检测监测区域中的物体的根据飞行时间原理的光学传感器的制作方法

1.根据权利要求1的前序部分，本发明涉及一种用于检测监测区域中的物体的根据飞行时间原理的光学传感器。


背景技术：

2.例如根据de102014115260b3已知一种普通的光学传感器，其具有以下部件：用于将第一光脉冲发射到监测区域中的第一发射器，用于检测由监测区域中的待检测的第一物体辐射回的第一光脉冲的第一接收器，用于将第二光脉冲发射到监测区域中的第二发射器，用于检测由第一物体或由监测区域中的另一物体辐射回的第二光脉冲的第二接收器，至少一个控制和评估单元，其被设计为控制第一发射器并评估由第一接收器检测到的第一光脉冲，以及控制第二发射器并评估由第二接收器检测到的第二光脉冲。
3.原理上还已知的是用于实现pl
‑
d(性能级别d)的安全扫描器。在这种情况下，安全概念基本上基于通过使用内部参考路径进行测试的单通道测量系统。由于内部参考元件，保护场角通常小于360度，并且经常甚至小于270度。这种单通道安全扫描器不适合于其中需要pl
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e(性能级别e)的应用。由于有限的保护场角，这些安全扫描器类似地不适于同时导航。
4.根据de202012103344u1和de202012010014u1已知其中采取了步骤以增强安全性的其它光学传感器。
5.例如，在ep2927711b1中，描述了具有旋转测试光发射器和内部参考系统的激光扫描器。利用测试光发射器，可以测试接收器，其中从测试光发射器到接收器的光路完全在激光扫描器的内部行进。
6.在us5793491中进一步描述了用于交通监测领域中的应用的一般传感器。


技术实现要素：

7.本发明的目的可以看作是提供一种上述类型的光学传感器，其中可以特别有效地执行测量和测试操作。
8.这个目的通过具有权利要求1的特征的光学传感器来实现。
9.下面，特别是参考从属权利要求和附图，将说明根据本发明的光学传感器的有利实施例。
10.根据本发明，上述类型的光学传感器已经被改进，其中在第一发射器和第二接收器之间，特别地在内部，形成第一光学参考路径，在第二发射器和第一接收器之间，特别地在内部，形成第二光学参考路径，至少一个控制和评估单元被设计用于触发第一发射器以发射在第一光学参考路径上到达第二接收器的第一测试光脉冲，并且在第一时间偏移之后，特别是在最后，激活第二接收器，所述第一时间偏移对应于第一测试光脉冲在第一光学参考路径上的飞行时间，和/或用于触发第二发射器以发射在第二光学参考路径上到达第一接收器的第二测试光脉冲，并且在第二时间偏移之后，特别是在最后，激活第一接收器，
所述第二时间偏移对应于第二测试光脉冲在第二光学参考路径上的飞行时间，并且用于评估由第二接收器检测到的第一测试光脉冲和/或由第一接收器检测到的第二测试光脉冲。
11.原则上，第二接收器可以在发射第一测试光脉冲时(或者在此之前)已经被激活，并且第一接收器可以在发射第二测试光脉冲时(或者在此之前)已经被激活。关键在于，第二接收器在第一测试光脉冲击中它时是激活的，并且第一接收器在第二测试光脉冲击中它时是激活的。
12.可以认为是本发明的核心思想是，在具有双通道结构的激光扫描器中，在每种情况下，通过参考路径，第一通道的发射器连接到第二通道的接收器，第二通道的发射器连接到第一通道的接收器。
13.本发明的第一个重要优点在于，所提供的发射器和接收器各自执行双重功能，即测量和测试。这意味着不必另外具有专门用于测试的可用部件。因此，本发明特别有效地使用存在的部件。
14.在根据飞行时间原理的光学传感器中，光脉冲被发射到监测区域中，并且由位于那里的物体在光学传感器的方向上辐射回到接收器。然后，根据在光脉冲的发射时间与由监测区域中的物体辐射回的光脉冲的接收时间之间的测量的时间差，通过使用光速以已知方式来计算所讨论的物体与传感器的距离。
15.所使用的发射器大多是半导体元件，例如发光二极管和/或激光二极管，其在可见光范围内或在红外光范围内发射。所使用的接收器通常是光电二极管或apd。这些部件及其用途本身是已知的。
16.所使用的控制和评估单元大多是微控制器、fpga或类似的部件。原则上，用于控制两个发射器和两个接收器并读取两个接收器的控制和评估单元就足够了。然而，也可以存在第一和第二控制和评估单元，其中第一控制和评估单元控制第一发射器和第一接收器并读取第一接收器，并且第二控制和评估单元控制第二发射器和第二接收器并读取第二接收器。
17.第一参考路径和第二参考路径的作用是通过它们在第一发射器和第二接收器之间以及在第二发射器和第一接收器之间提供限定的光学路径和限定的光学传输。第一参考路径和/或第二参考路径原则上可以延伸通过空气。在根据本发明的光学传感器的特别优选的变型中，第一参考路径和/或第二参考路径由光导体形成，特别是由光纤形成，特别是布置在壳体中。所述参考路径的光学特性可以保持非常恒定，使得在测试测量时它们是已知的，也就是说它们是可参考的并且不能代表误差源。
18.由第二接收器测量的第一测试光脉冲和/或由第一接收器测量的第二测试光脉冲由控制和评估单元或由相应的控制和评估单元评估。根据这些评估，可以输出某些信号，例如经由误差函数或发射器和/或接收器的降级。
19.原则上，测试光脉冲的各个测量已经可以提供关于光学传感器的状态的有价值的信息，特别是发射器和接收器的状态。然而，特别有利的是，所述控制和评估单元或者多个控制和评估单元被设计用于在多个扫描周期上确定所述测试光脉冲。特别优选地，对在多个扫描周期上确定或测量的测试光脉冲进行平均。这允许获得关于发射器和接收器的状态的更精确的信息，特别是关于逐渐变化和在较长时间段上发生的变化的。
20.原则上，第一和第二时间偏移可以大于光脉冲从第一或第二发射器到被监测区域
中的物体并回到第一或第二接收器的飞行时间。这是具有在光学方面相对较长的参考路径、并且所述参考路径可以例如通过对应的长玻璃纤维来实现的情况。然而，特别优选地，第一时间偏移小于光脉冲从第二发射器到监测区域中的物体并回到第二接收器的飞行时间，和/或第二时间偏移小于光脉冲从第一发射器到监测区域中的物体并回到第一接收器的飞行时间。这可以通过对应的短参考路径来实现，例如利用相对短的玻璃纤维。
21.根据本发明的光学传感器便于多种操作模式。例如，如果测试操作明显地与测量操作分开，则可以优选的是，控制和评估单元被设计成：如果第一发射器发射测试光脉冲则停用第一接收器，特别是停用一段特定的持续时间，和/或如果第二发射器发射测试光脉冲则停用第二接收器，特别是停用一段特定的持续时间。如果确保来自第一发射器的光脉冲不能经由监测区域和存在于监测区域的物体到达第二接收器，并且来自第二发射器的光脉冲不能经由监测区域和存在于监测区域的物体到达第一接收器，则在这种操作模式中，有可能通过测试测量而实际上排除对监测区域中的物体的真实测量的任何影响。在每种情况下，其中第一接收器和/或第二接收器将被停用的持续时间必须大于光脉冲从发射器到被监测区域中的物体并回到接收器的典型飞行时间。
22.所提供的发射器和接收器可以特别有效地用于另一操作模式，其特征在于，控制和评估单元被设计成：如果第一发射器发射光脉冲或测试光脉冲，则激活第一接收器，特别是在时间偏移之后，并且特别是激活一段特定持续时间，和/或如果第二发射器发射光脉冲或测试光脉冲，则激活第二接收器，特别是在时间偏移之后，并且特别是激活一段特定持续时间。
23.在这个操作模式中，利用了以下事实：第一发射器和第二发射器的测试光脉冲在性质上是与发射光脉冲相同的光脉冲，并且因此也可以用作用于实际测量的发射光脉冲。
24.其中如果第一发射器发射测试光脉冲则第二接收器被激活的持续时间，可能不会大到使得第一发射器的经由监测区域中的物体到达第二接收器的光脉冲被所述第二接收器检测到。相应地，其中如果第二发射器发射测试光脉冲则第一接收器被激活的持续时间，可能不会大到使得第二发射器的经由监测区域中的典型物体到达第一接收器的光脉冲被所述第一接收器检测到。
25.通常理解的是，在这里提到激活或停用接收器的情况下，这实际上可以通过完全连接或断开相应接收器来实现。然而，原则上，接收器不必断开，而是替代地，在其中接收器将被停用的相应时间间隔中，测量结果可以被所述控制和评估单元忽略。中间变型在这里也是可能的。
26.特别有用的是，控制和评估单元被设计为以相同的频率控制第一发射器和第二发射器以发射测试光脉冲，并且以时间偏移，特别是在分别相等的时间间隔中，控制第一发射器和第二发射器以发射测试光脉冲。因此，获得了具有相同频率的被测试部件的测试信息，并且测试质量对于所有被测部件是相同的。
27.根据本发明的光学传感器原则上可以是静态光学传感器。然而，如果根据本发明的光学传感器被形成为2d扫描器，则根据本发明的光学传感器的优点是特别显著的。
28.在根据本发明的作为2d扫描器的光学传感器的优选实施例中，第一发射器、第一接收器、第二发射器和第二接收器被布置在2d扫描器的转子上，并且第一发射器、第一接收器、第二发射器和第二接收器的光轴相对于转子的旋转轴横向地、特别是垂直地定向。
29.第一发射器和第一接收器的光轴有用地定向在相对于转子的旋转轴的第一方位角方向上，并且第二发射器和第二接收器的光轴有用地定向在相对于转子的旋转轴的第二方位角方向上。
30.原则上，第一发射器和第一接收器的光轴以及第二发射器和第二接收器的光轴可以根据需要相对于彼此定位。
31.在特别优选的变型中，第一方位角方向与第二方位角方向相反。这通常阻止第一发射器的发射光脉冲能够经由监测区域到达第二接收器，并且阻止第二发射器的发射光脉冲能够经由监测区域到达第一接收器。
32.还可以优选的是，第一方位角方向与第二方位角方向相同，并且第一发射器、第一接收器、第二发射器和第二接收器沿转子的旋转轴方向被彼此间隔开地布置在转子上。
33.如果第一发射器相对于第二接收器定位成使得第一发射器发射的光脉冲可以经由监测区域和位于该监测区域的物体到达第二接收器，则必须确保在所讨论的时间间隔中，第二接收器被控制和评估单元停用。以相同的方式，如果第二发射器相对于第一接收器定位成使得第二发射器的发射光脉冲可以经由监测区域中的物体到达第一接收器，则第一接收器必须在其中第二发射器的光脉冲可以经由监测区域中的物体击中所述第一接收器的时间间隔中由控制和评估单元停用。
34.为了在这种布置中实现第一发射器和第二发射器的发射光脉冲在监测区域中的物体上，特别是在标准距离处尽可能相同的击中点，第一发射器的光轴可以相对于第二发射器的光轴倾斜。
35.原则上，也可以提供两对或四对另外的发射器和接收器，它们类似地设置在2d扫描器的转子上。所述成对的发射器和接收器可以相对于彼此以等距角布置在转子上。例如，提供四个发射器和四个接收器是有用的，其中在每种情况下，一个发射器和一个接收器形成一对，并且在每种情况下具有彼此平行的光轴。这四对可以有利地安装在转子上，使得光轴各自相对于彼此偏移90度。
附图说明
36.下面将参考附图描述本发明的其他优点和特征，其中：
37.图1示出了现有技术的光学传感器；
38.图2示出了根据本发明的光学传感器的示例性实施例；
39.图3示出了用于解释根据本发明的光学传感器中的参考路径的示意图；
40.图4示出了用于解释根据本发明的光学传感器的第一操作模式的图；
41.图5示出了用于解释根据本发明的光学传感器的第二操作模式的图；以及
42.图6示出了用于解释转子的旋转轴和方位角方向的概念的示意图。
具体实施方式
43.相同或相似的部件在附图中通常由相同的附图标记标识。
44.现有技术的光学传感器200将参考图1进行说明。光学传感器200具有作为基本部件的发射器s、接收器e、测量核心15、由测量控制器16形成的控制和评估单元以及接口94、95。
45.经由接口94、95，传感器200可以例如经由总线系统发送或传送数据。
46.传感器200是根据飞行时间原理的传感器，并且基本上如下工作：发射器s将光脉冲12发射到监测区域11中，并且这些光脉冲由位于监测区域11中的物体10辐射回。这些辐射回的光脉冲13由接收器e检测。测量在光脉冲12的发射时间与接收器e检测到辐射回的光脉冲13的时间点之间的时间差。物体10距光学传感器200的距离d由以下关系提供：
47.d＝时间差*光速/2。
48.为了获得关于用于测量的部件、发射器s和接收器e的信息，图1中的光学传感器200具有带有测试物体的内部测试路径。为了测试，发射器s在测试操作中发射测试光脉冲17。它们被测试物体18辐射回来。辐射回的测试光脉冲19然后被接收器e检测到，随后被测量控制器16经由测量核心15评估。如果检测到的测试光脉冲19不具有预期的属性，则可以输出某些信号，例如误差信号，或者可以触发某些动作，例如断开传感器。
49.所提供的光学传感器200的另外的部件是：用于监测前屏幕的模块91、用于转子的角度传感器92(如果传感器200是2d扫描器)和电源93。
50.将结合图2至5描述根据本发明的光学传感器100和300的示例性实施例，其中这些可以具体是2d扫描器。光学传感器100和300是用于检测监测区域11中的物体的根据飞行时间原理的传感器。光学传感器100具有作为基本部件的第一发射器s1、第一接收器e1、第二发射器s2和第二接收器e2。第一发射器s1最初用于将第一光脉冲22发射到监测区域11中。第一接收器e1最初用于检测由监测区域11中的待检测物体10辐射回的光脉冲23。第二发射器s2最初用于将第二光脉冲32发射到监测区域11中。第二接收器e2最初用于检测由物体10辐射回的光脉冲33。
51.为了控制第一发射器s1并读取第一接收器e1，提供第一测量核心25和第一测量控制器26。通过第一发射器s1、第一接收器e1、第一测量核心25和第一测量控制器26，形成第一通道20。
52.为了控制第二发射器s2并读取第二接收器e2，提供第二测量核心35和第二测量控制器36。通过第二发射器s2、第二接收器e2、第二测量核心35和第二测量控制器36，形成第二通道30。
53.第一测量控制器26和第二测量控制器36原则上可以由同一个微控制器形成。第一测量控制器26和第二测量控制器36一起形成根据本发明提供的控制和评估单元26、36，其被设计为用于控制第一发射器s1并评估由第一接收器e1检测的第一光脉冲23，并且用于控制第二发射器s2并评估由第二接收器e2检测的第二光脉冲33。
54.控制和评估单元26、36可以以本身已知的方式通过接口94、95接收和发送数据，例如经由总线系统。
55.在图2所示的示例性实施例中，第一发射器s1、第一接收器e1、第二发射器s2和第二接收器e2的光轴指向相同方向。
56.根据本发明，也在光学传感器100中形成的，但在图2中未示出的，在第一发射器s1和第二接收器e2之间的(例如且优选地在内部的)是第一光学参考路径，并且在第二发射器s2和第一接收器e1之间形成的(例如且优选地在内部的)是第二光学参考路径。
57.这些参考路径可以在图2的示例性实施例中实现，例如通过在第一发射器s1和第二接收器e2之间以及在第二发射器s2和第一接收器e1之间的光纤，如图3中针对根据本发
明的光学传感器300的变型所示。在图3中示意性示出的光学传感器300的情况下，其也可以是2d扫描器，但是其中，通过偏离图2中示出的示例性实施例，第一发射器s1和第一接收器e1的光轴被定向为与第二发射器s2和第二接收器e2的光轴相反。在图3中还示意性地示出，在第一发射器s1和第二接收器e2之间由光纤形成了参考路径27，此外，在第二发射器s2和第一接收器e1之间也由光纤形成了参考路径37。
58.根据本发明，控制和评估单元26、36被设计为用于触发第一发射器s1以发射第一测试光脉冲42、46，所述第一测试光脉冲在第一光学参考路径27上到达第二接收器e2，并且在第一时间偏移之后，特别是在最后，激活第二接收器e2，所述第一时间偏移对应于第一测试光脉冲42、46在第一光学参考路径27上的飞行时间，和/或用于触发第二发射器s2以发射第二测试光脉冲63、67，所述第二测试光脉冲在第二光学参考路径37上到达第一接收器e1，并且在第二时间偏移之后，特别是在最后，激活第一接收器e1，所述第二时间偏移对应于第二测试光脉冲63、67在第二光学参考路径37上的飞行时间。
59.原则上，第二接收器e2在第一测试光脉冲42、46的发射时间已经被激活，并且第一接收器e1在第二测试光脉冲63、67的发射时间已经被激活。重要的是，第二接收器e2在其中第一测试光脉冲42、46击中所述第二接收器e2的时间点是被激活的，并且第一接收器e1在其中第二测试光脉冲63、67击中所述第一接收器e1的时间点是被激活的。
60.由第二接收器e2检测到的第一测试光脉冲42和/或由第一接收器e1检测到的第二测试光脉冲63由控制和评估单元26、36评估。根据这种评估，可以输出某些信号，例如误差信号，可以经由误差函数或发射器或接收器的降级，或者发起某些动作，例如传感器的断开。
61.将参考图4和5解释根据本发明的光学传感器100和300的操作模式。这些图在每种情况下示出了流程图，其中，相对于时间轴82，在竖直轴84上示出了第一发射器s1和第二发射器s2的发射功率的相应强度进展以及由第一接收器e1和第二接收器e2接收的强度。
62.对应于时间进程的是2d扫描器的一个相应旋转。图4和5示出了2d扫描器的转子在从0到360度的整个旋转上的进展。
63.对于图4所示的操作模式来说，重要的是测试阶段与测量阶段是分开的。例如，第一发射器s1发射第一发射脉冲41、44、45、48和49，其在每种情况下，在由监测区域11中的待检测物体10辐射回之后，分别引起第一接收器e1中的接收脉冲51、52、54、55、56、58和59。与发射脉冲相比，示意性示出的接收脉冲的展宽基本上是由辐射回所述接收脉冲的物体的属性引起的。
64.相对应地，第二发射器s1发射第二发射脉冲61、62、64、65、66、68和69，其在被监测区域11中的待检测物体辐射回之后，触发第二接收器e2中的接收脉冲71、73、74、75、77、78、79。辐射回第二发射脉冲的物体可以是已经辐射回第一发射脉冲的相同的待检测物体10。这将是图2中的几何形状的情况。然而，它也可以是另一个要检测的物体，即当第一发射器s1和第一接收器e1的光轴与第二发射器s2和第二接收器e2的光轴不同时。这是图3中所示的示例性实施例中的情况，其中第一发射器s1和第一接收器e1的观察方向与第二发射器s2和第二接收器e2的观察方向相反。
65.在图4所示的过程或进程中，测试测量与这些测量操作分开进行。例如，第一发射器s1发射第一测试光脉冲42、46，其经由第一参考路径27到达第二接收器e2并在那里分别
引起接收脉冲72和76。相对应地，第二发射器s2发射第二测试光脉冲63、67，其经由第二参考路径37到达第一接收器e1并在那里分别引起接收脉冲53和57。在第一测试光脉冲42、46的发射时间之后的时间阶段中，其中由物体从监测区域11辐射回的测试光脉冲42、46将击中第一接收器e1，所述控制和评估单元26、36停用第一接收器e1。
66.相对应地，在第二测试光脉冲63、67的发射时间之后的时间阶段中，其中从监测区域11辐射回来的测试光脉冲63、67击中所述第二接收器e2，所述控制和评估单元26、36停用第二接收器e2。
67.由于在图4所示的过程中，测量和测试在时间上彼此完全分开地进行，所以测量和测试测量不会彼此影响或扭曲。
68.图5所示的过程与图4所示的过程相比的重要差异在于，由第一发射器s1发射的光脉冲中的一些，即光脉冲42和45，以及由第二发射器s2发射的光脉冲中的一些，即光脉冲63和66，分别用于测试测量以及实际距离测量两者。例如，光脉冲42、45的一部分经由第一参考路径27到达第二接收器e2，并在那里产生接收脉冲72或76。光脉冲42和45的另一部分被辐射到监测区域11中，由那里的物体辐射回来，然后到达第一接收器e1，在那里分别产生接收脉冲52或56。
69.相对应地，光脉冲63和66的一部分经由第二参考路径37到达第一接收器e1，并在那里分别产生接收脉冲54或58。光脉冲63和66的另一部分被辐射到监测区域11中，由那里的物体辐射回来，然后到达第二接收器e2，在那里分别产生接收脉冲74或78。
70.图5所示的过程的优点在于，总体上需要较少的光脉冲，因为光脉冲中的至少一些既用于测量又用于测试。因此，可以增加所使用的光发射器的使用寿命，并因此增加每个传感器的使用寿命。
71.图6示出了2d扫描器中转子的旋转轴和方位角方向的概念。示意性地示出了坐标系x、y、z，其中转子的旋转轴相对于z轴共线地定向。例如，在根据本发明的具有两个发射器s1、s2和两个接收器e1、e2的光学传感器的一个示例性实施例中，第一发射器s1和第一接收器e1的光轴可以被定向在第一方位角方向上，并且第二发射器s2和第二接收器的光轴可以被定向在第二方位角方向上。例如在图3所示的变型就是这种情况。在总共具有四个发射器和四个接收器的实施例中，另外两对发射器和接收器可以定向在方位角方向和的方向上。然后，在每种情况下，成对的发射器和接收器相对于彼此以90度角放置。
72.本发明提供了一种用于检测监测区域中的物体的新颖的光学传感器，其中特别有效地实现了测试和测量。光学传感器可以形成为具有360度的角度检测范围的2d扫描器。根据本发明的光学传感器特别可以用作pl
‑
d(性能级别d)的安全扫描器。特别有利的应用是可以用于导航，例如在地面输送机中。
73.附图标记列表
74.10
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待检测物体
75.11
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监测区域
76.12
ꢀꢀꢀꢀ
发射光
77.13
ꢀꢀꢀꢀ
被物体10辐射回的光
78.15
ꢀꢀꢀꢀ
测量核心
79.16
ꢀꢀꢀꢀ
测量控制器
80.17
ꢀꢀꢀꢀ
测试光路的测试光
81.18
ꢀꢀꢀꢀ
测试物体
82.19
ꢀꢀꢀꢀ
由测试物体19辐射回的测试光
83.20
ꢀꢀꢀꢀ
第一通道
84.22
ꢀꢀꢀꢀ
发射器s1的发射光
85.23
ꢀꢀꢀꢀ
由物体10辐射回并由接收器e1检测的光
86.25
ꢀꢀꢀꢀ
第一通道的测量核心
87.26
ꢀꢀꢀꢀ
第一通道的测量控制器
88.27
ꢀꢀꢀꢀ
光导体
89.30
ꢀꢀꢀꢀ
第二通道
90.32
ꢀꢀꢀꢀ
发射器s2的发射光
91.33
ꢀꢀꢀꢀ
由物体10辐射回并由接收器e2检测的光
92.35
ꢀꢀꢀꢀ
第二通道的测量核心
93.36
ꢀꢀꢀꢀ
第二通道的测量控制器
94.37
ꢀꢀꢀꢀ
光导体
95.41
‑
49 发射器s1的发射脉冲
96.51
‑
59 接收器e1的接收脉冲
97.61
‑
69 发射器s2的发射脉冲
98.71
‑
79 接收器e2的接收脉冲
99.82
ꢀꢀꢀꢀ
时间轴
100.84
ꢀꢀꢀꢀ
强度轴
101.91
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窗口监测
102.92
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角度传感器
103.93
ꢀꢀꢀꢀ
电源
104.94
ꢀꢀꢀꢀ
接口
105.95
ꢀꢀꢀꢀ
双向箭头
106.100
ꢀꢀꢀ
根据本发明的光学传感器
107.200
ꢀꢀꢀ
现有技术的光学传感器
108.s
ꢀꢀꢀꢀꢀ
发射器
109.e
ꢀꢀꢀꢀꢀ
接收器
110.s1
ꢀꢀꢀꢀ
第一发射器
111.e1
ꢀꢀꢀꢀ
第一接收器
112.s2
ꢀꢀꢀꢀ
第二发射器
113.e2
ꢀꢀꢀꢀ
第二接收器
114.z
ꢀꢀꢀꢀꢀ
旋转轴
115.ꢀꢀꢀ
方位角方向
116.ꢀꢀꢀ
方位角方向
117.ꢀꢀꢀ
方位角方向
118.ꢀꢀꢀ
方位角方向。