbarten Gehäuseflächen Lichtaustritts-/Lichteintrittsöffnungen vorgesehen sein, die entweder im Produktionsprozeß, z. B. ganz am Ende desselben, oder gegebenenfalls erst am Anbauort des Sensors mit wenigen Handgriffen wahlweise aktiviert werden können. Ferner ist es möglich, sowohl zur Entkoppelung des aktiven und passiven optischen Pfades, als auch zur sicheren Erkennung stark reflektierender Gegenstände lineare und/oder zirkulare Polarisationsfilter im optischen Strahlengang zu verwenden.According to the invention, both can thus by the Beam splitting in the autocollimation light barrier resulting partial transmission bundle / reception light bundle optionally be used. For this purpose you can in the corresponding Sensor housing on two adjacent housing surfaces Light exit / light entry openings may be provided either in the production process, e.g. B. at the very end of it, or possibly only at the mounting location of the sensor with a few Handles can optionally be activated. Furthermore, it is possible, both for decoupling the active and passive optical path, as well as strong for reliable detection reflective objects linear and / or circular To use polarization filters in the optical beam path.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß in der Produktion eine Halbierung der Variantenvielfalt erreicht wird. Ferner wird bei einer Modifikation des Sensors am Anbauort für den Anwender durch die flexible Einsatzmöglichkeit der Kundennutzen deutlich erhöht.The invention has the advantage that a Halving the variety of variants is achieved. Furthermore, when the sensor is modified at the installation site for the Users thanks to the flexible application of the Customer benefits increased significantly.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are in the Subclaims specified.
Im nachfolgenden wird die Erfindung anhand von zwei Zeichnungen beschrieben.In the following the invention is based on two Described drawings.
Diese zeigen:These show:
Fig. 1 Zwei Seitenansichten (a) und (b) des Autokollimations-Sensors mit physikalischem Teilerspiegel in schematischer Darstellung. Fig. 1 Two side views (a) and (b) of the autocollimation sensor with a physical divider mirror in a schematic representation.
Fig. 2 Zwei Seitenansichten (c) und (d)des Autokollimations-Sensors mit geometrisch geteiltem Spiegel in schematischer Darstellung. Fig. 2 Two side views (c) and (d) of the autocollimation sensor with a geometrically divided mirror in a schematic representation.
Gemeinsam bei allen bevorzugten Ausführungsarten besteht der Sensor aus dem Gehäuse (1), das die um vorzugsweise 90° versetzen Lichtaustritts-/Lichteintrittsöffnungen aufweist. Ferner sind in diesem Gehäuse die Lichtquelle (2), welche insbesondere als Halbleiterstrahlungsquelle ausgebildet ist, der photoelektrische Wandler (3) sowie die optischen und die nicht im einzelnen dargestellten elektrischen Komponenten integriert.Together with all preferred embodiments, the sensor consists of the housing ( 1 ) which has the light exit / entry openings which are preferably offset by 90 °. Furthermore, the light source ( 2 ), which is designed in particular as a semiconductor radiation source, the photoelectric converter ( 3 ) and the optical and the electrical components (not shown in detail) are integrated in this housing.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Sensors mit physikalischem Teilerspiegel wird nachfolgend in Fig. 1 beschrieben. Entsprechend Fig. 1a bzw. 1b fällt die Strahlung der Lichtquelle (2) auf den physikalischen Teilerspiegel (4) und wird dabei in zwei nahezu gleichwertige Teilstrahlen (5′) und (5′′) aufgespalten. In Fig. 1a wird der am Teilerspiegel reflektierte Teilstrahl (5′) an der Innenfläche des Gehäuses (1) absorbiert, während der Teilstrahl (5′′), der vom physikalischen Teilerspiegel durchgelassen wird, mittels der Optik (6) gebündelt wird und so zum auf der gegenüberliegenden Seite der Überwachungsstrecke angeordneten Retroreflektor (7) gelangt. Dazu äquivalent wird in der Variante-nach Fig. 1b der Teilstrahl (5′′) intern absorbiert und der Teilstrahl (5′) zum Retroreflektor (7) geschickt.The functioning of the sensor according to the invention with a physical divider mirror is described below in FIG. 1. According to Fig. 1a and 1b, the radiation from the light source ( 2 ) falls on the physical splitter mirror ( 4 ) and is split into two almost equivalent partial beams ( 5 ') and ( 5 ''). In Fig. 1a, the partial beam reflected on the divider mirror ( 5 ') is absorbed on the inner surface of the housing ( 1 ), while the partial beam ( 5 ''), which is transmitted by the physical divider mirror, is bundled by means of the optics ( 6 ) and so arrives at the retroreflector ( 7 ) arranged on the opposite side of the monitoring section. Equivalent to this, the partial beam ( 5 '') is absorbed internally in the variant according to FIG. 1b and the partial beam ( 5 ') is sent to the retroreflector ( 7 ).
In beiden Fällen wird die am Retroreflektor nach dem Autokollimationsprinzip in sich zurückreflektierte Strahlung über die nun als Empfangslinse wirkende Optik (6) wieder zum physikalischen Teilerspiegel geführt und erfährt dabei in gleicher Weise wiederum eine Aufspaltung in zwei Empfangsteilstrahlen. In Fig. 1a gelangt der am Teilerspiegel reflektierte Teilstrahl zum photoelektrischen Wandler (3), während der durchgelassene Anteil in die Lichtquelle (2) zurückfällt. Am photoelektrischen Wandler (3) wird die auftreffende optische Strahlung in ein elektrisches Signal umgewandelt und einer hier nicht dargestellten Signalverarbeitungsstufe zugeführt, welche nach den allgemein bekannten Verfahren einen entsprechenden Ausgang über den Zustand der Überwachungsstrecke abgibt. Analog dazu ist der Verlauf entsprechend Fig. 1b umgekehrt. Es ist somit erklärlich, daß selbst bei verlust- und streulichtfreiem Retroreflektor max. 25 -% der Strahlung von der Lichtquelle nach Durchlaufen der Überwachungsstrecke und Retroreflexion zum Empfänger gelangen können.In both cases, the radiation reflected back at the retroreflector according to the autocollimation principle is again guided via the optics ( 6 ) now acting as the receiving lens to the physical divider mirror and in the same way undergoes splitting in the same way into two receiving partial beams. In Fig. 1a, the partial beam reflected at the splitter mirror reaches the photoelectric converter ( 3 ), while the transmitted portion falls back into the light source ( 2 ). At the photoelectric converter ( 3 ), the incident optical radiation is converted into an electrical signal and fed to a signal processing stage, not shown here, which emits a corresponding output via the state of the monitoring section according to the generally known methods. Analogously, the course corresponding to FIG. 1b is reversed. It can therefore be explained that even with a loss-free and stray light-free retroreflector, max. 25% of the radiation from the light source can pass to the receiver after passing through the monitoring section and retroreflecting.
Erfindungsgemäß wird diese vom System vorgegebene scheinbar nachteilige Energiebilanz verwendet, um die Vielfalt an möglichen Bauformen einzuschränken. Dies ist nach der Erfindung möglich, weil das Gehäuse (1) so ausgeführt ist, daß die Optik (6) sowohl an der Schmalseite entsprechend Fig. 1a als auch an der Breitseite entsprechend Fig. 1b wahlweise eingesetzt werden kann. Zu diesem Zweck wird das Gehäuse entsprechend den in den Ansprüchen näher beschriebenen Bauformen ausgeführt sein. According to the system, this apparently disadvantageous energy balance, which is predetermined by the system, is used to limit the variety of possible designs. This is possible according to the invention because the housing ( 1 ) is designed such that the optics ( 6 ) can be used either on the narrow side according to FIG. 1a or on the broad side according to FIG. 1b. For this purpose, the housing will be designed according to the designs described in more detail in the claims.
Eine weitere, entsprechend der Erfindung vorteilhafte, Ausführungsvariante wird anhand der Fig. 2 beschrieben. Hier wird ein geometrisch geteilter Teilerspiegel (8) eingesetzt. Dieser Teilerspiegel besteht zumindest aus einem Spiegel segment mit möglichst hohem Reflexionsgrad, wobei zusätzlich ein Segment mit möglichst geringem Reflexionsgrad vorgesehen sein kann. Über die Zuordnung/Justage dieses geometrisch geteilten Teilerspiegels (8) innerhalb des optischen Systems ist sichergestellt, daß der halbe Sendestrahlquerschnitt auf das Spiegelsegment fällt, die andere Hälfte sich dagegen am Spiegel vorbei ausbreitet bzw. der reflexionsfreien oder reflexionsarmen Teilfläche zugeordnet ist.A further embodiment variant which is advantageous according to the invention is described with reference to FIG. 2. A geometrically divided divider mirror ( 8 ) is used here. This divider mirror consists at least of a mirror segment with the highest possible degree of reflection, wherein a segment with the lowest possible degree of reflection can additionally be provided. The assignment / adjustment of this geometrically divided divider mirror ( 8 ) within the optical system ensures that half the transmission beam cross-section falls on the mirror segment, while the other half spreads past the mirror or is assigned to the reflection-free or low-reflection partial area.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist ein verkürzter Teilerspiegel (8) dargestellt, der nur aus einem Segment mit hohem Reflexionsgrad besteht.A shortened divider mirror ( 8 ) is shown in the embodiment according to FIG. 2, which consists of only one segment with a high degree of reflection.
In einer alternativen Ausführung kann dieser Teilerspiegel durch ein Segment mit geringerem Reflexionsgrad verlängert sein, welches beispielsweise aus durchsichtigem Glas be steht, das zur Verringerung seines restlichen Reflexions vermögens noch in geeigneter Weise vergütet sein kann. Hierdurch werden Probleme vermieden, die aufgrund der im Ausbreitungsweg des Lichtstrahls liegenden Kante des ver kürzten Teilerspiegels auftreten können.In an alternative embodiment, this divider mirror extended by a segment with a lower reflectance be, for example, be made of transparent glass stands to reduce his remaining reflection assets can still be appropriately remunerated. This avoids problems due to the im Edge of propagation of the light beam lying ver shortest split mirror can occur.
Auf diesem Wege wird erreicht, daß zwei Halbstrahlen (9′) und (9′′) entstehen, deren Strahlrichtung einen Winkel, in Abhängigkeit von der Winkellage des Teilerspiegels, zueinander bilden. Vorzugsweise steht der Teilerspiegel unter 45° zur Sendestrahlrichtung, so daß die beiden Halbstrahlen (9′),(9′′) einen Winkel von 90° zueinander einschließen. Nach Fig. 2c wird der Teilstrahl (9′) am Teilerspiegel (8) reflektiert und danach von der Innenwand des Gehäuses (1) absorbiert, während der Teilstrahl (9′′) vom Teilerspiegel (8) unbeeinflußt, die obere Hälfte der Optik (6) ausleuchtet. Der Teilstrahl (9′′) durchstrahlt nun ebenfalls die Überwachungsstrecke und trifft an dessen Ende auf den Retroreflektor (7). Hierzu äquivalent wird in der Variante nach Fig. 2d der Teilstrahl (9′′) intern absorbiert und der Teilstrahl (9′) zum Retroreflektor (7) geschickt. Bei dieser Art der Strahlteilung mit einem geometrischen Teilerspiegel werden die bei einem üblichen Retroreflektor vorhandenen Streuwinkel (der nach erfolgter Autokollimation reflektierte Lichtstrahl hat eine kleine Winkelabweichung zum einfallenden Lichtstrahl) sowie der Tripelversatz ausgenutzt. Da typischerweise die Länge der Überwachungsstrecke dem 100-fachen des Durchmessers der Optik (6) entspricht, wird bereits bei sehr kleinen Streuwinkeln die nun als Empfangslinse wirkende Optik (6), voll ausgeleuchtet. Dabei gelangt die Strahlung, welche in das sendeseitig nicht benutzte Flächenelement der Optik (6) fällt, auf den photoelektrischen Wandler (3) und wird dort, wie oben beschrieben, weiter ausgewertet.In this way it is achieved that two half-rays ( 9 ') and ( 9 '') are formed, the beam direction of which form an angle, depending on the angular position of the splitter mirror. The divider mirror is preferably at 45 ° to the transmission beam direction, so that the two half beams ( 9 '), (9'') enclose an angle of 90 ° to one another. According to Fig. 2c, the partial beam ( 9 ') is reflected on the splitter mirror ( 8 ) and then absorbed by the inner wall of the housing ( 1 ), while the partial beam ( 9 '') is unaffected by the splitter mirror ( 8 ), the upper half of the optics ( 6 ) illuminates. The partial beam ( 9 '') now also radiates through the monitoring section and strikes the retroreflector ( 7 ) at its end. Equivalent to this, the partial beam ( 9 '') is absorbed internally in the variant according to Fig. 2d and the partial beam ( 9 ') is sent to the retroreflector ( 7 ). With this type of beam splitting with a geometric divider mirror, the scattering angles available with a conventional retroreflector (the light beam reflected after autocollimation has a small angular deviation from the incident light beam) and the triple offset are used. Since typically the length of the monitoring section 100 times the diameter of the optic (6), even at very small scattering angles is now acting as a receiving lens system (6), fully illuminated. The radiation that falls into the surface element of the optics ( 6 ) that is not used on the transmission side reaches the photoelectric converter ( 3 ) and is further evaluated there, as described above.
Während die Energiebilanz der Ausführungsvariante nach Fig. 2 (geometrischer Teilerspiegel) sehr ähnlich der Variante nach Fig. 1 (physikalischer Teilerspiegel) ist, unterscheiden sich beide Systeme, wenn zur Unterdrückung von Störreflexionen im Überwachungsbereich Polarisationsfilter verwendet werden sollen.While the energy balance of the embodiment variant according to FIG. 2 (geometric divider mirror) is very similar to the variant according to FIG. 1 (physical divider mirror), the two systems differ when polarization filters are to be used to suppress interference reflections in the monitoring area.
Dies liegt im wesentlichen daran, daß der physikalische Teilerspiegel selbst Polarisationseigenschaften aufweist, die berücksichtigt werden müssen. Aus diesem Grunde ist vorgesehen, bei der Verwendung von Polarisationsfilter in der erfinderrischen Vorrichtung nach Fig. 1, ein zirkulares Polfilter (10) auf der Innenseite des Objektives (6) zu verwenden. Bei der Ausführung der Variante nach Fig. 2 dagegen könnte entweder ein zirkulares Polfilter an der Innenseite des Objektives oder zwei lineare Polarisationsfilter (11) und (12), welche in ihrer Polarisationsrichtung um 90° gekreuzt vor dem Sender bzw. dem Wandler angeordnet sind, zum Einsatz kommen.This is essentially due to the fact that the physical divider mirror itself has polarization properties that must be taken into account. For this reason, when using polarization filters in the inventive device according to FIG. 1, it is provided to use a circular polarizing filter ( 10 ) on the inside of the objective ( 6 ). In the embodiment of the variant according to FIG. 2, however, could be either a circular polarization filter on the inside of the lens or two linear polarization filter (11) and (12) which are crossed in its polarization direction by 90 degrees arranged in front of the transmitter and the transducer, are used.
BezugszeichenlisteReference list
1 Gehäuse
2 Lichtquelle
3 Photoelektrischer Wandler
4 Physikalischer Teilerspiegel
5′ Teilstrahl
5′′ Teilstrahl
6 Optik
7 Retroreflektor
8 Geometrisch geteilter Teilerspiegel
9′ Halbstrahl
9′′ Halbstrahl
10 Zirkulares Polarisationsfilter
11 Lineares Polarisationsfilter
12 Lineares Polarisationsfilter 1 housing
2 light source
3 Photoelectric converter
4 Physical division mirror
5 ′ partial beam
5 ′ ′ partial beam
6 optics
7 retroreflector
8 Geometrically divided divider mirror
9 ′ half beam
9 ′ ′ half beam
10 circular polarization filter
11 Linear polarization filter
12 Linear polarization filter
Claims (12)
Priority Applications (1)
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ID=7806869
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| DE1996139403 Withdrawn DE19639403A1 (en) | 1996-09-25 | 1996-09-25 | Opto-electronic sensor for identification of objects during monitoring |
Country Status (1)
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| DE (1) | DE19639403A1 (en) |
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Legal Events
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| OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |