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Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor und ein Verfahren zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 12.
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Solche Sensoren sind als einstrahlige Taster bekannt, mit denen die Entfernung zu einem anvisierten Ziel oder Entfernungen zu Objekten längs einer Überwachungsstrecke mit Hilfe eines Lichtlaufzeitverfahrens gemessen werden. Um Objektentfernungen in einem größeren Winkelbereich zu erfassen oder eine Objektkontur zu vermessen, werden Laserscanner eingesetzt. Dabei überstreicht ein von einer starken Lichtquelle, in der Regel einem Laser, erzeugter Lichtstrahl mit Hilfe einer Ablenkeinheit periodisch den Überwachungsbereich. Das Licht wird an Objekten in dem Überwachungsbereich remittiert und in dem Scanner ausgewertet. Aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit wird auf die Winkellage des Objektes und aus der Lichtlaufzeit unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit zusätzlich auf die Entfernung des Objektes von dem Laserscanner geschlossen. Mit den Winkel- und Entfernungsangaben ist der Ort eines Objektes in dem Überwachungsbereich oder dessen Kontur in zweidimensionalen Polarkoordinaten erfasst.
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Laserscanner werden nicht nur für Messanwendungen, sondern auch in der Sicherheitstechnik zur Überwachung einer Gefahrenquelle eingesetzt, wie sie beispielsweise eine gefährliche Maschine darstellt. Ein derartiger Sicherheitslaserscanner ist aus der
DE 43 40 756 A1 bekannt. Dabei wird ein Schutzfeld überwacht, das während des Betriebs der Maschine vom Bedienpersonal nicht betreten werden darf. Erkennt der Laserscanner einen unzulässigen Schutzfeldeingriff, etwa ein Bein einer Bedienperson, so löst er einen Nothalt der Maschine aus. In der Sicherheitstechnik eingesetzte Sensoren müssen besonders zuverlässig arbeiten und deshalb hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen, beispielsweise die Norm EN13849 für Maschinensicherheit und die Gerätenorm EN61496 für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS). Zur Erfüllung dieser Sicherheitsnormen sind eine Reihe von Maßnahmen zu treffen, wie sichere elektronische Auswertung durch redundante, diversitäre Elektronik, Funktionsüberwachung oder speziell Überwachung der Verschmutzung optischer Bauteile, insbesondere einer Frontscheibe, und/oder Vorsehen von einzelnen Testzielen mit definierten Reflexionsgraden, die unter den entsprechenden Scanwinkeln erkannt werden müssen.
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Zur Abstandsbestimmung wird die Lichtlaufzeit zwischen Aussenden und Empfangen eines Lichtsignals gemessen, das von einer Oberfläche in dem Überwachungsbereich remittiert oder reflektiert wird. Herkömmlich unterscheidet man zwei Verfahren, nämlich Pulslaufzeitverfahren und Phasenverfahren. In Pulslaufzeitverfahren werden einzelne kurze Lichtpulse ausgesandt und deren Laufzeit anhand eines Charakteristikums des Pulses, beispielsweise dessen Maximum bestimmt. Bei einem Phasenverfahren wird das Licht amplitudenmoduliert und die Phasenverschiebung des ausgesandten gegenüber dem empfangenen Licht ausgewertet. Phasenverfahren haben zunächst einen durch die verwandte Modulationsfrequenz des Lichts begrenzten Eindeutigkeitsbereich, der aber durch zusätzliche Maßnahmen erweitert werden kann.
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In einer Art Zwischenform werden keine Einzelpulse, sondern Pulsfolgen ausgesandt. Denn die Sendeleistung in einzelnen Pulsen wird durch Faktoren wie die Augensicherheit und die optische Ausgangsleistung der Lichtquelle limitiert. Um auch mit Pulsen geringerer Sendeleistung, die sich einzeln nicht mehr von dem Rauschen abheben, noch einen guten Signal-Rauschabstand zu erzielen, sind zum einen statistische Mittelungsverfahren bekannt. Dabei werden je Messwert eine Vielzahl von Pulsen ausgesandt und die daraufhin jeweils gemessenen Empfangssignale überlagert. So mitteln sich zufällige Rauscheffekte aus, während das Nutzsignal bei Mittelung wegen seiner systematischen Natur erhalten bleibt. Derartige Pulsmittelungsverfahren sind beispielsweise in der
EP 1 972 961 A1 oder der
EP 2 469 296 A1 beschrieben.
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Ein noch größerer Signal-Rauschabstand wird durch die Verwendung von Pulscodes, also codierten Sendepulsfolgen erzielt. Beispielsweise in der
DE 10 2008 009 180 A1 werden die ausgesandten Lichtsignale durch ein nach dem Bandspreizverfahren mit einem Pseudozufallsrauschcode moduliertes Ausgangssignal erzeugt. Empfangsseitig wird dann mit dem bekannten Pseudozufallsrauschcode korreliert. Da somit ausgesandter und bei der empfangsseitigen Filterung verwendeter Code einander entsprechen, wird so die Autokorrelation mit einem Zeitversatz gebildet, der gerade der gesuchten Lichtlaufzeit entspricht.
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Der Dynamikbereich der Empfangssignalleistung, in dem ein optoelektronischer Sensor und insbesondere ein Laserscanner mit durch die Scanbewegung rasch wechselnden Zielen arbeitet, ist sehr hoch und kann 80dB betragen. Eine Ursache dafür bilden unterschiedliche Oberflächeneigenschaften und damit unterschiedliches Remissionsverhalten, welches zwischen Extremen wie schwarzer Samt einerseits und einem Reflektor andererseits schwanken kann. Eine weitere Ursache liegt in dem quadratischen Empfangssignalverlust mit dem Abstand, welcher sich beispielsweise an Objektkanten sehr abrupt ändern kann. Das Empfangssystem des Sensors muss so ausgelegt sein, dass eine Auswertung des Empfangssignals über diesen gesamten Dynamikbereich erfolgen kann.
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Herkömmlich wird häufig im Anschluss an den Lichtempfänger ein Transimpedanzverstärker eingesetzt, der für große Empfangssignale übersteuert betrieben wird. Damit stehen aber folgenden Auswertestufen die aufgrund der Übersteuerung verlorenen Signalinformationen nicht mehr zur Verfügung, und dieser Verlust hat einen erhöhten Messfehler zur Folge. Zudem ist die Signalform stark verzerrt, die empfangenen Signale sind verbreitert und erschweren die Auswertung oder machen sie unmöglich. Dies gilt besonders bei Pulsverfahren, wenn Empfangspulse etwa infolge eines Kantentreffers sehr dicht aufeinanderfolgen. Das umgekehrte Vorgehen, eine Übersteuerung durch Anpassung des Dynamikbereichs auf starke Empfangssignale zu vermeiden, führt zu einer schlechten Erkennung von schwachen Empfangssignalen und bringt daher noch schwerwiegendere Nachteile mit sich.
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Im Stand der Technik wird deshalb vorgeschlagen, den Empfangspfad in mindestens zwei Teilpfade aufzuteilen, die jeweils für die Verstärkung nur in einem Teil des gesamten Dynamikbereichs zuständig sind. Dieser Ansatz wird beispielsweise in der
EP 2 182 377 A1 verfolgt. Dabei wird aber der Photostrom in einem Splitter aufgeteilt, der in der praktischen Umsetzung den Photostrom für den unempfindlicheren Teilpfad mittels eines Übertragers auskoppelt. Durch den Übertrager geht auch noch bei sehr kleinen Empfangssignalen ein Teil des Photostroms in dem unempfindlicheren Teilpfad verloren, so dass die Empfindlichkeit des Gesamtsystems verringert wird. Außerdem unterdrückt der Übertrager einen Gleichlichtanteil des Empfangssignals beziehungsweise einen Gleichstromanteil des Photostroms. Dieser Gleichlichtanteil wird aber für die Auswertung eines Pulscodes benötigt, so dass die Lösung der
EP 2 182 377 A2 bei einem Pulscodeverfahren nicht einsetzbar ist.
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In der
EP 1 308 693 A1 ist eine Reihenschaltung aus Arbeitswiderständen vorgesehen, um den einlaufenden Empfangspuls in sukzessive abgeschwächte Tochterpulse zu unterteilen und diese jeweils einem separaten Verstärker zuzuführen. Erneut geht bei schwachen Empfangssignalen ein Teil des Photostroms in den unempfindlicheren Verstärkern verloren.
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Die
DE 102 36 486 A1 verwendet eine in Reihe geschaltete Kaskade von Verstärkerstufen und ein Signalselektiermodul, mit dem das Ausgangssignal derjenigen Verstärkerstufe weiterverarbeitbar ist, dessen Pegel dem eines Standardpegels entspricht. Durch die Verstärkerkaskade werden Verzerrungen der Verstärker kumuliert und damit Empfangszeitpunkte in den entstehenden Signalformen weniger genau bestimmt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, in einem gattungsgemäßen Sensor über einen großen Dynamikbereich eine möglichst signaltreue Verstärkung des Empfangssignals zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor und ein Verfahren zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich nach Anspruch 1 beziehungsweise 12 gelöst. Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, den von dem Lichtempfänger erzeugten Photostrom auf einen unempfindlichen und einen empfindlichen Empfangspfad aufzuteilen. Photoströme, die in dem empfindlichen Empfangspfad ohne Übersteuerung verarbeitet werden können, sollen auch möglichst ausschließlich in diesen empfindlichen Empfangspfad fließen. Erst wenn der empfindliche Empfangspfad überlastet wäre, soll der unempfindliche Empfangspfad genutzt werden. Dazu sieht die Erfindung eine Diodenanordnung, im einfachsten Fall eine einfache Diode, in dem unempfindlichen Empfangspfad vor, deren Durchlassspannung erst ab einer Mindestintensität des remittierten Lichts beziehungsweise des Empfangslichts überschritten ist. In dem empfindlichen Empfangspfad dagegen muss keine Diodenanordnung vorgesehen sein, denn hierhin sollen schwache Photoströme vollständig fließen. Erst bei Überschreiten der Mindestintensität kann Strom in den unempfindlichen Pfad fließen.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass das Empfangssignal innerhalb eines Dynamikbereichs größer demjenigen jedes einzelnen Empfangspfades weitgehend informationsverlustfrei verstärkt wird. Erst bei Überschreitung der Durchlassspannung fließt ein Strom in den Verstärker des unempfindlichen Empfangspfades. Bei kleinen Empfangsleistungen wird der gesamte Photostrom in den empfindlichen Empfangspfad geführt, so dass kein Empfindlichkeitsverlust eintritt. Dabei wird anders als im Stand der Technik kein Übertrager eingesetzt, so dass das Empfangssignal unter Erhaltung von Gleichanteilen erzeugt wird.
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Der empfindlichere Verstärker weist bevorzugt einen empfindlicheren Dynamikbereich und/oder einen größeren Verstärkungsfaktor auf als der unempfindlichere Verstärker. Dabei wird bewusst eine Übersteuerung des empfindlichen Verstärkungspfads bereits bei Empfangssignalen moderater Stärke in Kauf genommen. Es wird gar nicht angestrebt, dass der empfindlichere Verstärker mit allen Signalen umgehen kann. In dem empfindlichen Verstärkungspfad sollen schwache Empfangssignale verarbeitet werden. Umgekehrt verstärkt der unempfindliche Verstärkungspfad weniger stark, weil dort eine Übersteuerung vermieden werden soll und schwache Empfangssignale den unempfindlichen Empfangspfad wegen der Diodenanordnung ohnehin nicht erreichen. Bei den Verstärkern handelt es sich insbesondere um Transimpedanzverstärker, die den Photostrom in ein Spannungssignal wandeln, das dann über einen A/D-Wandler einer digitalen Auswertung zugeführt wird.
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Vorzugsweise sind ein dritter und/oder weiterer Empfangspfad mit einem eigenen Empfindlichkeitsbereich vorgesehen. Auch wenn sich bereits der unempfindliche Empfangspfad und der empfindliche Empfangspfad den Dynamikbereich aufteilen, können die Empfangspfade angesichts der zu erwartenden hohen Dynamik mit dem ihnen zugeordneten Dynamikbereich noch überfordert sein. Dies gilt vor allem, wenn verhältnismäßig kostengünstige Verstärker mit nicht zu großem eigenem Dynamikbereich eingesetzt werden sollen. Dann ist eine weitere Staffelung der Empfindlichkeit vorteilhaft. Jedem Empfangspfad ist über die Durchlassspannung seiner Diodenanordnung eine Schwelle der Intensität des Empfangslichts zugeordnet, ab der dieser Empfangspfad für die verzerrungsfreie Verstärkung zuständig ist, ehe bei weiterer Erhöhung der Intensität ein noch unempfindlicherer Empfangspfad übernimmt. Die Schwelle für den empfindlichsten Empfangspfad liegt vorzugsweise bei Null, und in diesem Fall ist dort keine Diodenanordnung vorgesehen. Alternativ kann eine über eine Diodenanordnung auch des empfindlichsten Empfangspfads eine gewisse Rauschschwelle vorgegeben werden.
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Die Diodenanordnung weist bevorzugt eine Reihenschaltung von Dioden auf, deren einzelne Durchlassspannungen sich zu der für ein Fließen des Photostroms erforderlichen Durchlassspannung addieren. Somit wird die Empfindlichkeitsabstufung der Empfangspfade durch Diodenketten realisiert, in denen sich die einzelnen Durchlassspannungen der beteiligten Dioden zu der Durchlassspannung des Empfangspfades aufaddieren. Die Empfindlichkeit eines Empfangspfades kann dann einfach durch die Anzahl der an der Reihenschaltung beteiligten, untereinander gleichen Dioden eingestellt werden. Beispielsweise weist der empfindlichste Empfangspfad keine Diode auf, der zweitempfindlichste Empfangspfad eine Diode bis hin zu dem unempfindlichsten n-ten Pfad mit n – 1 Dioden. Durch die Reihenschaltung in den Diodenanordnungen wird die effektive Diodenkapazität verringert, und es ergeben sich geringe kapazitive Verluste bei kleinen Empfangsleistungen. Alternativ zu Reihenschaltungen gleichartiger Dioden können auch unterschiedliche Dioden eingesetzt werden, die einzeln oder in Reihenschaltung mit anderen Dioden die gewünschte Durchlassspannung aufweisen.
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In den Empfangspfaden ist bevorzugt ein Koppelkondensator vorgesehen. Dadurch wird eine kapazitive Kopplung für Photoströme von der Diodenanordnung zu dem Verstärker erreicht.
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Vorzugsweise ist in den Empfangspfaden eine zusätzliche parallel gegen Masse geführte Diode vorgesehen. Über diese weitere als Begrenzerdiode fungierende zusätzliche Diode kann ein zu hoher Photostrom abfließen, welcher den Verstärker oder nachgelagerte Komponenten möglicherweise beschädigen würde. Die zusätzliche Diode wird bevorzugt in dem Empfangspfad vor dem Koppelkondensator angeordnet.
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In den Empfangspfaden ist bevorzugt ein Widerstand vorgesehen. Dieser Widerstand bildet mit der Diodenanordnung ein Widerstands- und Diodennetzwerk zur Aufteilung des Photostroms. Es ergibt sich dann eine einfache Einstellbarkeit der Empfindlichkeit der Empfangspfade durch die Widerstandswerte und Durchlassspannungen, insbesondere wenn die Durchlassspannungen durch die Anzahl beteiligter Dioden in einer als Reihenschaltung ausgebildeten Diodenanordnung gewählt werden.
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Der empfindliche Empfangspfad weist bevorzugt in dieser Reihenfolge einen Widerstand, einen Koppelkondensator und den empfindlicheren Verstärker auf, während der unempfindliche Empfangspfad in dieser Reihenfolge einen Widerstand, die Diodenanordnung, einen Koppelkondensator und den unempfindlicheren Verstärker aufweist. Gegebenenfalls vorhandene Empfangspfade mit weiter gestaffelter Empfindlichkeit sind dann vorzugsweise so aufgebaut wie der unempfindliche Empfangspfad. Die Empfindlichkeit, also die Schwelle für die Intensität des remittierten Lichts, ab dem Photostrom in einen bestimmten Empfangspfad fließen soll, wird wiederum über die Durchlassspannungen, insbesondere Anzahl von Dioden in einer Reihenschaltung, und die Widerstandswerte eingestellt.
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Der Lichtsender beziehungsweise dessen Ansteuerung sind bevorzugt dafür ausgebildet, das Licht als codierte Pulsfolge auszusenden, wobei die Auswertungseinheit dafür ausgebildet ist, die codierte Pulsfolge in dem Empfangssignal auszuwerten. Es wird also mit einer Codierung gearbeitet, um das Licht des Sensors robust von Fremdlicht und anderen Störern unterscheiden zu können. Bei herkömmlichen Verstärkungskonzepten mit mehreren Empfangspfaden werden Gleichanteile durch einen Übertrager unterdrückt. Für ein Pulscodeverfahren müssen jedoch auch die Gleichanteile übertragen werden, was durch die erfindungsgemäßen Diodenanordnungen jedenfalls bei hinreichend großem Koppelkondensator gewährleistet ist. Die Erfindung sorgt dafür, dass sich auch für große Empfangssignale eine möglichst geringe Pulsverbreiterung in den Pulscodefolgen ergibt. Die Verwendung von Codefolgen ist besonders nützlich im Zusammenhang mit Lichtlaufzeitmessungen, aber nicht darauf beschränkt, und wurde einleitend kurz erläutert. Ergänzend sei auch auf die in diesem Zusammenhang genannte
DE 10 2008 009 180 A1 verwiesen.
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Der Sensor ist vorzugsweise entfernungsmessend und seine Auswertungseinheit dafür ausgebildet, den Abstand des Objekts aus einer Lichtlaufzeit zwischen Aussenden von Licht und Empfangen des an dem Objekt remittierten Lichts zu bestimmen. Die präzise Entfernungsmessung bedarf der genauen Bestimmung eines Empfangszeitpunkts und deshalb einer treuen Verstärkung der empfangenen Signalform. Deshalb ist das erfindungsgemäße Verstärkungskonzept für derartige Messungen besonders geeignet. Eine bloße Anwesenheitsdetektion ist ebenfalls denkbar, aber hinsichtlich Verzerrungen und Übersteuerungen deutlich weniger anspruchsvoll.
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In bevorzugter Weiterbildung ist der Sensor ein Laserscanner und weist eine bewegliche Ablenkeinheit zur periodischen Ablenkung des ausgesandten Lichts in den Überwachungsbereich auf. Der Sensor überwacht auf diese Weise nicht nur einen eindimensionalen Strahl, sondern tastet periodisch einen zweidimensionalen oder sogar dreidimensionalen Bereich ab. Dazu wird der ausgesandte Lichtstrahl und damit auch das remittierte Licht in einer Scanbewegung durch den Überwachungsbereich geführt. Als Ablenkeinheit dient beispielsweise ein Drehspiegel, ein Polygonrad, oder es wird die ganze Optikeinheit mit Lichtsender und Lichtempfänger gedreht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise durch weitere Merkmale ausgestaltet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige weitere Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend, in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:
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1 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Laserscanner;
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2 eine Blockdarstellung eines zweigeteilten Empfangspfades eines Laserscanners gemäß 1; und
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3 eine Blockdarstellung eines in vier Teilpfaden aufgeteilten Empfangspfades eines Laserscanners gemäß 1.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen optoelektronischen Sensor in einer Ausführungsform als Laserscanner 10. Eine alternative Ausführungsform als einstrahliges System zur eindimensionalen Objekterfassung ist ebenfalls von der Erfindung umfasst, wird aber nicht dargestellt und beschrieben, da die Verstärkung und Objekterkennung dort in vergleichbarer Weise funktioniert.
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Ein Lichtsender 12, beispielsweise mit einer Laserlichtquelle, erzeugt mit Hilfe einer Sendeoptik 14 einen Sendelichtstrahl 16. Der Sendelichtstrahl 16 wird mittels einer Ablenkeinheit 18 in einen Überwachungsbereich 20 ausgesandt und dort von einem gegebenenfalls vorhandenen Objekt remittiert. Das remittierte Licht 22 gelangt wieder zu dem Laserscanner 10 zurück und wird dort über die Ablenkeinheit 18 mittels einer Empfangsoptik 24 von einem Lichtempfänger 26 detektiert, beispielsweise einer Photodiode oder für höhere Empfindlichkeit einer Lawinenphotodiode (APD). Bei dem dargestellten Laserscanner 10 befindet sich der Lichtsender 12 und dessen Sendeoptik 14 in einer zentralen Öffnung der Empfangsoptik 24. Dies ist nur eine beispielhafte Möglichkeit der Anordnung. Die Erfindung umfasst daneben alternative Lösungen, etwa mit einem eigenen Spiegelbereich für den Sendelichtstrahl 16 oder mit Teilerspiegeln.
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Die Ablenkeinheit 18 wird von einem Motor 28 in eine kontinuierliche Drehbewegung mit einer Scanfrequenz versetzt. Dadurch tastet der Sendelichtstrahl 16 während jeder Scanperiode, also einer vollständigen Umdrehung bei der Scanfrequenz, eine Ebene ab. Am Außenumfang der Ablenkeinheit 18 ist eine Winkelmesseinheit 30 angeordnet, um die jeweilige Winkelstellung der Ablenkeinheit 18 zu erfassen. Die Winkelmesseinheit 30 wird hier beispielhaft von einer Strichscheibe als Winkelmaßverkörperung und einer Gabellichtschranke als Abtastung gebildet.
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Eine Auswertungseinheit 32, die zugleich Steuerungsfunktionen des Laserscanners 10 übernimmt, ist mit dem Lichtsender 12, dem Lichtempfänger 26, dem Motor 28 und der Winkelmesseinheit 30 verbunden.
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Die Auswertungseinheit 32 veranlasst den Lichtsender 12, den Sendelichtstrahl 16 zu modulieren. Obwohl prinzipiell auch ein einleitend erläutertes Phasenverfahren denkbar ist, werden dabei vorzugsweise Sendelichtpulse mit einer typischen Pulsbreite von einigen Nanosekunden ausgesandt. In einem Einzelpulsverfahren wird die Lichtlaufzeit zwischen Aussenden eines Sendelichtpulses und Empfang eines daraus durch Remission an einem Objekt in dem Überwachungsbereich 20 entstandenen Empfangspulses gemessen, um den Objektabstand zu bestimmen. In bevorzugter Weiterbildung werden nicht nur einzelne Pulse, sondern codierte Pulsfolgen ausgesandt. Diese Pulsfolgen werden nach dem Empfang ausgewertet, beispielsweise durch Korrelation des Empfangssignals mit der bekannten Sendepulsfolge. In dem so erhaltenen Korrelationssignal bestimmt die Auswertungseinheit 32 die Lage eines Korrelationsmaximums und daraus die Lichtlaufzeit.
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Damit ist die Objektentfernung bestimmt. Die jeweilige Winkelstellung, unter welcher dabei der Sendelichtstrahl 16 ausgesandt wurde, ist der Auswertungseinheit 32 von der Winkelmesseinheit 30 bekannt. Somit stehen nach jeder Scanperiode über den Winkel und die Entfernung zweidimensionale Polarkoordinaten aller Objektpunkte in dem Überwachungsbereich 20 zur Verfügung. Damit sind die Objektpositionen beziehungsweise Objektkonturen bekannt und können über eine Schnittstelle 34 ausgegeben werden. Die Schnittstelle 34 dient umgekehrt auch als Parametrierschnittstelle, über welche der Auswertungseinheit 32 Daten eingespielt werden können. Alternativ kann eine eigene Parametrierschnittstelle vorgesehen sein. Bei Anwendungen in der Sicherheitstechnik, wenn also der Laserscanner 10 ein Sicherheitsscanner ist, kann die Schnittstelle 34 sicher ausgebildet, insbesondere ein sicherer Ausgang (OSSD, Output Signal Switching Device) für ein sicherheitsgerichtetes Abschaltsignal bei Erkennen einer Schutzfeldverletzung sein.
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Der Laserscanner 10 ist in einem Gehäuse 36 untergebracht, welches eine umlaufende Frontscheibe 38 aufweist. Die Geometrie des Gehäuses 36 und der Frontscheibe 38 sind ebenso wie die Gestaltung von Sende- und Empfangskanal rein beispielhaft zu verstehen. Es sind zahlreiche alternative Konzepte bekannt, bei denen die Erfindung ebenfalls einsetzbar ist.
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2 zeigt in einem Blockdiagramm einen in 1 mit gestrichelter Linie 40 gekennzeichneten Empfangspfad des Laserscanners 10 mit zusätzlichen Details. Dabei bezeichnen in der gesamten Beschreibung gleiche Bezugszeichen die gleichen oder einander entsprechenden Merkmale. Empfangspfad wird hier der Verarbeitungspfad zwischen Lichtempfänger 26 und Auswertungseinheit 32 genannt. Der Empfangspfad ist in einen empfindlichen Empfangspfad 42a und einen unempfindlichen Empfangspfad 42b aufgeteilt.
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In dem empfindlichen Empfangspfad 42a sind in dieser Reihenfolge ein Widerstand 44a, ein Koppelkondensator 46a, ein erster Verstärker 48a und ein A/D-Wandler 50a hintereinandergeschaltet. Außerdem zweigt vor dem Koppelkondensator 46a ein weiterer Parallelpfad mit einer gegen Masse geführten Begrenzerdiode 52a ab. Gleichartige Elemente, also ein Widerstand 44b, ein Koppelkondensator 46b, ein zweiter Verstärker 48b, ein A(D-Wandler 50b und eine parallel geschaltete Begrenzerdiode 52b sind auch in dem unempfindlichen Empfangspfad 44b vorgesehen. Im Unterschied zu dem empfindlichen Empfangspfad 42a ist eine Diodenanordnung 54, hier in Form einer einzelnen Diode, zwischen den Widerstand 44b und den Koppelkondensator 48b geschaltet. Die Empfangspfade 42a–b führen beide auf die Auswertungseinheit 32, wo die digitalisierten Signale weiter verarbeitet werden. Alternativ zu der Darstellung können die Signale auch bereits vor dem dann einzigen A/D-Wandler zusammengeführt werden, wobei dann bestimmte Wertebereiche oder Bitbereiche den Empfangspfaden 42a–b zugewiesen sind, damit die Auswertungseinheit 32 anschließend das digitalisierte Signal wieder in die Einzelsignale auftrennen kann.
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Der erste Verstärker 48a weist eine größere Empfindlichkeit auf als der zweite Verstärker 48b, kann also schwächere Signale mit einem größeren Verstärkungsfaktor verarbeiten. Bei stärkeren Signalen, die aber durchaus im Betrieb des Laserscanners 10 noch zu erwarten sind, übersteuert der erste Verstärker 48a und liefert kein präzise auswertbares Signal. Für derartige stärkere Signale ist der unempfindlichere zweite Verstärker ausgelegt, der dabei nicht übersteuert, aber schwache Signale nicht hinreichend verstärkt. Auf diese Weise teilen sich die Verstärker 48a–b einen größeren Dynamikbereich auf, als sie einzeln verarbeiten könnten.
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Trifft remittiertes Licht 22 auf den Lichtempfänger 26, so wird ein Photostrom erzeugt. Dieser Photostrom kann in jedem Fall in den empfindlichen Empfangspfad 42a fließen, wobei die Begrenzerdiode 52a die nachgelagerten Komponenten vor zu großen Strömen schützt. Nur wenn die Intensität des remittierten Lichts 22 groß genug ist, dass die Durchlassspannung der Diodenanordnung 54 übertroffen wird, fließt auch ein Photostrom in den unempfindlichen Empfangspfad 42b. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass schwache Signale vollständig in dem empfindlichen Empfangspfad 42a verarbeitet werden. Die Empfangspfade 42a–b sind durch Wahl der Widerstände 42a–b und Auslegung der Durchlassspannung der Diodenanordnung 44b so eingestellt, dass der Photostrom erst oberhalb einer Intensität des remittierten Lichts 22 in den unempfindlichen Empfangspfad 42b fließt, bei welcher der erste Verstärker 48a des empfindlichen Empfangspfades für eine genaue Messung zu stark übersteuern würde.
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3 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Empfangspfades in einer Blockdarstellung. Anstelle des zweigeteilten Empfangspfades der 2 sind hier vier Empfangspfade 42a–d mit von unten nach oben abnehmender Empfindlichkeit vorgesehen. Die Anzahl von vier Empfangspfaden 42a–d ist natürlich nur beispielhaft zu verstehen, die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen mit drei, fünf oder mehr Empfangspfaden 42.
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Die Verstärker 48a–d der vier Empfangspfade 42a–d teilen sich den insgesamt zu verarbeitenden Dynamikbereich in analoger Weise auf wie der erste Verstärker 48a und der zweite Verstärker 48b in der Ausführungsform gemäß 2. Die Diodenanordnungen 54b–d sorgen dafür, dass jeweils ab Überschreitung einer gewissen Intensität deren Durchlassspannung überschritten ist und somit der Photostrom in den nächst unempfindlichen Empfangspfad 42b–d fließen kann. Um eine entsprechende gleichmäßige Staffelung der Durchlassspannung zu erreichen, sind die Diodenanordnungen 54b–d hier als Reihenschaltung gleichartiger Dioden ausgebildet, wobei die Anzahl der in der Reihenschaltung zusammengeschlossenen Dioden von keiner solchen Diode in dem empfindlichsten Empfangspfad 42a bis hin zu drei Dioden in dem unempfindlichsten Empfangspfad 42d zunimmt.
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Somit wird der Photostrom über ein Widerstands- und Diodennetzwerk in mehrere Empfangspfade 42a–d unterschiedlicher Empfindlichkeit aufgeteilt. Erst nach Überschreitung der Durchlassspannung der jeweiligen Diodenanordnung 54b–d kann ein Strom in den zugehörigen Verstärker 48b–d fließen. Die Schwelle, an der dies geschieht, kann durch Anpassung der Widerstände 44a–d und der Durchlassspannungen der Diodenanordnungen 54b–d, insbesondere der Anzahl in Reihe geschalteter gleichartiger Dioden in einer Diodenanordnung 54b–d, eingestellt werden.