EP-4737942-A1 - OPTOELECTRONIC SENSOR FOR DETECTING OBJECTS

Abstract

Optoelektronischer Sensor (100) zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich (12), mit einer Sendeanordnung (20) zum Aussenden von Sendelichtsignalen entlang eines Sendelichtpfads in den Überwachungsbereich und mit einer Empfangsanordnung (30), umfassend einen Lichtempfänger, welcher zum Detektieren von Empfangslichtsignalen eingerichtet ist, die von einem im Überwachungsbereich anwesenden Objekt durch Remission auftreffender Sendelichtsignale erzeugt werden und sich zwischen dem Objekt und dem Lichtempfänger entlang eines Empfangslichtpfads ausbreiten. Es ist vorgesehen, dass die Empfangsanordnung ein dem Lichtempfänger vorgeordnetes Umlenkelement (40) mit zumindest einer Reflexionsfläche (42) aufweist, welche derart ausgestaltet und ausgerichtet ist, dass der Empfangslichtpfad durch Reflexion der Empfangslichtsignale an der zumindest einen Reflexionsfläche umgelenkt wird, wobei die Empfangslichtsignale bei der Reflexion zumindest teilweise polarisiert werden.

Inventors

• WOLF, RICHARD
• Baldischweiler, Boris

Assignees

• SICK AG

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20251013

Claims (12)

1. Optoelektronischer Sensor (100 - 500) zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich (12), mit einer Sendeanordnung (20) zum Aussenden von Sendelichtsignalen entlang eines Sendelichtpfads (22) in den Überwachungsbereich (12) und mit einer Empfangsanordnung (30), umfassend einen Lichtempfänger, welcher zum Detektieren von Empfangslichtsignalen eingerichtet ist, die von einem im Überwachungsbereich (12) anwesenden Objekt durch Remission auftreffender Sendelichtsignale erzeugt werden und sich zwischen dem Objekt und dem Lichtempfänger entlang eines Empfangslichtpfads (32) ausbreiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsanordnung (30) zumindest ein dem Lichtempfänger vorgeordnetes Umlenkelement (40) mit zumindest einer Reflexionsfläche (42a - 42c) aufweist, welche derart ausgestaltet und ausgerichtet ist, dass der Empfangslichtpfad (32) durch Reflexion der Empfangslichtsignale an der zumindest einen Reflexionsfläche (42a - 42c) umgelenkt wird, wobei die Empfangslichtsignale bei der Reflexion zumindest teilweise polarisiert werden.
2. Optoelektronischer Sensor (100 - 500) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkelement (40) derart ausgestaltet und ausgerichtet ist, dass der Einfallswinkel des Empfangslichtpfads (32) auf die zumindest eine Reflexionsfläche (42a - 42c) zumindest im Wesentlichen gleich dem Brewster-Winkel der Reflexionsfläche (42a - 42c) ist.
3. Optoelektronischer Sensor (100 - 500) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendelichtsignale linear oder zirkular polarisiert sind.
4. Optoelektronischer Sensor (100 - 500) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsrichtung der Sendelichtsignale und eine Einfallsebene der Empfangslichtsignale auf der zumindest einen Reflexionsfläche (42a - 42c) derart zueinander ausgerichtet sind, dass diejenigen Anteile der Empfangslichtsignale, die auf eine spiegelnde Reflexion der Sendelichtsignale an einem Objekt zurückgehen, zumindest zu einem Großteil an der zumindest einen Reflexionsfläche (42a - 42c) nicht reflektiert werden und bevorzugt von der zumindest einen Reflexionsfläche (42a - 42c) absorbiert
5. Optoelektronischer Sensor (100 - 500) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in dem Empfangslichtpfad (32), bevorzugt zusätzlich im Sendelichtpfad (22), eine Verzögerungsplatte (44), bevorzugt eine λ/4-Platte, vorgesehen ist.
6. Optoelektronischer Sensor (100 - 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Reflexionsfläche (42a - 42c) aus Silizium, bevorzugt aus kristallinem Silizium, besonders bevorzugt aus einem Siliziumwafer hergestellt ist.
7. Optoelektronischer Sensor (100 - 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Reflexionsfläche (42a - 42c) einen Brechungsindex aufweist, welcher um mindestens das 1,5-fache, bevorzugt um mindestens das 2-fache größer ist als der Brechungsindex des an die Reflexionsfläche (42a - 42c) angrenzenden Mediums.
8. Optoelektronischer Sensor (100 - 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkelement (40) wenigstens zwei, bevorzugt drei Reflexionsflächen (42a - 42c) aufweist, wobei der Empfangslichtpfad (32) nacheinander an den zumindest zwei Reflexionsflächen (42a - 42c) umgelenkt wird.
9. Optoelektronischer Sensor (100 - 500) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsflächen (42a - 42c) derart im Empfangslichtpfad (32) angeordnet sind, dass der Empfangslichtpfad (32) um einen Winkel von 90° umgelenkt wird, wobei bevorzugt die zumindest zwei Reflexionsflächen (42a - 42c) derart ausgerichtet sind, dass die Einfallswinkel für alle Reflexionsflächen (42a - 42c) gleich sind.
10. Optoelektronischer Sensor (100 - 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sendelichtpfad (22) und der Empfangslichtpfad (32) zumindest im Überwachungsbereich (12) koaxial zueinander verlaufen.
11. Optoelektronischer Sensor (100 - 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zumindest einen Reflexionsfläche (42a - 42c) eine Öffnung vorgesehen ist, durch welche der Sendelichtpfad (22) hindurch verläuft.
12. Optoelektronischer Sensor (100 - 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (100 - 500) als entfernungsmessender Sensor ausgebildet ist und dazu eingerichtet ist, die Entfernung eines erfassten Objekts von dem Sensor (100 - 500) bevorzugt gemäß dem Triangulationsprinzip und/oder in Abhängigkeit von der Lichtlaufzeit der ausgesendeten und empfangenen Lichtsignale zu ermitteln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich, mit einer Sendeanordnung zum Aussenden von Sendelichtsignalen entlang eines Sendelichtpfads in den Überwachungsbereich und mit einer Empfangsanordnung, umfassend einen Lichtempfänger, welcher zum Detektieren von Empfangslichtsignalen eingerichtet ist, die von einem im Überwachungsbereich anwesenden Objekt durch Remission auftreffender Sendelichtsignale erzeugt werden und sich zwischen dem Objekt und dem Lichtempfänger entlang eines Empfangslichtpfads ausbreiten. Die Sendelichtsignale können in Form eines Sendelichtbündels als Lichtpulse oder kontinuierliche Lichtsignale ausgesendet werden. Treffen die Sendelichtsignale bzw. das Sendelichtbündel auf ein Objekt, wird zumindest ein Teil des auftreffenden Sendelichts in Richtung der Empfangsanordnung remittiert, wobei die Remission in Abhängigkeit von der Oberflächenbeschaffenheit des erfassten Objekts spiegelnd reflektierend, d.h. gerichtet, oder diffus gestreut, d.h. ungerichtet, erfolgt. Außerdem kann es möglich sein, dass das remittierte Licht spiegelnd reflektierte und diffus gestreute Anteile umfasst. Diese remittierten Sendelichtsignale werden als Empfangslichtsignale von dem Lichtempfänger der Empfangsanordnung erfasst und in entsprechende elektrische Empfangssignale umgewandelt. Der Lichtempfänger kann mit einer Auswerteeinheit verbunden sein, welche die elektrischen Empfangssignale weiterverarbeitet und gegebenenfalls ein Objekterfassungssignal ausgeben kann. Als Lichtempfänger können beispielsweise Fotodioden, Avalanche-Fotodioden, Fotodiodenzeilen, SPAD-Arrays (SPAD: abgekürzt für Englisch "Single Photon Avalanche Diode"), CMOS-Arrays oder dergleichen eingesetzt werden. Die Sendeanordnung umfasst eine Lichtquelle, wobei als Lichtquellen unter anderem LEDs, Laser, Laserdioden oder VCSEL (abgekürzt für Englisch "Vertical Cavity Surface Emitting Laser", eine Bauform eines Oberflächenemitters) eingesetzt werden können. Sowohl die Sendeanordnung als auch die Empfangsanordnung können ein oder mehrere Optiken aufweisen, welche die Sende- bzw. Empfangslichtsignale fokussieren oder bündeln. Die Wellenlänge des Sendelichts kann sowohl im sichtbaren als auch im nicht sichtbaren Bereich, beispielsweise im Infrarotbereich, liegen. Der optoelektronische Sensor kann insbesondere als ein entfernungsmessender optoelektronischer Sensor ausgestaltet sein, welcher dazu eingerichtet ist, zusätzlich die Entfernung eines erfassten Objekts von dem optoelektronischen Sensor zu ermitteln. Eine derartige Entfernungsmessung kann beispielsweise in Abhängigkeit von der Lichtlaufzeit der ausgesendeten und empfangenen Lichtsignale erfolgen. Eine lichtlaufzeitbasierte Entfernungsmessung wird auch als TOF-Messung (von Englisch "Time Of Flight") bezeichnet. Vorzugsweise werden die Sendelichtsignale dabei in Form von kurzen Lichtpulsen ausgesendet und die Lichtlaufzeit auf der Grundlage der Zeitdifferenz zwischen einem Sendelichtpuls und einem zugeordneten Empfangslichtpuls ermittelt. Grundsätzlich ist jedoch auch eine Lichtlaufzeitmessung nach dem Phasenmessprinzip möglich, bei welchem moduliertes Sendelicht ausgesendet und die Lichtlaufzeit auf der Grundlage einer Phasenverschiebung zwischen dem Sendelicht und dem Empfangslicht ermittelt wird. Bei beiden Entfernungsmessprinzipien kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit für die Durchführung einer TOF-Messung zusätzlich mit einer Lichtquelle der Sendeanordnung verbunden ist, um z.B. diese für eine exakte Bestimmung der Lichtlaufzeit anzusteuern oder ein Synchronisationssignal von der Lichtquelle zu empfangen, welches einen Aussendezeitpunkt bzw. die Phasenlage der Sendelichtsignale repräsentiert. Bevorzugt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen optoelektronischen Sensor, bei dem die Sendeanordnung und die Empfangsanordnung eine sogenannte Koaxialanordnung bilden. Bei einer solchen Koaxialanordnung fallen der Sendelichtpfad und der Empfangslichtpfad zumindest abschnittsweise, insbesondere im Überwachungsbereich, zusammen. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch einen optoelektronischen Sensor in Biaxialanordnung betreffen. Hierbei verlaufen der Sendelichtpfad und der Empfangslichtpfad beabstandet zueinander, entweder parallel oder unter einem gewissen Divergenzwinkel. Bei optoelektronischen Sensoren in Biaxialanordnung kann eine Entfernungsmessung alternativ auch nach dem Triangulationsprinzip erfolgen. Bei einem derartigen Triangulationssensor ändert sich die Position eines Empfangslichtflecks, welcher von einer Empfangsoptik der Empfangsanordnung durch Abbilden des remittierten Lichts auf einem ortsauflösenden Lichtempfänger erzeugt wird, in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen dem optoelektronischen Sensor und einem erfassten Objekt in einer Triangulationsrichtung. Zwischen dem Auftreffort des Empfangslichtflecks auf dem Lichtempfänger und der Entfernung des erfassten Objekts besteht hier