DE102016122334A1 - Optical measuring device for monitoring and detecting objects in a surveillance area - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung zum Überwachen und Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich, mit mindestens einer Sendeeinheit zum Aussenden von Lichtpulsen in den Überwachungsbereich, wobei die Sendeeinheit eine drehbare Ablenkeinheit aufweist zum Überstreichen des Überwachungsbereichs, insbesondere mindestens in einer Ebene, mit einem Messstrahl, mit einer Empfangseinheit zum Nachweis von durch zu erfassende Objekte im Überwachungsbereich reflektierten Lichtpulsen und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit zum Ansteuern der Sendeeinheit, zum Auswerten der von der Empfangseinheit nachgewiesenen Lichtpulse und zum Ermitteln einer Position von erfassten Objekten im Überwachungsbereich auf Grundlage einer Laufzeit von nachgewiesenen Lichtpulsen und eines Winkels, unter dem die Lichtpulse ausgesandt wurden. Die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit ortsfest positioniert ist und dass ein Akzeptanzwinkel der Empfangseinheit so groß ist und die Empfangseinheit so weit von dem Überwachungsbereich entfernt positioniert ist, dass reflektierte Lichtpulse aus dem gesamten Überwachungsbereich von der Empfangseinheit empfangbar sind.The invention relates to an optical measuring device for monitoring and detecting objects in a surveillance area, comprising at least one transmitting unit for emitting light pulses into the surveillance area, the transmitting unit having a rotatable deflection unit for sweeping the surveillance area, in particular at least in one plane, with a measuring beam. with a receiving unit for detecting light pulses reflected by objects to be detected in the surveillance area and with a control and evaluation unit for controlling the transmitting unit, for evaluating the light pulses detected by the receiving unit and for determining a position of detected objects in the surveillance area on the basis of a runtime of detected Light pulses and an angle at which the light pulses were emitted. The optical measuring device according to the invention is characterized in that the receiving unit is stationarily positioned and that an acceptance angle of the receiving unit is so large and the receiving unit is positioned so far away from the monitoring area, that reflected light pulses from the entire monitoring area of the receiving unit can be received.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung zum Überwachen und Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to an optical measuring device for monitoring and detecting objects in a surveillance area according to the preamble of claim 1.
Eine gattungsgemäße optische Messvorrichtung weist folgende Komponenten auf: mindestens eine Sendeeinheit zum Aussenden von Lichtpulsen in den Überwachungsbereich, wobei die Sendeeinheit eine drehbare Ablenkeinheit aufweist zum Überstreichen des Überwachungsbereichs, insbesondere mindestens in einer Ebene, mit einem Messstrahl, eine Empfangseinheit zum Nachweis von durch zu erfassende Objekte im Überwachungsbereich reflektierten Lichtpulsen und eine Steuer-und Auswerteeinheit zum Ansteuern der Sendeeinheit, zum Auswerten der von der Empfangseinheit nachgewiesenen Lichtpulse und zum Ermitteln einer Position von erfassten Objekten im Überwachungsbereich auf Grundlage einer Laufzeit von nachgewiesenen Lichtpulsen und eines Winkels, unter dem die Lichtpulse ausgesandt wurden.A generic optical measuring device has the following components: at least one transmitting unit for emitting light pulses in the monitoring area, wherein the transmitting unit comprises a rotatable deflection unit for sweeping the monitoring area, in particular at least in one plane, with a measuring beam, a receiving unit for detecting by to be detected Objects in the surveillance area reflected light pulses and a control and evaluation unit for driving the transmitting unit, for evaluating the detected by the receiving unit light pulses and for determining a position of detected objects in the surveillance area based on a duration of detected light pulses and an angle at which the light pulses emitted were.
Optische Messvorrichtungen dieser Art werden auch als 2D-Scanner bezeichnet.Optical measuring devices of this type are also referred to as 2D scanners.
Eine gattungsgemäße optische Messvorrichtung ist beispielsweise bekannt aus
Die dort beschriebene Messvorrichtung ist vergleichsweise aufwändig aufgebaut, denn sowohl im Sendestrahlengang als auch im Empfangsstrahlengang wird der Lichtstrahl mit einem drehbaren Spiegel manipuliert.The measuring device described there is constructed comparatively complex, because both in the transmit beam path and in the receive beam path of the light beam is manipulated with a rotatable mirror.
Als eine Aufgabe der Erfindung kann angesehen werden, eine optische Messvorrichtung zu schaffen, die bei im Wesentlichen gleicher Funktionalität im Vergleich zum Stand der Technik einfacher und kostengünstiger ist.As an object of the invention, it can be considered to provide an optical measuring device which is simpler and less expensive at substantially the same functionality as compared to the prior art.
Diese Aufgabe wird durch die optische Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the optical measuring device having the features of claim 1.
Die optische Messvorrichtung der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass die Empfangseinheit ortsfest positioniert ist und dass ein Akzeptanzwinkel der Empfangseinheit so groß ist und die Empfangseinheit so weit von dem Überwachungsbereich entfernt positioniert ist, dass reflektierte Lichtpulse aus dem gesamten Überwachungsbereich von der Empfangseinheit empfangbar sind.The optical measuring device of the type specified above is inventively further developed in that the receiving unit is positioned stationary and that an acceptance angle of the receiving unit is so large and the receiving unit is positioned so far from the monitoring area that reflected light pulses from the entire monitoring area of the receiving unit receivable are.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung werden in der folgenden Beschreibung, insbesondere mit Bezug auf die abhängigen Ansprüche und die Figuren, beschrieben.Advantageous developments of the optical measuring device according to the invention will be described in the following description, in particular with reference to the dependent claims and the figures.
Als optische Messvorrichtungen zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich werden Geräte bezeichnet, bei denen in irgendeiner Weise das von Objekten in einem Raumbereich, dem Überwachungsbereich, abgestrahlte oder zurückgestrahlte Licht zu deren Nachweis verwendet wird.Optical measuring devices for detecting objects in a surveillance area are devices in which in some way the light emitted by objects in a spatial area, the surveillance area, or reflected light is used to detect them.
Eine drehbare Ablenkeinheit ist eine technische Einrichtung zum Ablenken eines Lichtstrahls, bei der mindestens eine drehbare Komponente vorhanden ist. Typischerweise weist solch eine Ablenkeinheit einen Drehspiegel auf. Grundsätzlich können aber auch andere strahlmanipulierende Komponenten gedreht werden.A rotatable deflection unit is a technical device for deflecting a light beam in which at least one rotatable component is present. Typically, such a deflection unit has a rotating mirror. In principle, however, other beam manipulating components can be rotated.
Eine Bewegung eines kontinuierlich abgelenkten Lichtstrahls über ein bestimmtes Raumvolumen, nämlich den Überwachungsbereich, wird als Überstreichen des Überwachungsbereichs bezeichnet. Typischerweise erfolgt dieses Überstreichen mindestens in einer Ebene mit einem Messstrahl. Damit ist gemeint, dass der von dem Lichtstrahl beaufschlagte Raumbereich mindestens teilweise in einer Ebene liegt. Prinzipiell kann der mit Licht bestrahlte Raumbereich aber auch andere Formen, beispielsweise die Form eines Kegelmantels, aufweisen.A movement of a continuously deflected light beam over a certain volume of space, namely the surveillance area, is referred to as sweeping the surveillance area. Typically, this sweeping is done at least in one plane with a measuring beam. By this is meant that the area of space acted upon by the light beam lies at least partially in one plane. In principle, however, the space area irradiated with light can also have other shapes, for example the shape of a cone sheath.
Als Licht wird im Rahmen dieser Beschreibung elektromagnetische Strahlung in den Wellenlängenbereichen bezeichnet, die bei optischen Sensoren typischerweise zum Einsatz kommen, also im Wesentlichen sichtbares Licht und Infrarotlicht. Die hier beschriebenen Prinzipien der Erfindung hängen aber nicht im Einzelnen von der verwendeten Wellenlänge ab. Als Lichtpulse werden kurze Pulse der elektromagnetischen Strahlung bezeichnet, die beispielsweise eine Länge im Bereich von Nanosekunden bis Mikrosekunden aufweisen können. Grundsätzlich kommt es darauf an, dass die Pulse für Laufzeitmessungen zur Abstandsbestimmung geeignet sind.In the context of this description, light is defined as electromagnetic radiation in the wavelength ranges which are typically used in optical sensors, that is to say substantially visible light and infrared light. However, the principles of the invention described herein do not depend in detail on the wavelength used. Light pulses are short pulses of electromagnetic radiation, which may for example have a length in the range of nanoseconds to microseconds. Basically, it is important that the pulses are suitable for transit time measurements for distance determination.
Als Sendeeinheit können grundsätzlich alle Quellen elektromagnetischer Strahlung zum Einsatz kommen, die die Strahlung in dem gewünschten Wellenlängenbereich mit der gewünschten Intensität bereitstellen. Besonders bevorzugt kann bei der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung die Sendeeinheit mindestens einen Halbleiterstrahler aufweisen, insbesondere eine Leuchtdiode (LED), einen Laser, einen VCSEL (Englisch: vertical cavity surface emitting laser) und/oder eine RCLED (Englisch: resonant cavity light emitting device).In principle, all sources of electromagnetic radiation which provide the radiation in the desired wavelength range with the desired intensity can be used as the transmitting unit. Particularly preferably, in the optical measuring device according to the invention, the transmitting unit have at least one semiconductor emitter, in particular a light emitting diode (LED), a laser, a VCSEL (English: vertical cavity surface emitting laser) and / or a RCLED (English: resonant cavity light emitting device). ,
Als Empfangseinheit können prinzipiell alle Einrichtungen eingesetzt werden, die die elektromagnetische Strahlung in den verwendeten Wellenlängenbereichen hinreichend empfindlich detektieren und im Hinblick auf bauliche Erfordernisse (Baugröße) geeignet sind. Insbesondere müssen diese Einrichtungen auch zum Nachweis von kurzen Lichtpulsen geeignet sein. Bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung weist die Empfangseinheit mindestens eine Fotodiode, insbesondere eine PIN-Diode (Englisch: positive intrinsic negative diode) oder eine Avalanche-Photodiode, auf.In principle, all devices which detect the electromagnetic radiation sufficiently sensitively in the wavelength ranges used can be used as the receiving unit and with regard to structural requirements (size) are suitable. In particular, these devices must also be suitable for the detection of short light pulses. In advantageous embodiments of the optical measuring device according to the invention, the receiving unit has at least one photodiode, in particular a PIN diode (English: positive intrinsic negative diode) or an avalanche photodiode.
Eine Steuer- und Auswerteeinheit ist eine elektronische Komponente, mit welcher die für die erfindungsgemäße Messvorrichtung notwendigen Steuer- und Auswerteaufgaben durchgeführt werden können. Typischerweise kommen hierbei multifunktionale, insbesondere programmierbare, Einrichtungen, wie Mikrocontroller oder FPGAs, zum Einsatz. Diese Einrichtungen können sowohl digitale als auch analoge Funktionen, wie Digital-Analog-Wandler und Zeitmessmodule, aufweisen.A control and evaluation unit is an electronic component with which the control and evaluation tasks necessary for the measuring device according to the invention can be carried out. Typically, multifunctional, in particular programmable, devices such as microcontrollers or FPGAs are used. These devices can have both digital and analog functions, such as digital-to-analog converters and timing modules.
Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Position von im Überwachungsbereich erfassten Objekten auf Grundlage einer Laufzeit von nachgewiesenen Lichtpulsen ermittelt. Das bedeutet, dass eine Zeitdifferenz zwischen einem Aussendezeitpunkt und dem Zeitpunkt, zu dem der zurückreflektierte Lichtpuls nachgewiesen wird, gemessen wird. Multiplikation mit der Lichtgeschwindigkeit liefert dann die zurückgelegte Wegstrecke, die dem doppelten Abstand des Objekts von der Messeinrichtung entspricht. Wenn zusätzlich noch eine Winkelinformation, nämlich der Winkel, unter dem der Lichtpuls ausgesendet und empfangen wurde, ausgewertet wird, kann die Position eines Objekts im Überwachungsbereich in einer Messebene bestimmt werden. Weil die Zeitdauer, in denen ein Lichtpuls vom Sender zum Objekt und zurück zum Empfänger läuft, verschwindend gering ist im Vergleich zu Zeitdauern, in denen sich die Ablenkeinheit signifikant dreht, kann die Auswertung davon ausgehen, dass die Position der Ablenkeinheit beim Senden und Empfangen gleich ist.In the present invention, a position of objects detected in the surveillance area is determined based on a duration of detected light pulses. This means that a time difference between a transmission time and the time at which the reflected light pulse is detected is measured. Multiplication with the speed of light then provides the distance covered, which corresponds to twice the distance of the object from the measuring device. If, in addition, an angle information, namely the angle at which the light pulse was emitted and received, is evaluated, the position of an object in the monitoring area in a measuring plane can be determined. Because the amount of time that a light pulse passes from the transmitter to the object and back to the receiver is negligible compared to periods of time in which the deflection unit rotates significantly, the evaluation may assume that the position of the deflection unit is equal during transmission and reception is.
Der Winkel, unter dem die Lichtpulse ausgesandt werden, hängt funktional mit einer Winkelstellung der drehbaren Ablenkeinheit zusammen. Eine äquivalente Bedingung dafür, dass die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet ist zum Ermitteln einer Position eines erfassten Objekts abhängig insbesondere von dem Winkel, unter dem die Lichtpulse ausgesandt wurden, ist demgemäß, dass die Position in Abhängigkeit einer Winkelstellung der drehbaren Ablenkeinheit ermittelt wird. Zur Erfassung der Winkelstellung der drehbaren Ablenkeinheit können Winkelmesseinrichtungen grundsätzlich bekannter Art eingesetzt werden.The angle at which the light pulses are emitted is functionally related to an angular position of the rotatable deflection unit. An equivalent condition for the control and evaluation unit to be set up to determine a position of a detected object depending in particular on the angle at which the light pulses were emitted is accordingly that the position is determined as a function of an angular position of the rotatable deflection unit. For detecting the angular position of the rotatable deflection angle measuring devices basically known type can be used.
Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist, dass die Empfangseinheit ortsfest ist. Damit ist insbesondere gemeint, dass die Empfangseinheit, anders als die Sendeeinheit, bei der der Messstrahl über oder durch den Überwachungsbereich bewegt wird, Licht aus einem gleich bleibenden, sich also zeitlich nicht verändernden Erfassungsbereich oder Raumbereich erfasst (sofern nicht Blendenmittel vorhanden sind, siehe unten). Bei einer besonders bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist die Empfangseinheit frei von beweglichen Teilen. Erfindungsgemäß sind also Situationen, bei denen die Empfangseinheit grundsätzlich aus dem gesamten Überwachungsbereich Lichtpulse empfangen kann. Als erfindungsgemäß wird aber auch erachtet, wenn weitere Mittel, beispielsweise Blenden, vorhanden sind, um den Akzeptanzwinkel der Empfangseinheit aktiv und gezielt zu reduzieren.Essential for the present invention is that the receiving unit is stationary. This means, in particular, that the receiving unit, unlike the transmitting unit, in which the measuring beam is moved over or through the monitoring area, detects light from a constant, thus temporally non-changing detection area or area (unless aperture means are present, see below ). In a particularly preferred variant of the measuring device according to the invention, the receiving unit is free of moving parts. Thus, according to the invention, situations are situations in which the receiving unit can basically receive light pulses from the entire monitoring area. However, it is also considered according to the invention if further means, for example diaphragms, are present in order to actively and specifically reduce the acceptance angle of the receiving unit.
Unter dem Begriff des Akzeptanzwinkels der Empfangseinheit wird im strengen Sinn derjenige Raumwinkel bezeichnet, aus welchem einkommende Strahlung von dem Empfänger nachgewiesen werden kann. Grundsätzlich muss der Öffnungsbereich dabei nicht kegelförmig sein. Beispielsweise kann der Öffnungswinkel, in einer Richtung, etwa in der Messebene (auch dieser Öffnungswinkel wird hier als Akzeptanzwinkel bezeichnet) größer sein, typischerweise einige 10°, als in einer Ebene senkrecht dazu, wo er beispielsweise nur bis zu 10° betragen kann.In the strict sense, the term acceptance angle of the receiving unit refers to that solid angle from which incoming radiation can be detected by the receiver. Basically, the opening area does not have to be cone-shaped. For example, the opening angle, in one direction, approximately in the measuring plane (also this opening angle is referred to here as the acceptance angle) be greater, typically some 10 °, as in a plane perpendicular thereto, where it may be, for example, only up to 10 °.
Mit dem Merkmal, dass der Akzeptanzwinkel so groß und die Empfangseinheit so weit von dem Überwachungsbereich entfernt positioniert ist, dass reflektierte Lichtpulse aus dem gesamten Überwachungsbereich von der Empfangseinheit empfangbar sind, soll zum Ausdruck gebracht werden, dass die Positionierung der Empfangseinheit relativ zu dem Überwachungsbereich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung so geartet ist, dass die Empfangseinheit, ohne dass sie bewegt werden muss, Lichtpulse aus dem gesamten Überwachungsbereich erfassen kann.With the feature that the acceptance angle is so large and the receiving unit is positioned so far away from the surveillance area that reflected light pulses from the entire surveillance area are receivable by the receiving unit, it should be expressed that the positioning of the receiving unit relative to the surveillance area the device according to the invention is such that the receiving unit, without having to be moved, can detect light pulses from the entire surveillance area.
Als ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung kann also angesehen werden, den Aufwand auf der Empfangsseite dadurch zu reduzieren, dass eine Empfangseinheit verwendet und diese so auf den Überwachungsbereich ausgerichtet wird, dass sie von vornherein prinzipiell aus dem gesamten Überwachungsbereich Lichtpulse empfangen kann.It can therefore be regarded as a core idea of the present invention to reduce the effort on the receiving side by using a receiving unit and aligning it with the monitoring area in such a way that it can receive light pulses from the outset in principle from the outset.
Die Erfindung hat erkannt, dass es zum Erzielen einer hinreichenden Funktionalität ausreicht, nur den Sendestrahl durch und über den Überwachungsbereich zu führen. Hierdurch kann der Aufwand und können die Kosten, ohne dass im Hinblick auf die Funktionalität Einbußen hinzunehmen sind, signifikant reduziert werden.The invention has recognized that it is sufficient to achieve sufficient functionality to guide only the transmit beam through and over the surveillance area. As a result, the costs and costs can be significantly reduced without having to accept losses in terms of functionality.
Die Hauptidee der Erfindung ist also, einen einfach aufgebauten 2-D Scanner mit drehbarer Ablenkeinheit für den Sendestrahl und feststehenden Empfänger aufzubauen. Für die Ablenkung eines dünnen Sendestrahls z. B. eines Laserstrahls ist eine kleine Ablenkeinheit ausreichend. Der notwendige Bauraum kann dadurch in vorteilhafter Weise reduziert werden. Der Empfänger ist feststehend und wird nicht mitbewegt. Somit lässt sich insgesamt ein 2-D Scanner auf sehr kleinem Bauraum verwirklichen.The main idea of the invention is thus a simply constructed 2-D scanner with rotatable deflection unit for the transmission beam and fixed Build up receiver. For the deflection of a thin transmission beam z. B. a laser beam is a small deflection sufficient. The necessary space can be reduced in an advantageous manner. The receiver is fixed and will not move. Thus, a total of a 2-D scanner in a very small space can be realized.
Um eventuelle Nachteile einer vergleichsweise großen Empfangsfläche, die auch empfindlich für Störungen wie Umgebungs- oder Streulicht ist, zu vermeiden, können mit der Ablenkeinheit synchronisierte Blendenmittel zum Einsatz kommen, die den jeweils benötigten Empfängerbereich freischalten. Bevorzugte Varianten hierzu werden weiter unten beschrieben.In order to avoid any disadvantages of a comparatively large receiving surface, which is also sensitive to disturbances such as ambient or scattered light, synchronizing diaphragm means synchronized with the deflecting unit can be used, which unlock the respectively required receiver region. Preferred variants for this purpose are described below.
Die Trennung von Sende- und Empfangseinheit ermöglicht auch eine bessere optische Trennung, sodass das Übersprechen zwischen Sender und Empfänger reduziert werden kann.Separating the transmitter and receiver also allows for better optical isolation, reducing crosstalk between transmitter and receiver.
Solche Scanner sind zum Beispiel für Kollisionsschutzanwendungen geeignet.Such scanners are suitable, for example, for collision protection applications.
Grundsätzlich kann die Empfangseinheit einen einzigen Lichtdetektor, gegebenenfalls auch mit vergleichsweise großer Empfangsfläche, aufweisen. Bei bevorzugten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung, weist die Empfangseinheit eine Mehrzahl von Einzeldetektoren auf, die jeweils in verschiedenen Raumrichtungen auf den Überwachungsbereich ausgerichtet sind. Die Empfangseinheit kann so aus vergleichsweise kostengünstigen und erhältlichen Einzeldetektoren aufgebaut werden.In principle, the receiving unit can have a single light detector, possibly also with a comparatively large receiving surface. In preferred embodiments of the optical measuring device according to the invention, the receiving unit has a plurality of individual detectors which are each aligned in different spatial directions on the monitoring area. The receiving unit can be constructed from comparatively inexpensive and available individual detectors.
Prinzipiell kommt es für die Verwirklichung der Erfindung darauf an, dass die Empfangseinheit so positioniert ist, dass Lichtpulse aus dem gesamten Überwachungsbereich nachgewiesen werden können. Darüber hinaus sind in der Regel aber Randbedingungen, beispielsweise im Hinblick auf die Anordnung der Komponenten in einem Gehäuse zu berücksichtigen. Dabei kann ausgenutzt werden, dass die typischerweise zum Einsatz kommenden Empfangseinheiten und Lichtdetektoren quer zu einer Messebene einen nicht verschwindenden Akzeptanzwinkel aufweisen. Das bedeutet, dass die Empfangseinheit nicht unbedingt genau in der Messebene positioniert werden muss. Bevorzugten Varianten der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung sind deshalb dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit bezogen auf eine durch eine Drehachse der Ablenkeinheit gegebene Richtung versetzt zu der Sendeeinheit angeordnet ist. Dadurch ergeben sich Vorteile im Hinblick auf die Anordnung der einzelnen Komponenten in einem Gehäuse.In principle, it is important for the realization of the invention that the receiving unit is positioned so that light pulses from the entire monitoring area can be detected. In addition, however, boundary conditions, for example with regard to the arrangement of the components in a housing, are generally to be considered. It can be exploited here that the receiving units and light detectors typically used have a non-zero acceptance angle transversely to a measuring plane. This means that the receiving unit does not necessarily have to be positioned exactly in the measuring plane. Preferred variants of the optical measuring device according to the invention are therefore characterized in that the receiving unit is arranged offset in relation to a given by a rotational axis of the deflection unit direction to the transmitting unit. This results in advantages with regard to the arrangement of the individual components in a housing.
Grundsätzlich wird die Erfindung verwirklicht, wenn die Empfangseinheit ortsfest angeordnet ist und von vornherein Lichtpulse aus dem gesamten Überwachungsbereich empfangen kann. Es kann aber vorteilhaft sein, Maßnahmen zu treffen, um den Akzeptanzwinkel der Empfangseinheit mindestens zeitweilig zu reduzieren. Es können also Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung zweckmäßig sein, bei denen eine Selektionseinrichtung vorhanden ist, insbesondere als Teil der Empfangseinheit, zum mindestens zeitweisen Verändern des Akzeptanzwinkels der Empfangseinheit und zum Einstellen einer Empfangsrichtung der Empfangseinheit. Beispielsweise kann diese Selektionseinrichtung von der Steuer- und Auswerteeinheit angesteuert werden oder auch Teil der Steuer- und Auswerteeinheit sein.In principle, the invention is realized when the receiving unit is stationary and can receive light pulses from the entire monitoring area from the outset. However, it may be advantageous to take measures to at least temporarily reduce the acceptance angle of the receiving unit. Thus, embodiments of the optical measuring device according to the invention may be expedient in which a selection device is present, in particular as part of the receiving unit, for at least temporarily changing the acceptance angle of the receiving unit and for setting a receiving direction of the receiving unit. For example, this selection device can be controlled by the control and evaluation unit or else be part of the control and evaluation unit.
Besonders bevorzugt weist die Selektionseinrichtung veränderbare elektronische und/oder oder mechanische Blendenmittel auf. Dadurch kann nur derjenige Winkelbereich oder Raumwinkelbereich der Empfangseinheit zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiviert werden, aus dem zu eben diesem Zeitpunkt reflektierte Lichtpulse aus dem Überwachungsbereich erwartet werden. Möglicherweise aus anderen Richtungen des Überwachungsbereichs auf die Empfangseinheit eintreffendes Licht, beispielsweise Störlicht, kann so unterdrückt werden. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis der Messung kann so vorteilhaft gesteigert werden.Particularly preferably, the selection device has variable electronic and / or mechanical diaphragm means. As a result, only that angle range or solid angle range of the receiving unit can be activated at a specific point in time, from which light pulses reflected at the same time from the monitoring range are expected. Possibly from other directions of the surveillance area incident on the receiving unit light, such as stray light can be suppressed. The signal-to-noise ratio of the measurement can be increased so advantageous.
Vorteilhaft sind also Ausführungen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet ist zum Betätigen der Selektionseinrichtung dergestalt, dass die Empfangseinheit jeweils nur für diejenige Empfangsrichtung aktiv ist, aus der unter Berücksichtigung einer aktuellen Drehstellung der Ablenkeinheit aus dem Überwachungsbereich reflektierte Sendepulse erwartet werden.Thus, embodiments are advantageous, which are characterized in that the control and evaluation unit is arranged to operate the selection device such that the receiving unit is active only for that receiving direction from which, taking into account a current rotational position of the deflection of the monitoring range reflected transmission pulses expected become.
Diese Vorteile können auch erreicht werden bei Ausgestaltungen, bei denen die Einzeldetektoren mit der Selektionseinrichtung separat aktivierbar sind.These advantages can also be achieved in embodiments in which the individual detectors with the selection device can be activated separately.
Vorteilhaft kann also bei der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet sein zum Betätigen der Selektionseinrichtung dergestalt, dass die Empfangseinheit, insbesondere nur, denjenigen Einzeldetektor oder diejenigen Einzeldetektoren aktiviert, für den beziehungsweise für die unter Berücksichtigung einer aktuellen Drehstellung der Ablenkeinheit aus dem Überwachungsbereich reflektierte Sendepulse erwartet werden.Advantageously, in the case of the optical measuring device according to the invention, the control and evaluation unit can be set up to actuate the selection device in such a way that the receiving unit, in particular only, activates that single detector or those individual detectors for or for the one under consideration of a current rotational position of the deflection unit from the monitoring area reflected transmission pulses are expected.
Die Möglichkeit, den Akzeptanzwinkel der Empfangseinheit mit der Selektionseinrichtung gezielt zu manipulieren, liefert weitere vorteilhafte Anwendungen. Beispielsweise kann die Steuer- und Auswerteeinheit auch eingerichtet sein zum Betätigen der Selektionseinrichtung dergestalt, dass die Empfangseinheit außerdem mindestens einen weiteren Einzeldetektor der Einzeldetektoren aktiviert, für den unter Berücksichtigung der aktuellen Drehstellung der Ablenkeinheit aus dem Überwachungsbereich keine reflektierten Sendepulse erwartet werden, wobei ein Messsignal dieses weiteren Einzeldetektors als Monitorsignal für eine vorhandene Hintergrundstrahlung verwendet wird. Mit dem Begriff der Hintergrundstrahlung wird jegliche Streu- oder Störstrahlung bezeichnet. Die so gewonnene Information über eine Hintergrundstrahlung kann dann bei der Auswertung berücksichtigt werden.The possibility of the acceptance angle of the receiving unit with the selection device Targeted manipulation provides additional advantageous applications. For example, the control and evaluation unit can also be set up to operate the selection device such that the receiving unit also activates at least one further individual detector of the individual detectors for which no reflected transmission pulses are expected, taking into account the current rotational position of the deflection unit from the monitoring area, a measurement signal of this another single detector is used as a monitor signal for an existing background radiation. The term background radiation refers to any stray or interfering radiation. The information thus obtained about a background radiation can then be taken into account in the evaluation.
Im Hinblick auf die konkrete Ausgestaltung der Ablenkeinheit kann grundsätzlich auf bekannte technische Lösungen zurückgegriffen werden. Prinzipiell kommt es darauf an, dass der Überwachungsbereich möglichst effektiv von dem Sendelicht, also den Messstrahlen, durchsetzt wird. Zu berücksichtigen ist aber auch, dass die Empfangseinheit eingehende Lichtpulse nicht in beliebiger zeitlicher Dichte nachweisen und verarbeiten kann. Besonders bevorzugt sind Ausgestaltungen, bei denen die Ablenkeinheit der Sendeeinheit mindestens zwei Reflexionsflächen, insbesondere vier Reflexionsflächen, aufweist.With regard to the specific embodiment of the deflection unit can be used in principle to known technical solutions. In principle, it is important that the monitoring area is penetrated as effectively as possible by the transmitted light, ie the measuring beams. However, it must also be considered that the receiving unit can not detect and process incoming light pulses at any desired time density. Embodiments in which the deflection unit of the transmitting unit has at least two reflection surfaces, in particular four reflection surfaces, are particularly preferred.
Um den mit Licht durchsetzten Raumbereich, also den Überwachungsbereich als solchen, zu vergrößern, kann es von Vorteil sein, wenn die Messstrahlen nicht alle in derselben Ebene durch den Überwachungsbereich geführt werden. Technisch kann das so realisiert werden, dass die Reflexionsflächen der Ablenkeinheit zum Bestrahlen von unterschiedlichen Ebenen des Überwachungsbereichs unterschiedliche Anstellwinkel aufweisen.In order to increase the volume of space penetrated by light, that is to say the monitoring area as such, it may be advantageous if the measuring beams are not all guided in the same plane through the monitoring area. Technically, this can be realized in such a way that the reflection surfaces of the deflection unit have different angles of incidence for irradiating different levels of the surveillance area.
Für eine Steigerung der Genauigkeit der Positionsbestimmung kann es zweckmäßig sein, im Überwachungsbereich oder innerhalb der Messvorrichtung, etwa in einem Gehäuse der Messvorrichtung, an definierten Positionen, also in einer bekannten Entfernung und an einer bekannten Winkelposition, Referenzmarken zu positionieren. Dabei kann es sich beispielsweise um kleine Reflektoren handeln. Vorteilhaft sind also Varianten der Erfindung, bei der für Referenzmessungen in dem Überwachungsbereich und/oder innerhalb der Messvorrichtung Referenzmarken vorhanden sind. Wenn man darüber hinaus Referenzmarken mit einer definierten Reflektivität verwendet, können Referenzmessungen nicht nur bezüglich Winkel und Entfernung, sondern auch im Hinblick auf die Amplitude, also die Intensität, des zurückgestrahlten Lichts durchgeführt werden.To increase the accuracy of the position determination, it may be expedient to position reference marks in the monitoring area or within the measuring device, for example in a housing of the measuring device, at defined positions, ie at a known distance and at a known angular position. These may be, for example, small reflectors. Thus, variants of the invention are advantageous in which reference marks are present for reference measurements in the monitoring area and / or within the measuring device. In addition, when using reference marks with a defined reflectivity, reference measurements can be made not only in terms of angle and distance, but also in terms of the amplitude, ie the intensity, of the reflected light.
Ganz grundsätzlich kann die Steuer- und Auswerteeinheit auch dazu eingerichtet sein, eine Amplitude oder einen Energieinhalt eines nachgewiesenen Lichtpulses zur Objektidentifizierung und Objekterkennung, beispielsweise durch Vergleich mit eingelernten Werten, zu berücksichtigen. Dahinter steht, dass unterschiedliche Objekte im Allgemeinen auch ein unterschiedliches Reflexionsvermögen, also eine unterschiedliche Reflexivität, für das jeweils verwendete Sendelicht aufweisen.In principle, the control and evaluation unit can also be set up to take into account an amplitude or an energy content of a detected light pulse for object identification and object recognition, for example by comparison with learned-in values. The reason for this is that different objects generally also have a different reflectivity, ie a different reflectivity, for the transmitted light used in each case.
Um für einen Benutzer eine Information darüber bereitzustellen, wo genau sich der Überwachungsbereich befindet, kann es von Vorteil sein, wenn die Sendeeinheit eine Hauptlichtquelle und eine zusätzliche Lichtquelle als Pilot-Lichtquelle aufweist, die so angeordnet ist, dass sie dieselben Überwachungspunkte wie ein von der Hauptlichtquelle ausgehender Messstrahl im Überwachungsbereich beleuchtet. Bevorzugt sendet die Pilot-Lichtquelle Licht im sichtbaren Bereich aus.In order to provide a user with information about where exactly the surveillance area is, it may be advantageous if the transmission unit has a main light source and an additional light source as pilot light source arranged to have the same surveillance points as one of the Main light source emitting measuring beam illuminated in the surveillance area. Preferably, the pilot light source emits light in the visible range.
Bei zweckmäßigen Ausgestaltungen sind die Hauptlichtquelle und die Pilot-Lichtquelle einander gegenüberliegend angeordnet.In expedient embodiments, the main light source and the pilot light source are arranged opposite one another.
Die von der Pilot-Lichtquelle bereitgestellte Information ist besonders genau, wenn das Licht der Hauptlichtquelle und das Licht der Pilot-Lichtquelle koaxial in einen Sendestrahlengang eingespiegelt werden. Um dieses Einspiegeln zu bewerkstelligen können halbdurchlässige Spiegel zum Einsatz kommen. Auftreffpunkte des Strahls der Hauptlichtquelle und der Pilot-Lichtquelle sind dann identisch. Man erhält eine genaue Informationen darüber, welcher Teil des Überwachungsbereich abgetastet wird.The information provided by the pilot light source is particularly accurate when the light of the main light source and the light of the pilot light source are coaxially reflected in a transmission beam path. To accomplish this mirroring, semi-transparent mirrors can be used. Impact points of the beam of the main light source and the pilot light source are then identical. One obtains accurate information about which part of the surveillance area is being scanned.
Bevorzugt sind weiterhin Varianten der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung, bei denen die Ablenkeinheit zwei übereinander angeordnete Einheiten aufweist, die bezogen auf die Rotationsachse um 90° zueinander versetzt sind. Das in unterschiedlichen Ebenen des Überwachungsbereich eingestrahlte Sendelicht ist auf diese Weise im Hinblick auf das Überstreichen des jeweiligen Teilbereichs des Überwachungsbereich um 90° zueinander phasenversetzt. Dadurch wird die Beauftragung der Empfangseinheit mit Lichtpulsen zeitlich gedehnt und die Auslastung der Empfangseinheit kann verbessert werden.Also preferred are variants of the optical measuring device according to the invention, in which the deflection unit has two units arranged one above the other, which are offset by 90 ° with respect to the axis of rotation. The transmitted light radiated in different planes of the surveillance area is in this way phase-shifted with respect to the sweeping of the respective subarea of the surveillance area by 90 ° to one another. As a result, the commissioning of the receiving unit with light pulses is extended in time and the utilization of the receiving unit can be improved.
Die pro Zeiteinheit gewonnene Menge an Information kann auch dadurch gesteigert werden, dass die Sendeeinheit mehrere synchronisierte Sendemodule aufweist. Beispielsweise kann bei Einsatz von zwei synchronisierten Sendemodulen die pro Zeiteinheit gewonnene Informationsmenge prinzipiell verdoppelt werden.The amount of information obtained per unit time can also be increased by the fact that the transmitting unit has a plurality of synchronized transmission modules. For example, when using two synchronized transmission modules, the amount of information obtained per unit time can in principle be doubled.
Im Hinblick auf die für die Bestimmung der Laufzeit notwendige Zeitmessung kann grundsätzlich auf bekannte Lösungen zurückgegriffen werden. In diesem Zusammenhang können, je nach gewünschter Genauigkeit der Zeitmessung, Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung bevorzugt sein, bei denen die Steuer-und Auswerteeinheit zum Durchführen einer analogen Zeitmessung, insbesondere auf Grundlage eines Lade- oder Entladevorgangs eines Kondensators, und/oder zum Durchführen einer digitalen Zeitmessung, insbesondere zum Zählen von Zählpulsen, eingerichtet ist.With regard to the time measurement necessary for determining the transit time, known solutions can be used in principle. In Depending on the desired accuracy of the time measurement, configurations of the optical measuring device according to the invention may be preferred in which the control and evaluation unit for performing an analog time measurement, in particular based on a charging or discharging of a capacitor, and / or for performing a digital Timing, in particular for counting counting pulses, is set up.
Für den Einsatz der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung ist es wichtig, dass die Messergebnisse, beispielsweise also Informationen über im Überwachungsbereich festgestellte Objekte an einen Benutzer oder an weitere Einrichtungen übermittelt werden. Ebenso ist erwünscht, dass an die Messvorrichtung selbst Informationen, beispielsweise eingelernte Referenzwerte über Referenzobjekte oder Kalibrierwerte, übertragen werden können. In diesem Zusammenhang sind Weiterbildungen der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung bevorzugt, bei denen eine Schnittstelleneinrichtung, insbesondere eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, eine berührungslos arbeitende optische Schnittstelle und/oder eine NFC-Schnittstelle (NCF: Englisch: Near Field Communication), vorhanden ist zum Transfer von Information an die und/oder von der Steuer- und Auswerteeinheit. Grundsätzlich kann in dieser Hinsicht auf bekannte Schnittstellen und Schnittstellenprotokolle, beispielsweise auch Bus-Protokolle, zurückgegriffen werden.For the use of the optical measuring device according to the invention, it is important that the measurement results, for example information about objects detected in the monitoring area, are transmitted to a user or to other devices. It is likewise desired that information, for example learned reference values via reference objects or calibration values, can be transmitted to the measuring device itself. In this context, developments of the optical measuring device according to the invention are preferred in which an interface device, in particular a human-machine interface, a non-contact optical interface and / or an NFC interface (NCF: Near Field Communication), is present for transfer from information to and / or from the control and evaluation unit. In principle, known interfaces and interface protocols, for example bus protocols, can be used in this regard.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren erläutert. Darin zeigen:
-
1 : ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung; -
2 : ein Ausführungsbeispiel einer Empfangseinheit für eine erfindungsgemäße optische Messvorrichtung; -
3 : ein zweites Ausführungsbeispiel einer Empfangseinheit für eine erfindungsgemäße optische Messvorrichtung; und -
4 : ein drittes Ausführungsbeispiel einer Empfangseinheit für eine erfindungsgemäße optische Messvorrichtung.
-
1 : an embodiment of an optical measuring device according to the invention; -
2 : an embodiment of a receiving unit for an optical measuring device according to the invention; -
3 a second embodiment of a receiving unit for an optical measuring device according to the invention; and -
4 A third exemplary embodiment of a receiving unit for an optical measuring device according to the invention.
Gleiche und gleichwirkende Bestandteile und Komponenten sind in den Figuren in der Regel mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical and equivalent components and components are generally provided with the same reference numerals in the figures.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung 100 wird mit Bezug auf
Die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung 100 arbeitet wie folgt: Von der Lichtquelle
In der in
Die Flächennormalen der vier Reflexionsflächen
Es ist aber ebenso möglich, dass die Flächennormalen der, insbesondere vier, Reflexionsflächen
Wesentlich für die Erfindung ist, dass ein Akzeptanzwinkel
Einzelheiten von Varianten der Empfangseinheit
Wie ersichtlich, gibt es einen ersten Bereich
In der in
Im Zusammenhang mit
Mit der Eigenschaft, winkeldiskriminierend zu sein, ist gemeint, dass mit den Blendenmittel
Prinzipiell muss für die Variante der
Die selektive Aktivierbarkeit von Einzeldetektoren 81, 82, 83, 84, die jeweils einen Teilbereich des Azimutwinkels abdecken (wie im Zusammenhang mit
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine neuartige optische Messvorrichtung bereitgestellt, welche bei vereinfachtem Aufbau und damit reduzierten Kosten mit hoher Funktionalität eine 2D-Positionsbestimmung von Objekten in einem Überwachungsbereich ermöglicht.With the present invention, a novel optical measuring device is provided which, with a simplified construction and thus reduced costs with high functionality, enables a 2D position determination of objects in a monitoring area.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Objektobject
- 2020
- Sendeeinheittransmission unit
- 2121
- Verbindungconnection
- 2222
- HauptlichtquelleMain light source
- 2323
-
Licht der Hauptlichtquelle 22Light of the main
light source 22 - 2424
- Lichtpulselight pulses
- 2525
- Messstrahlmeasuring beam
- 2626
- drehbare Ablenkeinheitrotatable deflection unit
- 2727
- Reflexionsflächenreflective surfaces
- 2828
- Drehrichtung der AblenkeinheitDirection of rotation of the deflection unit
- 3030
- Empfangseinheitreceiver unit
- 3131
- Verbindungconnection
- 3434
- reflektierte Lichtpulsereflected light pulses
- 4040
- Überwachungsbereichmonitoring area
- 4242
- Ebene des ÜberwachungsbereichsLevel of the surveillance area
- 5050
- Steuer- und AuswerteeinheitControl and evaluation unit
- 52 52
- Selektionseinrichtungselection means
- 5353
- Blendenmitteldiaphragm means
- 5454
- Winkelsegment der Blendenmittel 53Angular segment of the diaphragm means 53
- 6060
- SchnittstelleneinrichtungInterface device
- 6262
- Anschlüsseconnections
- 7070
- Koordinatensystemcoordinate system
- 7171
-
erster Bereich vor den Einzeldetektoren 81 und 82first area in front of the
81 and 82individual detectors - 7272
-
zweiter Bereich vor den Einzeldetektoren 82 und 83second area in front of the
82 and 83individual detectors - 81 - 8481 - 84
- Einzeldetektorenindividual detectors
- 9090
- HintergrundstrahlungBackground radiation
- 9292
- Referenzmarkenreference marks
- aa
- dd
- dmaxdmax
- αα
- Öffnungswinkel des ÜberwachungsbereichsOpening angle of the monitoring area
- ββ
- Empfangsrichtung, in der Empfangseinheit momentan aktiv istReceiving direction in the receiving unit is currently active
- үү
-
gesamter Akzeptanzwinkel der Empfangseinheit 30total acceptance angle of the receiving
unit 30 - ү1 - ү3ү1 - ү3
- Akzeptanzwinkel der EinzeldetektorenAcceptance angle of the single detectors
- φφ
-
Winkel, unter dem Lichtpulse
24 ausgesandt wurdenAngle, under thelight pulses 24 were sent out - φ1 - φ3φ1 - φ3
- Hauptnachweisrichtungen, in denen Einzeldetektoren ausgerichtet sindMain detection directions in which individual detectors are aligned
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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