用于检测对象的光电传感器和方法
阅读：139发布：2020-05-08
专利汇可以提供用于检测对象的光电传感器和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 申请 涉及用于检测对象的光电 传感器 和方法。一种用于检测监控区域中的对象的 光电传感器 ，具有：至少一个光发射器，其用于从各发射点发出彼此分离的多个光束；用于发出的光束的发射光学器件；至少一个 光接收器 ，其用于从被对象反射回并分别入射在接收点中的漫反射的光束产生相应的接收 信号 ；用于漫反射的光束的接收光学器件；以及评估单元，其用于从接收信号中获得关于对象的信息。在此，接收光学器件和/或发射光学器件是用于像场 角 为α的圆环形像场的双透镜物镜，该物镜具有第一透镜和第二透镜，其中第一透镜被构造成使得每个单独的发射点和/或接收点的像场角为α的光束仅落在第二透镜的一半上。，下面是用于检测对象的光电传感器和方法专利的具体信息内容。
1.一种光电传感器(10)，其用于检测监控区域(20)中的对象，所述传感器具有：至少一个光发射器(22)，其用于从各发射点(22b)发出彼此分离的多个光束(26)；用于发出的光束(26)的发射光学器件(24)；至少一个光接收器(32)，其用于从被对象反射回并各自入射在接收点(32b)中的漫反射的光束(28)产生相应的接收信号；用于漫反射的光束(28)的接收光学器件(30)；以及评估单元(40)，其用于从所述接收信号中获得关于对象的信息，其特征在于，
所述接收光学器件(30)和/或所述发射光学器件(24)是用于像场角为α的圆环形像场的双透镜物镜，所述双透镜物镜具有第一透镜(50)和第二透镜(52)，其中，所述第一透镜(50)被配置成使得每个单独的发射点和/或接收点的像场角为α的光束(54、56)仅落在所述第二透镜(52)的一半上。
2.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中，对于所述双透镜物镜，满足不等式d≥(D1*f1)/(D1+2*f1*tanα)，其中f1为所述第一透镜(50)的焦距，且D1为所述第一透镜(50)的直径，以及d为所述第一透镜(50)和所述第二透镜(52)之间的距离。
3.根据权利要求2所述的传感器(10)，其中，至少近似地d＝(D1*f1)/(D1+2*f1*tanα)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述第二透镜(52)的焦距f2对应于所述第一透镜(50)和所述第二透镜(52)之间的距离。
5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述第一透镜(50)具有小的光圈值k1，特别地k1＝1。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述发射点(22b)被布置在第一圆线(48a)上和/或所述接收点(32b)被布置在第二圆线(48b)上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，所述传感器具有多个光发射器(22、
22a)，特别是每个发射点(22b)一个光发射器(22、22a)，和/或所述传感器具有多个光接收器(32、32a)，特别是每个接收点(32b)一个光接收器(32、32a)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，光发射器(22)和光接收器(32)形成同轴布置，并且发射光学器件(24)和接收光学器件(30)被组合在共同的光学器件中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，所述传感器被配置成激光扫描仪，并且具有可移动的偏转单元(12)，发出的光束(26)借助于所述偏转单元被周期性地引导通过所述监控区域(20)，其中特别地，所述偏转单元(12)被配置成可旋转的扫描单元的形式，所述光发射器(22)和/或所述光接收器(32)被安置在所述扫描单元中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中，所述评估单元(40)被配置用于根据发出光束(26)和接收漫反射的光束(28)之间的光飞行时间来确定对象的距离。
11.一种用于检测监控区域(20)中的对象的方法，其中，由发射光学器件(24)从各发射点(22b)发出彼此分离的多个光束(26)，从被对象反射回并在穿过接收光学器件(30)之后入射在相应的接收点(32b)中的漫反射的光束(28)产生相应的接收信号，并且对所述接收信号进行评估以获得关于对象的信息，
其特征在于，
所述接收光学器件(30)和/或所述发射光学器件(24)是用于像场角为α的圆环形像场的双透镜物镜，所述双透镜物镜具有第一透镜(50)和第二透镜(52)，并且由于所述第一透镜(50)的配置，每个单独的发射点和/或接收点的像场角为α的光束(54、56)仅落在所述第二透镜(52)的一半上。
用于检测对象的光电传感器和方法
[0002] 许多光电传感器根据扫描原理工作，其中光束被发出到监控区域中，并且被对象反射回的光束被再次接收，以便随后电子地评估接收信号。在这种情况下，通常用已知的相位法或脉冲法来测量光飞行时间，以便确定被扫描上的对象的距离。
[0003] 为了扩展单光束光扫描仪的测量范围，一方面可以像在激光扫描仪中那样移动扫描光束。在激光扫描仪中，由激光器产生的光束借助偏转单元周期性地扫描监控区域。除了测量的距离信息以外，还从偏转单元的角度位置推断出对象的角度位置，并从而将对象在监控区域中的位置以二维极坐标进行统计。
[0004] 用于扩展测量范围和获得附加的距离数据的另一种可行方案在于，使用多个扫描光束同时检测多个测量点。这也可以与激光扫描仪结合使用，该激光扫描仪随后不仅检测监控平面，而且还通过多个监控平面检测三维空间区域。在大多数的激光扫描仪中，扫描运动通过旋转镜来实现。然而，在使用多个扫描光束时，在现有技术中还已知替代地让具有光发射器和光接收器的整个测量头旋转，如例如DE 197 57 849 B4中所述的。
[0005] 原则上，可以通过增加单光束仪器的组件来实现多个扫描光束。然而，这是不必要的繁琐和复杂。因此，在现有技术中存在多次使用组件的方法。为此，在DE 10 2015 121 839 A1中，多个光发射器的扫描光束由共同的发射光学器件形成并且在期望的方向上偏转。
[0006] 而现在希望同时针对多个光束使用发射或接收光学器件。然而，这就对光学器件提出了矛盾的要求。一方面，出于成本的原因，光学器件应该尽可能简单，但是另一方面，光学器件应该能够在尽可能大的像场中同时清晰地成像所有光束。
[0007] 简单的光学器件可以借助单透镜来实现。然而，在足够大孔径的边界条件给定的情况下，例如光圈值k≤3的和小的点像，可能最多只能有±5°的小的像场角范围。因此，使用单透镜只能实现密集的扫描光束。当合理的彼此间的距离为几度且所述像场角<5°时，单透镜允许不超过两个或三个扫描光束，且因此不允许较大的测量范围，例如30°。
[0008] 另一方面，也存在这种可行方案，即省去简单的光学器件而使用多透镜物镜。因此，也可以在较大的像场角(例如，±20°)内生成小的点像。然而，为此通常需要至少三个透镜，这些透镜本身也必须被调整。
[0009] 即使接受较高的制造和调整成本，但仍然必须达成光学上的妥协。虽然对于单透镜的像场，基本上只能在沿着光轴的0°处获得k＝1的光圈值，但对于大像场(例如，±15°)的物镜，却难以实现k≤3或者甚至k≤2的光圈值。然而，器件的有效范围却随接收孔径的减小而减小。多透镜物镜的另一缺点在于主光束以相当大的角度到达像平面上。如果这种物镜被用作发射光学器件，则有必要倾斜光源以便完全到达物镜。因此，其中主光束角保持得非常小的远心物镜的可替代方案不予考虑，因为它需要远大于三个以上的透镜。
[0010] 因此，本发明的任务在于简化并改进所述类型的多光束系统。
[0011] 该任务通过根据权利要求1或11的用于检测监控区域中的对象的光电传感器和方法得以实现。根据本发明的传感器是多传感器(Mehrfachtaster，multi-sensor)，该多传感器使用至少一个光发射器从各发射点发出多个光束。每个发射点实际上是光发射器，相应发出的光束从该光发射器发出，但其中物理的光发射器并非必须位于发射点处。反过来，在一些实施方式中，物理的光发射器还可以在多个或所有发射点处产生多个发出的光束，这将在后面解释。此外，所发出的光束仍然不能被理解成较大的光束内的辐射光学(Strahlenoptik)意义上的光束，而是彼此分离的光束，因此是分散的扫描光束，该光束在入射到对象上时在监控区域中产生相应分散的、彼此间隔开的光斑。
[0012] 至少一个光接收器能够从自不同方向被漫反射的光束产生相应的接收信号，这些光束在对象上被反射回来并入射到相应的接收点中。类似于发射点的实施方式，接收点实际上是光接收器，而不必物理上将光接收器安置在每个接收点。以这种方式产生的接收信号被评估，以便获得关于对象的信息。
[0013] 发出的光束穿过发射光学器件，该发射光学器件例如确保所发出的光束具有期望的光束形状、彼此之间清晰的分离或具有特定的光束方向。在此，仅为所有发射点的所有光束提供一个发射光学器件。然而，对于具有非常多的光束的传感器，可以设想将多个模块结合起来，每个模块分别具有多个发射点和仅仅一个发射光学器件。这同样适用于漫反射的光束及其共同的接收光学器件。
[0014] 本发明基于这一基本思想，即将双透镜物镜作为发射光学器件和/或接收光学器件用于像场角为α的圆形 像场。双透镜物镜正好包括两个透镜，即第一透镜和第二透镜，而没有其它透镜，其中透镜特别是会聚透镜。第一透镜被成型成使得每个单独的像点或者发射点和/或接收点的像场角为α的入射光束仅落在第二透镜的一半上。因此，这种光束，确切地说优选地像场角为α的所有光束，仅位于光轴一侧的第二透镜的高度上。与光轴相对的场点的光束在第二透镜的平面内不相互交叉。这些光束不再照亮第二透镜的中点。因此，与常见的透镜不同的是，这里不使用大的连续范围的像场角，例如-α...0°...α，而是仅使用单独离散的像场角α。像场角α可以包括一定的容差环境，在该容差环境中这些特性仍然得到充分满足。
[0015] 本发明的优点在于，通过特殊的双透镜物镜设计结合了单透镜和物镜的有用特性。双透镜当然比三透镜或多透镜更容易制造和调整。设计自由度本身受到更大的限制，但是根据本发明，被利用以使得尽管花费较少，但是多个扫描光束在更大的像场上清晰地成像。例如，±20°的场角在不放大点像的情况下是可能的，这些点像满足了诸如<0.5毫弧度(mrad)的要求。因此，使用同一光学器件可以有彼此间隔开的多个光束，并且在这方面性能不低于三透镜或多透镜。这是通过不需要在任何地方都要求清晰限制的光束而只需要在对应于像场角α的圆环上来实现的。然而，与多透镜物镜不同，双透镜物镜仍然允许k≤2或甚至k＝1的大孔径，即小光圈值，因此孔径大且有效范围大。甚至有可能使像平面中的主光束角保持得非常小，从而设计出几乎在像侧的远心物镜。然后，当在发射路径中使用时，光束源不必倾斜，而是可以平坦地焊接在印刷电路板上。
[0016] 优选地，双透镜物镜满足不等式d≥(D1*f1)/(D1+2*f1*tanα)，其中f1为第一透镜的焦距，D1为第一透镜的直径，以及d为第一透镜和第二透镜之间的距离。在此优选地，距离d在第一透镜的主平面和第二透镜的第一有效透镜表面，即面向第一透镜的透镜表面之间测量。这是针对已经介绍的条件的数学公式，即具有像场角α的光束只落在第二透镜的一半上。
[0017] 优选地，至少近似相等，即d＝(D1*f1)/(D1+2*f1*tanα)。至少近似意味着仍然有可能有一定(例如，5％或10％)的容差，光学器件的特性不会突然改变。反过来，这是关于即使条件不同也要保持第二透镜与光学器件的像平面之间距离尽可能大的问题，使得第二透镜也可以发挥出显著的效果。从这个距离最大化的意义上来说，相等是最佳的，并且该最佳也只能近似地通过所提到的容差达到。
[0018] 优选地，第二透镜的焦距f2对应于第一透镜和第二透镜之间的距离。然后，双透镜物镜在像侧变成远心的。此外，如上所述，当用作发射光学器件时，这使得光束源能够彼此平行对准。优选地，第一透镜和第二透镜之间的距离在这里不是已介绍的距离d，而是两个透镜的主平面之间的、偏离第二透镜的中心厚度大约一半的距离d’。然而，这并不一定非得遵守。如前一段所讨论的，焦距f2近似等于第一透镜和第二透镜之间的距离带来了优点，那么双透镜物镜至少在像侧是近似远心的，并且至少一个容差在一半中心厚度范围内仍然是可以接受的。
[0019] 优选地，第一透镜具有小的光圈值k1，特别是k1＝1。与多透镜物镜相比，双透镜物镜的优点在于这是完全可能的。对k1的这个选择也导致整个物镜的光圈值的数值k很小。可以用如此小的光圈值来实现特别灵敏的远程传感器。
[0020] 优选地，发射点被布置在第一圆线上和/或接收点被布置在第二圆线上。圆环对应于对双透镜物镜所设计的像场角α。在发射点或接收点和双透镜物镜彼此匹配的布置中，恰好使用了其优化特性，而对于其他像场角的可能已经被接受的设计损失则完全没有影响。乍一看，发射点或接收点的圆形布置，特别是对于激光扫描仪来说，似乎是不合理的，因为在那里一维布置在一条简单的线上可能就足够了，然后通过旋转运动扫描平面群。然而，与圆环相比，该线不能通过双透镜物镜在所需的大成像区域上以根据本发明的高质量成像。
此外，还可以通过将发射点或接收点布置成圆线来扫描在激光扫描仪中等距布置的平面，因为激光扫描仪旋转方向上的偏移仅仅影响测量的(如有必要也可补偿的)时间偏移。
此外，还可以通过将发射点或接收点布置成圆线来扫描在激光扫描仪中等距布置的平面，因为激光扫描仪旋转方向上的偏移仅仅影响测量的(如有必要也可补偿的)时间偏移。
[0021] 优选地，第一圆线以发射光学器件的光学中心轴线为中心和/或第二圆线以接收光学器件的光学中心轴线为中心。换句话说，各个光学器件的光学中心轴线延伸穿过圆线的圆心。然后，根据光学器件的旋转对称特性，各个光束获得相同的光束成形和偏转效果。
[0022] 优选地，发射点均匀分布在第一圆线上和/或接收点均匀分布在第二圆线上。这种均匀的布置(其中，发射点或接收点形成规则的n角型)更容易操作，特别是为了在扫描光束之间获得相同的角距离。然而，圆线上的分布也可以是不规则的，并且这绝不排除在扫描光束之间设置相等的角距离。
[0023] 优选地，设置三个或更多个发射点或接收点。五个、六个、八个或十六个是特别有利的。优选地，当数字为四时，发射点和/或接收点不布置成正方形或矩形。应该重复的是，该数字也可以指发射模块/接收模块，其中多个发射模块/接收模块可以安装在光学传感器中。然后，扫描光束的总数由安装的模块数量累加，因此可以构建其它的数量。
[0024] 优选地，传感器具有多个光发射器或光源，特别是每个发射点一个光发射器，和/或多个光接收器或光接收元件，特别是每个接收点一个光接收器。因此，发出的光束至少部分地(如果不是全部的话)直接由自身的光发射器在发射点产生，这同样适用于漫反射的光束、接收点和光接收器。
[0025] 优选地，分束器元件与光发射器相关联，以便将其光分成多个发出的光束。因此，单个物理光发射器负责多个或者甚至所有的发射点。也可以设想的是，将多个物理光发射器的光分开，例如，从具有三重分开的光束的两个光发射器获得六个发射点。
[0026] 优选地，光接收器是具有空间分辨的，并且在接收点具有多个有效区域。在该实施方式中，同一光接收器负责多个或者甚至所有的接收点。为此，光接收器特别地具有像素矩阵，并且仅接收点处的一个或多个像素被用于获得接收信号。剩余的像素有可能也产生信号，但这些信号被忽略或没有被读取。也可以设想的是，完全禁用这样的像素，例如在SPAD矩阵(单光子雪崩二极管)中，有针对性地仅将接收点处的像素加偏压高于击穿电压。
[0027] 优选地，光发射器和光接收器形成同轴布置，并且发射光学器件和接收光学器件被组合在共同的光学器件中。这产生了特别紧凑的结构。然后，总共只有一个双透镜物镜作为共同的光学器件，该光学器件起着发射光学器件和接收光学器件的双重作用。
[0028] 优选地，传感器被构造成激光扫描仪，并且具有可移动的偏转单元，借助于该偏转单元，发出的光束被周期性地引导通过监控区域。如引言所述，激光扫描仪随着可移动偏转单元的移动在多个平面中扫描监控区域。由于双透镜物镜的大像场，可以在高度上实现更大的平面距离或被扫描平面总共覆盖的更大的立体角范围。优选地，偏转单元被构造成可旋转的扫描单元的形式，该扫描单元实际上形成可移动的测量头，其中至少安置了光发射器和共同的发射光学器件，还可能安置了光接收器和评估单元的至少一部分。
[0031] 下面将示例性地根据实施方式并参考附图对本发明的其他特征和优点进行更详细的阐述。在附图中：
[0032] 图1示出了激光扫描仪的示意性截面图；
[0033] 图2a示出了像场点的圆形布置的示意图；
[0034] 图2b示出了像场点的线性布置的示意图；
[0035] 图2c示出了像场点的圆环形 布置的示意图；
[0036] 图3示出了圆形布置的发射点或接收点的俯视图；
[0037] 图4示出了用于具有示例性光路的圆环形像场的双透镜物镜的示意图；以及[0038] 图5示出了根据图4的物镜的第二透镜的示意性俯视图，以便说明第一透镜的光学效果。
[0039] 图1示出了在实施方式中作为激光扫描仪的光电传感器10的示意性剖视图。在粗略划分中，传感器10包括可移动的扫描单元12和基座单元14。扫描单元12是光学测量头，而在基座单元14中安置有其他元件，诸如电源、评估电子器件、连接部等。在操作中，借助基座单元14的驱动器16使扫描单元12围绕旋转轴线18进行旋转运动，以便周期性地扫描监控区域20。
[0040] 在扫描单元12中，具有多个光源22a的光发射器22(例如，边缘发射器或VCSEL形式的LED或激光器)借助共同的发射光学器件24产生彼此有角度偏移的多个发射光束26，这些发射光束被发出到监控区域20中。如果发射光束26在监控区域20中入射到对象上，则相应漫反射的光束28返回到传感器10。漫反射的光束28被共同的接收光学器件30引导到具有多个光接收元件32a的光接收器32上，这些光接收元件32a分别产生电接收信号。光接收元件32a可以是集成的矩阵布置的独立组件或像素，例如，光电二极管、APD(雪崩二极管)或SPAD(单光子雪崩二极管)。
[0041] 纯示例性的四个光源22a和四个光接收元件32a在剖视图中叠加示出。事实上，在本发明的优选实施方式中，如下面还将进一步阐述的，至少一组以圆形布置或布置在圆线上。但这不必是物理的光源22a和光接收元件32a，而仅仅是指对应于它们的、作为发射光束26的起点的有效发射点和作为漫反射的光束28的终点的有效接收点。与图1不同，可以设想用一个物理光源产生多个发射点，或者将多个接收点安置在同一物理接收部件上。
[0042] 在图1所示的实施方式中，光发射器22和光接收器32被共同布置在印刷电路板34上，该印刷电路板34位于旋转轴线18上并与驱动器16的轴36连接。这仅被理解为示例，实际上可以设想任何数量和布置的印刷电路板。而且，具有双轴并存的光发射器22和光接收器32的光学基本结构也不是强制性的，并且可以由任何已知的单光束的光电传感器或激光扫描仪的结构形式来代替。这方面的示例是具有或不具有分束器的同轴布置。
[0043] 非接触式供电和数据接口38将可移动的扫描单元12与固定的基座单元14连接起来。控制和评估单元40位于基座单元中，该控制和评估单元40也可以至少部分地安置在印刷电路板34上或扫描单元12中的其他部位。控制和评估单元40控制光发射器22，并获得光接收器32的接收信号以用于进一步评估。此外，控制和评估单元还控制驱动器16，并获得未示出的通常由激光扫描仪已知的角度测量单元的信号，该角度测量单元确定扫描单元12的各角度位置。
[0044] 为了进行评估，优选使用已知的光飞行时间法来测量到被扫描上的对象的距离。连同关于角度测量单元的角度位置的信息，在每个带有角度和距离的扫描周期之后，扫描平面中所有对象点的二维极坐标都可供使用。同样地，通过对各漫反射的光束28的识别及其在光接收元件32a之一中的检测而已知各扫描平面，从而整体上扫描三维空间区域。
[0045] 因此，对象位置或对象轮廓是已知的，并且可以通过传感器接口42输出。传感器接口42或未示出的另一接口可以反过来用作参数化接口。传感器10也可以被构造成用于安全技术中的安全传感器，以监控危险源(例如，危险的机器)。在这种情况下，监控保护场，在机器运行期间，操作人员不得进入该保护场。如果传感器10识别到不允许的保护区域入侵(例如，操作人员的腿)，则该传感器会触发机器的紧急停止。在安全技术中使用的传感器10必须特别可靠地运行，因此必须满足高安全要求，例如，针对机器安全的标准EN13849和针对非接触式防护装置(BWS)的设备标准EN61496。特别地，传感器接口42然后可以被构造成安全输出接口(OSSD，输出信号切换设备(Output Signal Switching Device))，以便在对象入侵保护区域时输出安全相关的切断信号。
[0046] 示出的传感器10是具有旋转测量头(即，扫描单元12)的激光扫描仪。在此，不只发射-接收模块可以如这里所示的那样一同旋转，也可以设想相对于旋转轴线18有高度偏移或角度偏移的这种类型的其他模块。可替代地，可以设想通过旋转镜或多面镜轮进行周期性偏转。因此，在多个发射光束26的情况下，应当注意的是，该多个发射光束26如何落入到监控区域20中取决于相应的旋转位置，因为如已知的几何上的考虑，这些发射光束的布置通过旋转镜旋转。另一可替代的实施方式是替代旋转运动或者另外绕着垂直于旋转运动的第二轴线旋转，来回偏转扫描单元12，以便也在高度上产生扫描运动。
[0047] 作为激光扫描仪的实施方式也是示例性的。也可以是没有周期性运动的多传感器，该多传感器实际上仅由具有相应的电子器件的固定的扫描单元12组成，但是没有基座单元14，特别是作为闪光激光雷达(Flash-LiDAR)的变型。
[0048] 在传感器10旋转期间，每个发射光束26分别扫描表面。仅在偏转角度为0°时，即利用图1中不存在的水平的发射光束，扫描监控区域20的平面。剩余的发射光束扫描锥体的外侧面，该锥体根据偏转角度而被构造成不同的尖。在有多个以不同的角度向上和向下偏转的发射光束26的情况下，总共产生多个沙漏嵌套类型的扫描结构。在此，这些锥体外侧面有时也被简称为扫描平面。
[0049] 根据本发明，发射光学器件24和/或接收光学器件30被构造用于像场角为α的圆环形像场。其动机应根据图2a-图2c进行阐述。
[0050] 在理想情况下，如图2a所示，光学器件24、30应该在像圈44内清晰地成像所有像场位置46。然而，根据介绍性讨论，单透镜仅用于非常小的像圈44，而相应的物镜可能会过于复杂，并且还会带来其他光学限制。
[0051] 对激光扫描仪而言，不一定需要平面的成像，因为通过光源22a和光接收元件32a的线性布置已经产生了在高度上彼此有偏移的扫描平面。为此，如图2b中所示，在像场位置46的线性布置上提供清晰成像的一个光学器件可能就足够了。然而，对于较大的像圈44，只有使用复杂的物镜才有可能。
[0052] 反过来，如图2c所述，清晰的成像只需要用于单个像场角α，其中像场位置46的环对应于像场角α。优选地，光学设计以固定的像场角α取向，但这并不排除成像在一定环境中仍然清晰，但是对于偏离的且特别是较小的像场角，这不再是设计要求。在图2c中，具有足够清晰成像的一定公差带的像场角α尽可能大，例如α＝±15°，以便在传感器10的光束26、28之间获得尽可能大的距离。通过对圆环形像场的这种限制，已经可以使用单透镜实现对覆盖角度的一定改善，例如高达±8°。然而，通过稍后根据图4和图5所阐述的光学器件24、
30的根据本发明的设计得到了进一步的显著改进。
30的根据本发明的设计得到了进一步的显著改进。
[0053] 图3在俯视图中示出了光源22a或光接收元件32a在圆线48a-48b上的优选布置。优选地，如图所示，光学器件24、30的光学中心轴线穿过圆线48a-48b的中点。根据实施方式，图3可以涉及发射路径和/或接收路径，因此参考标记以双重形式示出。
[0054] 由于在圆线48a-48b上的布置，只有对应于像场角α的圆环形像场被光学器件24、30有效地使用。因此，这种布置是特别有利的，光学器件24、30的优化区域恰好得以利用。实际上，对于偏离α的像场角的光学器件24、30的成像误差实际上是不相关的。
[0055] 已经结合图1简要讨论了光源22a和发射点22b之间的差异。发射点22b是发射光束26的起点。该发射点同时也可以是物理光源22a的位置。然而，一方面，作为半导体部件的光源22a也具有一定的底面(在此是正方形的底面)，该底面大于发射面本身。此外，还可以用同一个物理光源22a从多个发射点22b产生发射光束。当然，严格地说，发射点22b不是数学点，而是具有有限的延伸，因此只有一部分，特别是中点可以布置在圆线48a-48b上。发射点
22b的实施方式相应地适用于接收点32b。最终，对于传感器10的光学特性而言，发射点22b或接收点32b的布置是相关的，而不是光发射器22、光源22a、光接收器26或光接收元件32a的布置与之相关。
22b的实施方式相应地适用于接收点32b。最终，对于传感器10的光学特性而言，发射点22b或接收点32b的布置是相关的，而不是光发射器22、光源22a、光接收器26或光接收元件32a的布置与之相关。
[0056] 在根据图1的实施方式中，每个发射点22b由自身的光源22a来实现，并且每个接收点32b由自身的光接收元件32a来实现。可替代地，可以通过各种方式而与此不同。同一光源22a可以通过分束器元件等从多个或者甚至所有发射点22b产生发射光束26。光源22a可以被机械地移动，以便从多个或者甚至所有发射点22b接连产生发射光束26。发射光束26也可以在不机械移动光源22a的情况下例如借助MEMS反射镜、光学相控阵或声光调制器来经过圆线48a或其一部分。
[0057] 反过来，多个接收点32b同样可以通过单独的光接收元件32a，例如通过光接收元件32a的集成式多重排列的像素或像素区域来实现。同样，在接收侧可以设想光接收元件32a沿着圆线48b或其一部分机械运动，或者借助移动的MEMS反射镜等相应地偏转漫反射的光束28。在另一实施方式中，多个或所有接收点32b的接收光被引导到共同的光接收元件上。为了仍然可以确定识别相应漫反射的光束28，可以通过顺序激活发射光束26或通过对发射光束的多脉冲序列进行时间编码来进行多路复用。
[0058] 图3示出了具有三个发射点22b或接收点32b的示例，这些发射点或接收点均匀分布在圆线48a-48b上。尽管如此，在不规则的布置中可以设想各种数字3，4，5，6，7，8，...，16或甚至更多。
[0059] 图4示出了具有第一透镜50和第二透镜52的双透镜物镜的示意图，其中两个透镜50、52优选为会聚透镜。该物镜可以用作发射光学器件24和/或接收光学器件32。上面图2a-图2c阐述了利用圆环形的像场优化的单透镜，像场角可以高达±8°。双透镜物镜将这一点大大提高到±20°，甚至更高。
[0060] 图4示出了相对于光轴彼此相对的两个示例性的光束54、56，这两个光束对应于像场角α。双透镜物镜针对该像场角α和由此确定的圆环形像场进行了优化。
[0061] 第一透镜50将光束54、56的光束直径减小到至多为进入第一透镜50时一半大的横截面。然后，该减小的横截面仅落在第二透镜52的一半上。通过这种方式，给定点处的第二透镜52始终仅被来自一个场点的光照亮，而不是被与光轴相对的场点的光照亮。
[0062] 图5在第二透镜52的俯视图中再次图示了双透镜物镜的这些光学特性。相对的场点的光束54、56和54’、56’不重叠，也不到达第二透镜52的相对于光轴的另一半。横向相邻的场点也可能导致一定的重叠。第二透镜52的中点保持不发光。
[0063] 还可以根据双透镜物镜的参数更精确地给出这些定量解释的特性。所寻找的是第一透镜50的主平面和第二透镜52的第一光学有效表面之间的距离d，在该距离d处，光束54、56中的到场点的所有光束完全到达相对于光轴的一侧。
[0064] 穿过第一透镜50的中心的光束54、56的主光束在可变的设想的d处具有tanα*d的侧向偏移(Seitenversatz)，并且相关的边缘光束还具有(D1/2)/f1*d的附加侧向偏移，其中D1是第一透镜50的所使用的直径，f1是第一透镜50的焦距。总的来说，侧向偏移应使边缘光束超出光轴。为此,需要D1/2的侧向偏移。因此，必须满足以下不等式：
[0065] [(D1/2]/f1+tanα]*d≥D1/2，
[0066] 且可以变形为d≥(D1*f1)/(D1+2*f1*tanα)。
[0067] 在此，有利地，为d选择一个至少接近于等式的数值。不等式中剩余的差异越大，第二透镜52就越接近像平面，并且在像平面处，该第二透镜几乎不再发挥有用的效果。
[0068] 两个透镜50、52可以是平面-凸面、凸面-平面、双凸面，也可以是凸面-凹面或凹面-凸面，但是在最后两种情况下，它们仍然用作会聚透镜。传统的折射透镜、菲涅尔透镜或者作为绕射的或衍射光学器件以及它们的组合是可能的。在这些一般的成型特性和作用原理中，两个透镜50、52可以彼此不同或一致。两个透镜50、52可以具有不同的焦距f1、f2、不同的直径D1、D2和不同的形状。
[0069] 在有利的实施方式中，根据上述不等式不仅选择两个透镜50、52之间的距离，而且还选择f2＝d’。在此，d’是透镜50、52的主平面之间的距离，根据第二透镜52的中心厚度，该距离略大于距离d。
[0070] 利用该焦距f2，第二透镜52的前焦平面被置于第一透镜50的主平面中。结果，物镜的像平面中的主光束平行于光轴延伸，因此，物镜在像侧是远心的。此外，这在用作发射光学器件24时能够使光源22a可以彼此平行对齐，并且不必倾斜。即使焦距f2没有精确地与距离d’匹配，只有f2～d’也是有益的，因为像侧的主光束角即使没有减小到0°，也已经显著减小。
[0071] 此外，优选地，第二透镜52的直径D2仅选择为穿过的光束54、56所需的大小。然后，双透镜物镜完全由三个参数来决定:第一透镜50的直径D1和焦距f1可以自由选择。第二透镜52的距离d由上述不等式得出。最后，焦距f2取决于距离d’。
[0072] 利用自身已知的几何(近轴)光学器件的公式，物镜的总焦距f也可以根据现在这些已知的量来计算。反过来，双透镜物镜只能由其近轴的基本变量来决定：物镜的焦距f、物镜的孔径D＝D1以及圆形像场的场角α。
[0073] 在其中第一透镜的非常大但仍可实现的光圈值k1:＝f1/D1＝1的另一优选的实施方式中，相关性以相当清楚的方式被简化:
[0074] d＝f1/(1+2tanα)，例如其中，α＝30°，d≈0.5*f1，
[0075] f2＝d’≈d≈f1/(1+2tanα)。
[0076] 对于该优选的实施方式，为每个期望的场角α和每个期望的孔径D＝D1指定所有焦距f1、f2和距离d或d’用于双透镜物镜的设计。再次，利用计算两个组合透镜的总焦距的已知公式，还可以在需要时直接从物镜的期望值f和D中获得所有这些值。
[0077] 最后，给出了一个数值示例：
[0078] 物镜焦距 f＝19mm
[0079] 孔径 D＝20mm(透镜1的直径)→k＝D/f＝1.05
[0080] 第一透镜 F2-玻璃：f1＝29.8mm，中心厚度4mm，非球面的凸面-平面[0081] 第二透镜 F2-玻璃：f2＝21.6mm，中心厚度5mm，球面的凸面-平面[0082] 透镜距离 d＝14.8mm；第二透镜到像平面的距离：4.2mm
[0083] 像场角 α＝±15.4°
[0084] 光斑直径 20μm(＝约1mrad)。
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