Optischer Sensor

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige optische Sensoren können insbesondere als Lichttaster ausgebildet sein, mittels derer Objekte in einem Erfassungsbereich detektiert werden. Derartige optische Sensoren weisen typischerweise einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender sowie einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger auf. Dem Sender ist dabei eine Sendeoptik zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen nachgeordnet, dem Empfänger ist eine Empfangsoptik vorgeordnet, mittels derer die von einem Objekt reflektierten Empfangslichtstrahlen auf den Empfanger fokussiert werden. Die Sendeoptik und die Empfangsoptik bestehen jeweils aus Linsen, die typischerweise rotationssymmetrische Grenzflächen aufweisen.

Weiterhin können die in Rede stehenden optischen Sensoren auch als bildverarbeitende Sensoren ausgebildet sein. Derartige Sensoren weisen als Kamera eine Zeilen- oder matrixfδrmige Anordnung von Empfängern auf. Zudem können diese Sensoren eine Beleuchtungseinheit aufweisen, die typischerweise aus einer Mehrfachanordnung von Sendern besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Sensor mit erweiterter Funktionalität und verbesserten Leistungsdaten bereitzustellen.

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

Der erfindungsgemäße optische Sensor dient zur Detektion von Objekten in einem Erfassungsbereich und umfasst einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger, und eine Auswerteeinheit, in welcher durch Auswertung der Empfangssignale des Empfän- gers ein Objektfeststellungssignal generiert wird. Dem Sender und/oder dem Empfänger ist zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen und/oder der Empfangslichtstrahlen ein Optikelement mit wenigstens einer Grenzfläche in Form einer Freiformfläche zugeordnet.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mittels der Grenzflä- chen in Form von Freiformflächen aufweisenden Optikelemente die Strahlformung der Sendelichtstrahlen und/oder Empfangslichtstrahlen exakt an die applikationsspezifische Anforderungen des optischen Sensors angepasst werden kann, wodurch eine hohe Leistungsfähigkeit des optischen Sensors im Hinblick auf die Detektionssicherheit und Nachweisempfindlichkeit erhalten wird.

Bei als Sendeoptiken ausgebildeten Optikelementen kann durch eine geeignete Ausbildung der Freiformfläche gezielt die Ausleuchtung eines räumlichen oder flächigen Erfassungsbereichs vorgegeben werden, was eine wesentliche Voraussetzung für eine sichere und hochauflösende Objektdetektion im Erfassungsbereich ist. Dabei kann je nach Einsatzgebiet des optischen Sensors einer- seits durch eine geeignete Ausbildung der Freiformflächen eine homogene Ausleuchtung des Erfassungsbereichs erhalten werden. Andererseits können durch eine entsprechende Ausbildung der Freiformflächen gezielt vorgegebene Beleuchtungsmuster innerhalb des Erfassungsbereichs generiert werden. Mit einer derart inhomogenen Ausleuchtung des Erfassungsbereichs können gezielt bestimmte Merkmale eines Objekts im Erfassungsbereich hervorgehoben werden, um dessen Detektierbarkeit zu verbessern. Weiterhin können durch derartige inhomogene Beleuchtungen gezielt auf optischem Weg Markierungen innerhalb des Erfassungsbereichs generiert werden, welche von dem oder den Empfängern des optischen Sensors registriert werden können.

Für derartige inhomogene Beleuchtungssysteme eignen sich insbesondere optische Sensoren in Form von Lichttastern oder generell binären optischen Sensoren, die einen einzelnen Sender und einen einzelnen Empfanger aufweisen. Bei derartigen optischen Sensoren werden typischerweise die Empfangssignale des Empfangers mit einem Schwellwert bewertet, wodurch als Objektfeststellungssignal ein binäres Schaltsignal generiert wird, dessen Schaltzustände angeben, ob sich ein Objekt im Erfassungsbereich befindet oder nicht. Mit derartigen optischen Sensoren muss typischerweise ein Objekt vor einem Hintergrund erkannt werden, welches insbesondere auch von einem den Erfassungsbereich begrenzenden Reflektor gebildet sein kann. Um ein Objekt vor einem Hintergrund unterscheiden zu können, arbeitet der optische Sensor mit polarisierten Sendelichtstrahlen, so dass der Polarisationszustand des auf den Empfänger auftreffenden Empfangslichts unterschieden werden kann.

Mit dem erfindungsgemäßen optischen Sensor ist der Einsatz von polarisiertem Licht nicht mehr notwendig. Anstelle dessen dient das durch die mittels der Freiformflächen des oder der Optikelemente generierten Beleuchtungsmusters in Form optischer Markierungen oder dergleichen zur Objekterkennung, insbesondere auch zur Erkennung von Objekten mit einem Hintergrund. Zur Erfassung des Beleuchtungsmusters können einerseits die Sendelichtstrahlen mittels einer Ablenkeinheit den flächigen Erfassungsbereich abtasten. Alternativ kann der optische Sensor eine ortsauflösende Empfangeranordnung bestehend aus einer zeilen- oder matrixförmigen Anordnung von Empfangern aufweisen.

Weiterhin eignen sich inhomogene Beleuchtungssysteme mit Freiformflächen aufweisenden Optikelementen für optische Sensoren in Form von bildverarbei- tenden Sensoren, das heißt Sensoren die eine Kamera als Empfängeranordnung aufweisen. Derartige optische Sensoren weisen Beleuchtungseinheiten mit typischerweise mehreren Sendern auf, wobei diesen zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen wiederum Optikelemente mit Freiformflächen zugeordnet sind. Mittels derartiger Beleuchtungssysteme können gezielt vorgegebene räumliche

Beleuchtungsstrukturen zur Erhöhung der Nachweisempfindlichkeit generiert werden. Insbesondere können durch inhomogene Ausleuchtungen gezielt bestimmte Merkmale von zu detektierenden Objekten hervorgehoben werden. Weiterhin können die Beleuchtungsstrukturen in Form von Streifenprojektio- nen ausgebildet sein, um dadurch dreidimensionale Bildinformationen gewinnen zu können.

Generell können auch empfangsseitige Optikelemente des erfindungsgemäßen optischen Sensors Freiformflächen aufweisen, um so gezielt Empfangslicht auf der oder die Empfänger des optischen Sensors zu führen und so dessen Nach- Weisempfindlichkeit zu erhöhen.

Bei den Freiformflächen der Optikelemente des erfindungsgemäßen optischen Sensors handelt es sich generell um Flächen, die einer stetig differenzierbaren Funktion folgen, wobei diese Freiformflächen nicht rotationssymmetrisch sind.

Zur Berechnung einer Freiformfläche wird ein so genanntes Mapping erstellt. Das Mapping besteht aus einer Gitterstruktur in der Ebene des Erfassungsbereichs, wobei den einzelnen Knoten des Gitters zwei Winkelrichtungen der Intensitätsverteilung der Sendelichtstrahlen, das heißt des Beleuchtungssystems zugeordnet sind. Da die Intensitätsverteilung der Sendelichtstrahlen bekannt ist, besteht ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der die Helligkeitsverteilung in der Ebene der Erfassungsbereiche definierenden Gitterstruktur und der Bestrahlungsstärkeverteilung in der Beleuchtungsebene.

Dabei lässt sich ein analytischer Zusammenhang der Geometrie der Freiformfläche zur gewünschten Beleuchtungsverteilung in der Ebene des Erfassungsbereichs herleiten, das heißt die Geometrie der Freiformfläche kann in Form einer Differentialgleichung aus der zu erzielenden Helligkeitsverteilung in der Ebene des Erfassungsbereichs abgleitet werden.

Die Geometrie der sich in zwei Raumrichtungen x, y erstreckenden Freiformflächen ergibt sich dabei gemäß der nachstehenden Differentialgleichung

d ² /dx ² f(x, y) + U ² IUy ¹ f (x, y) =

d/dx (N _x (x, y, f(x, y)) / N ₂ (X, y, f(x, y))} - d/dy {N _y (x, y, f(x, y)) / N _z (x, y, f(x, y))}

Dabei bilden N _x , N _y , N _z das Normalenfeld der Sendelichtstrahlen, die benötigt werden, um die Sendelichtstrahlen des Senders an der Freiformfläche so zu brechen, dass diese an der durch die Mapping-Funktion vorgegebenen Stelle des Gitters in der Ebene des Erfassungsbereichs landen.

Mit derartigen Freiformflächen aufweisenden Optikelementen können somit exakt bestimmte Helligkeitsverteilungen in einem Erfassungsbereich generiert werden. Besonders vorteilhaft ist, dass derartige Optikelemente erheblich robuster sind als diffraktive optische Elemente und zudem auch kleinere chromatische Fehler aufweisen.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die Freiformflächen aufweisenden Optikelemente in Form von Kunststoff-Spritzgussteilen rationell und kostengünstig hergestellt werden können.

Diese Optikelemente können dabei generell als licht reflektierende Elemente, insbesondere Spiegelelemente ausgebildet sein. Ebenso können die Optikele- mente auch als transmittive Elemente, beispielsweise in Form von Linsen, ausgebildet sein.

Die Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Figur 1 : Schematische Darstellung der Komponenten eines optischen

Sensors.

Figur 2: Perspektivische Darstellung des Beleuchtungssystems für den optischen Sensor gemäß Figur 1.

Figur 3: Detaildarstellung eines Senders mit vorgeordneter Auskoppellinse als Bestandteil des Beleuchtungssystems gemäß Figur 2.

Figur 1 zeigt die optischen Komponenten eines als bildverarbeitender Sensor ausgebildeten optischen Sensors 1. Der optische Sensor 1 umfasst eine Kamera 2 mit einer matrixförmigen Anordnung von Empfangern und einem vorgeord- neten Objektiv welches in einer Objektivebene 3 liegt. Die matrixförmige Empfangeranordnung kann beispielsweise von einem CCD-Array oder einem CMOS-Array gebildet sein.

Mit dem optischen Sensor 1 werden Objekte innerhalb eines räumlichen Erfassungsbereichs erfasst. Die Größe des Erfassungsbereichs ist durch das Sichtfeld 4 der Kamera 2 vorgegeben. Dabei sollen innerhalb dieses Sichtfelds 4 Objekte erfasst werden, deren Abstand zum optischen Sensor 1 größer ist als die Lage einer ersten Objektebene 5 und kleiner als die Lage einer zweiten Objektebene 6. Der Bereich des Sichtfelds 4 der Kamera 2 zwischen den beiden Objektebenen 5, 6 bildet somit den Erfassungsbereich.

Der optische Sensor 1 weist weiterhin ein eine nicht dargestellte Auswerteeinheit, in welcher die von der Kamera 2 generierten Bildsignale, das heißt die Empfangssignale der Empfängeranordnung, welche durch aus dem Erfassungsbereich auf die Kamera 2 geführte Empfangslichtstrahlen generiert werden, ausgewertet werden.

In der Auswerteeinheit wird in Abhängigkeit der Empfangssignale ein Objektfeststellungssignal generiert. Dieses Objektfeststellungssignal kann ein analo-

ges Signal sein, welches allgemein Bildinformationen oder Klassifizierungen von Bildinformationen enthält. Weiterhin kann das Objektfeststellungssignal als binäres Schaltsignal ausgebildet sein, dessen Schaltzustände angeben, ob sich ein Objekt im Erfassungsbereich befindet oder nicht.

Als weitere optische Komponenten weist der optische Sensor 1 gemäß Figur 1 ein Beleuchtungssystem 7 auf, welches von der Auswerteeinheit angesteuert wird. Wie in Figur 1 schematisch dargestellt, sind die Komponenten des Beleuchtungssystems 7 außerhalb der optischen Achse der Kamera 2 angeordnet. Durch diese außeraxiale Anordnung der Komponenten des Beleuchtungssys- tems 7 werden von diesen emittierte Sendelichtstrahlen schräg von oben in Richtung des Erfassungsbereichs emittiert. Die dadurch erhaltenen Beleuchtungsfelder 8 sind größer als das Sichtfeld der Kamera 2, damit mit dem Beleuchtungssystem 7 der gesamte Erfassungsbereich ausgeleuchtet wird.

Dabei liegen die Komponenten des Beleuchtungssystems 7 in einer der Objek- tivebene 3 der Kamera 2 vorgeordneten Beleuchtungsebene 9.

Um eine sichere Objektdetektion innerhalb des gesamten Erfassungsbereichs zu gewährleisten besteht eine wesentliche Anforderung an das Beleuchtungssystem 7 darin, dass mit diesem der Erfassungsbereich gleichmäßig ausgeleuchtet werden soll. Dies bedeutet, dass die mit dem Beleuchtungssystem 7 erzeugte Bestrahlungsstärke innerhalb des Erfassungsbereichs homogen sein soll. Weiterhin soll die Bestrahlungsstärke auf den Erfassungsbereich konzentriert werden, das heißt außerhalb des Erfassungsbereichs soll die Bestrahlungsstärke rasch abfallen.

Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Beleuchtungssystems 7, welches diesen Anforderungen genügt. Das Beleuchtungssystem 7 umfasst vier identisch ausgebildete, um 90° gegeneinander gedrehte Subsysteme, von welchen zwei in Figur 2 dargestellt sind. Diese Subsysteme begrenzen einen zentralen Zwischenraum, hinter welchem wie aus Figur 1 ersichtlich die Kamera 2 liegt.

Jedes Subsystem weist zwei Sender 10 mit einer darauf aufgesetzten Auskoppellinse 11 auf. Die so ausgebildeten Sendereinheiten sind jeweils identisch ausgebildet. Die beiden Sendereinheiten eines Subsystems liegen jeweils hinter einem als Freiformlinse 12, 13 ausgebildeten Optikelement, dessen Grenzflä- chen von Freiformflächen 14, 15 gebildet sind. Die beiden Freiformlinsen 12, 13 eines Subsystems bilden eine Doppellinse und sind spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet. Die Freiformlinsen 12, 13 der einzelnen Subsysteme sind identisch ausgebildet.

Figur 3 zeigt eine Detaildarstellung einer Sendereinheit mit einem Sender 10 und einer Auskoppellinse 11. Der Sender 10 weist einen Sendelichtstrahlen emittierenden LED-Chip 16 auf, der in einem Gehäuse 17 des Senders 10 gelagert ist. Dabei liegt der LED-Chip 16 in einer an der Oberseite des Gehäuses 17 ausmündenden Vertiefung des Gehäuses 17. Die Auskoppellinse 11 wird unter Zwischenlagerung einer Klebeschicht 18 bestehend aus einem Immersionskle- ber auf die Oberseite des Gehäuses 17 aufgesetzt. Die Klebeschicht 18 bildet eine Grenzschicht, die Totalreflexionen der Sendelichtstrahlen beim übergang der vom LED-Chip 16 zur Auskoppellinse 11 vermeidet.

Die Auskoppellinsen 11 sind als rotationssymmetrische Linsen ausgebildet. Dementsprechend sind die Strahlquerschnitte der Sendelichtstrahlen eines LED-Chips 16 nach Durchgang durch die zugeordnete Auskoppellinse 1 1 symmetrisch zur optischen Achse 19 des LED-Chips 16.

Dagegen sind die Freiformflächen 14, 15 der Freiformlinsen 12, 13, die den jeweiligen Sendereinheiten nachgeordnet sind, asymmetrisch zur optischen Achse 19 des jeweiligen Senders 10 ausgebildet. Durch diese Ausbildung der Freiformlinsen 12, 13 wird die asymmetrische Struktur der Beleuchtungsfelder 8 wie in Figur 1 dargestellt erhalten. Weiterhin wird durch eine Anpassung der Geometrien der Freiformflächen 14, 15 der Freiformlinsen 12, 13 erreicht, dass der Erfassungsbereich entsprechend dem genannten Anforderungsprofil homogen ausgeleuchtet wird.

Bezugszeichenhste

(D Optischer Sensor

(2) Kamera

(3) Objektivebene

(4) Sichtfeld

(5) Objektebene

(6) Objektebene

(7) Beleuchtungssystem

(8) Beleuchtungsfelder

(9) Beleuchtungsebene

(10) Sender

(H) Auskoppellinse

(12) Freiformlinse

(13) Freiformlinse

(14) Freiformfläche

(15) Freiformfläche

(16) LED-Chip

(17) Gehäuse

(18) Klebeschicht

(19) Achse