DE102019124265B4 - Photoelectric sensor and method for detecting objects in a surveillance area - Google Patents

Photoelectric sensor and method for detecting objects in a surveillance area Download PDF

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Abstract

Optoelektronischer Sensor (10), insbesondere Lichtschranke oder Lichttaster, zum Erfassen von Objekten (30) in einem Überwachungsbereich (14), der einen Lichtsender (24) zum Emittieren von Sendelicht (28) in den Überwachungsbereich (14) sowie einen Lichtempfänger (18) mit einer vorgeordneten Empfangsoptik (16) zum Empfangen von aus dem Überwachungsbereich (14) remittiertem Empfangslicht (12) aufweist, das in einer Lichteinfallsrichtung aus dem Überwachungsbereich (14) auf den Sensor (10) trifft, wobei die Empfangsoptik (16) eine flache Lichtleiterplatte (34) mit einer ersten Hauptfläche (36) und einer die erste Hauptfläche (36) an einer Seite begrenzenden seitlichen Kante (40) umfasst, wobei die Lichtleiterplatte (34) mit ihrer ersten Hauptfläche (36) quer zu der Lichteinfallsrichtung angeordnet ist und das einfallende Empfangslicht (12) zu der seitlichen Kante (40) umlenkt, wobei die Lichtleiterplatte (34) zum Umlenken zu der seitlichen Kante (40) eine diffraktive Struktur (38) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiterplatte (34) eine Aussparung (21, 23) zum Durchlass des von dem Lichtsender (24) emittierten Sendelichts (28) oder zur Aufnahme des Sendelicht (28) emittierenden Lichtsenders (24) aufweist, wobei zwischen der Lichtleiterplatte (34) und der Aussparung (21, 23) ein Trennsteg angeordnet ist.Optoelectronic sensor (10), in particular a light barrier or light sensor, for detecting objects (30) in a monitored area (14), which has a light transmitter (24) for emitting transmitted light (28) into the monitored area (14) and a light receiver (18) with upstream receiving optics (16) for receiving received light (12) remitted from the monitored area (14), which impinges on the sensor (10) in a light incidence direction from the monitored area (14), the receiving optics (16) having a flat light guide plate (34) with a first main surface (36) and a lateral edge (40) delimiting the first main surface (36) on one side, wherein the light guide plate (34) is arranged with its first main surface (36) transversely to the direction of light incidence and that deflects incoming received light (12) to the lateral edge (40), the light guide plate (34) having a diffractive structure (38) for deflection to the lateral edge (40), characterized in that the light guide plate (34) has a recess (21 , 23) for passing the light (28) emitted by the light emitter (24) or for receiving the light emitter (24) emitting the light (28), wherein a separating web is arranged between the light guide plate (34) and the recess (21, 23). is.

Description

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor und ein Verfahren zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 14.The invention relates to an optoelectronic sensor and a method for detecting objects in a surveillance area according to the preamble of claims 1 and 14, respectively.

Optoelektronische Sensoren nutzen in der Regel eine Empfängerlinse, um das zu detektierende Licht auf ihren Lichtempfänger zu fokussieren. Solche Empfängerlinsen haben eine gewisse Baugröße und Brennweite, und daraus ergibt sich ein definierter Abstand zwischen Empfängerlinse und Lichtempfänger.Photoelectric sensors usually use a receiver lens to focus the light to be detected onto their light receiver. Such receiver lenses have a certain size and focal length, and this results in a defined distance between the receiver lens and the light receiver.

Um mit einem Sensor große Reichweiten zu erzielen, sollte möglichst viel Nutzlicht eingesammelt werden und daher die Empfangsapertur groß sein. Eine große Empfangsöffnung geht aber zwangsläufig mit einer großen Bautiefe einher. Man kann in etwa davon ausgehen, dass der Durchmesser der Empfangsapertur der erforderlichen Bautiefe für die Empfangslinse und den Lichtempfänger entspricht. Dieser Zusammenhang lässt sich auch mit einer klassischen Empfangsoptik nicht aufbrechen, für die eine große Empfangsapertur bei sehr kleiner Brennweite in einem Bauteil vereint widersprüchliche Anforderungen stellt.In order to achieve large ranges with a sensor, as much useful light as possible should be collected and the receiving aperture should therefore be large. However, a large reception opening inevitably goes hand in hand with a large installation depth. One can roughly assume that the diameter of the receiving aperture corresponds to the required structural depth for the receiving lens and the light receiver. This connection cannot be broken even with a classic receiving optics, for which a large receiving aperture with a very small focal length combined in one component makes contradictory requirements.

Große Empfangsaperturen bedeuten also eine große Bautiefe und somit eine große Sensorbauform. Kleine Bauformen, insbesondere kleine Bautiefen, lassen sich nicht mit einer Empfangsoptik größerer Empfangsapertur für deutlich erhöhte Reichweiten ausstatten. Gerade bei einfachen Sensoren wie Miniaturlichtschranken steht jedoch teilweise eine minimale Bautiefe von nur wenigen Millimetern für Optik, Elektronik und mechanische Komponenten zur Verfügung. Beispielsweise bei einem 3,5 mm schmalen Sensor sind abzüglich Gehäusewandungen, Leiterplatte und elektronischen Bauteilen für die Empfangsoptik gerade noch 1,5 mm verfügbar. Mit einer klassischen Empfangsoptik ist dann nicht wesentlich mehr als eine Apertur von 1,5 mm möglich.Large receiving apertures therefore mean a large overall depth and thus a large sensor design. Small designs, especially small depths, cannot be equipped with receiving optics with a larger receiving aperture for significantly increased ranges. In the case of simple sensors such as miniature light barriers in particular, however, a minimal overall depth of just a few millimeters is sometimes available for optics, electronics and mechanical components. For example, with a 3.5 mm narrow sensor, minus the housing walls, printed circuit board and electronic components, there is still just 1.5 mm available for the receiving optics. With a classic receiving optics, not much more than an aperture of 1.5 mm is possible.

Zur Detektion von Objekten im Nahbereich eignen sich insbesondere Sensoren in koaxialer oder quasi-koaxialer Anordnung bei denen die Senderapertur ganz oder zumindest teilweise von der Empfängerapertur umgeben ist. Im Falle einer Reflexionslichtschranke in koaxialer Anordnung können beispielsweise Objekte mit keinem oder nur sehr kleinen Nah-Blindbereich detektiert werden, weil durch den Strahlversatz eines Tripelreflektors retroreflektiertes Licht auf die Empfangsapertur gelangen kann.Sensors in a coaxial or quasi-coaxial arrangement in which the transmitter aperture is completely or at least partially surrounded by the receiver aperture are particularly suitable for detecting objects in the close-up range. In the case of a reflection light barrier in a coaxial arrangement, for example, objects with no or only a very small close-up blind area can be detected because retro-reflected light can reach the receiving aperture due to the beam offset of a triple reflector.

Herkömmliche Sensoren in koaxialer Anordnung benötigen einen teildurchlässigen Umlenkspiegel, um die Sendeachse mit der Empfängerachse deckungsgleich zu bekommen. Dadurch ergibt sich ein zusätzlicher Bauraumanspruch von Linsen oder SpiegelnConventional sensors in a coaxial arrangement require a partially transparent deflection mirror in order to get the transmitting axis congruent with the receiving axis. This results in an additional space requirement for lenses or mirrors

Aus der DE 198 58 769 A1 ist ein optisches System mit einer lichtdurchlässigen flachen Lichtleiterplatte bekannt. In verschiedenen Ausführungsformen wird das auf die Flachseite einstrahlende Empfangslicht durch lichtbrechende Subaperturen, Keilflächen oder Schichten unterschiedlicher Brechzahl zu einem Lichtempfänger gelenkt. Diese refraktive Anordnung hat aber nur eine geringe Transmissionseffizienz und resultiert immer noch in einer relativ großen Bautiefe eines damit ausgerüsteten Sensors von 5 bis 10 mm.From the DE 198 58 769 A1 an optical system using a light-transmitting flat light guide plate is known. In various embodiments, the received light radiating onto the flat side is directed to a light receiver through refractive sub-apertures, wedge surfaces or layers with different refractive indices. However, this refractive arrangement has only a low transmission efficiency and still results in a relatively large overall depth of 5 to 10 mm for a sensor equipped with it.

Die EP 1 312 936 A2 offenbart eine optoelektronische Vorrichtung zur Erfassung von Objekten. In einer Ausführungsform steht eine Lichtleiterplatte senkrecht zur Einfallsrichtung des Empfangslichts. Oberhalb der Hauptfläche der Lichtleiterplatte befinden sich zwei Prismenlagen, die das Empfangslicht quer in die Lichtleiterplatte umlenken. Am hinteren Ende der Lichtleiterplatte ist ein Umlenkelement vorgesehen. Lichtsender und Lichtempfänger sind nach dem Prinzip der Pupillenteilung nicht koaxial angeordnet.The EP 1 312 936 A2 discloses an optoelectronic device for detecting objects. In one embodiment, a light guide plate is perpendicular to the direction of incidence of the received light. Above the main surface of the light guide plate are two layers of prisms that deflect the received light transversely into the light guide plate. A deflection element is provided at the rear end of the light guide plate. Light transmitter and light receiver are not arranged coaxially according to the principle of pupil division.

Die DE 600 01 647 T2 befasst sich mit einem diffraktiven Kollektor. Auf dessen Oberseite ist ein holographisches Gitter vorgesehen, das einfallendes Licht zur Kante umlenkt, wo es von Fotodetektoren erfasst wird.The DE 600 01 647 T2 deals with a diffractive collector. A holographic grating is provided on its upper side, which deflects incoming light to the edge, where it is detected by photodetectors.

Aus der DE 20 2006 017 445 U1 ist ein Lichtmodul für einen hinterleuchtbaren Schriftzug bekannt. Es strahlen zwei LEDs von beiden Seiten her Licht in eine Lichtleiterplatte ein. From the DE 20 2006 017 445 U1 a light module for backlit lettering is known. Two LEDs radiate light from both sides into a light guide plate.

Die Unterseite des Lichtmoduls ist eine Rasterfläche, deren Struktur das Licht in den Schriftzug umlenkt.The underside of the light module is a grid surface whose structure deflects the light into the lettering.

Aus der DE 10 2014 102 420 A1 ist ein optoelektronischer Sensor bekannt, dessen Empfangsoptik eine Blende mit einem nachgeordneten optischen Trichterelement aufweist. Dadurch wird aber die Bautiefe der Empfangsoptik sogar noch größer.From the DE 10 2014 102 420 A1 an optoelectronic sensor is known, the receiving optics of which have an aperture with a downstream optical funnel element. As a result, however, the structural depth of the receiving optics becomes even greater.

Die DE 10 2017 202 635 A1 offenbart einen Lidar-Sensor zur Erfassung eines Objektes, wobei der optische Empfänger des Sensors einen Aussparungsbereich aufweist, der auf einer Hauptstrahlachse der Lichtquelle des Sensors angeordnet ist.The DE 10 2017 202 635 A1 discloses a lidar sensor for detecting an object, wherein the optical receiver of the sensor has a cut-out area which is arranged on a main beam axis of the light source of the sensor.

Aus der DE 20 2015 101 912 U1 ist ein optoelektronischer Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich bekannt. Der Sensor kann Sendelicht mit unterschiedlichen mit Polarisationseigenschaften aussenden.From the DE 20 2015 101 912 U1 an optoelectronic sensor for detecting objects in a surveillance area is known. The sensor can emit transmitted light with different polarization properties.

Die US 5 268 985 A zeigt eine Lichtleiterplatte mit einem holographischen Gitter zum Leiten von Licht auf eine Lichtempfangsfläche eines Fotodetektors. Das holographische Gitter weist eine polarisationsabhängige Beugungseffizienz auf.The U.S. 5,268,985 A shows a light guide plate with a holographic grating for directing light onto a light receiving surface of a photodetector. The holographic grating has a polarization dependent diffraction efficiency.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine kompaktere Bauform eines optoelektronischen Sensors bei großer Reichweite und kleinem Nah-Blindbereich zu ermöglichen.It is therefore the object of the invention to enable a more compact design of an optoelectronic sensor with a long range and a small close-up blind zone.

Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor und ein Verfahren zum Erfassen von Objekten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 14 gelöst.This object is achieved by an optoelectronic sensor and a method for detecting objects according to the preamble of claim 1 and 14, respectively.

Der Sensor weist einen Lichtsender zum Aussenden von Sendelicht in einen Überwachungsbereich auf sowie einen Lichtempfänger mit einer Empfangsoptik für remittiertes Empfangslicht, das aus einer Lichteinfallsrichtung aus dem Überwachungsbereich einstrahlt. Die Empfangsoptik umfasst eine flache Lichtleiterplatte, die flächig zu dem Empfangslicht hin orientiert ist, bei der also eine erste Hauptfläche oder Flachseite quer, insbesondere nahezu senkrecht zu der Lichteinfallsrichtung steht. In der Lichtleiterplatte wird dann das Empfangslicht in Richtung einer seitlichen Kante umgelenkt. Der Lichtempfänger ist an der seitlichen Kante angeordnet, wobei zwischen seitlicher Kante und Lichtempfänger auch noch weitere optische Elemente vorgesehen sein können.The sensor has a light transmitter for emitting transmitted light into a monitored area and a light receiver with receiving optics for reflected received light that radiates from a light incidence direction from the monitored area. The receiving optics include a flat light guide plate which is oriented flat towards the received light, ie in which a first main surface or flat side is transverse, in particular almost perpendicular, to the direction of incidence of the light. The received light is then deflected in the direction of a lateral edge in the light guide plate. The light receiver is arranged on the lateral edge, with further optical elements also being able to be provided between the lateral edge and the light receiver.

Die Erfindung geht nun von dem Grundgedanken aus, die Lichtleiterplatte mit einer diffraktiven Struktur zu versehen. Die Lichtleiterplatte wird so zu einem diffraktiven Flachkollektor, der mit seiner ersten Hauptfläche Empfangslicht einsammelt und zu der seitlichen Kante leitet. Die diffraktive Struktur sorgt für die Umlenkung, also die Richtungsänderung des Empfangslichts aus der Lichteinfallsrichtung in eine Richtung im Wesentlichen innerhalb der Ebene der Leiterplatte. Danach ist dann die Bedingung für Totalreflexion erfüllt, und so propagiert das Empfangslicht innerhalb der Ebene der Lichtleiterplatte zu der seitlichen Kante. Ohne die Umlenkung wäre die Bedingung für Totalreflexion wegen der Lichteinfallsrichtung quer, insbesondere fast senkrecht zur ersten Hauptfläche nicht erfüllt, und das Empfangslicht würde einfach aus der gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche wieder austreten. Die diffraktive Struktur kann an der ersten Hauptfläche und/oder an der zweiten Hauptfläche angeordnet sein. Zur koaxialen oder quasikoaxialen Anordnung von Sende- und Empfangsapertur weist die Lichtleiterplatte weiterhin eine Aussparung in Form einer Öffnung oder eines Ausschnittes auf, wobei die Aussparung zur Aufnahme des Lichtsenders oder zum Durchlass des Sendelichts dimensioniert ist.The invention is now based on the basic idea of providing the light guide plate with a diffractive structure. The light guide plate thus becomes a diffractive flat collector, which collects received light with its first main surface and directs it to the lateral edge. The diffractive structure ensures the deflection, ie the change in direction of the received light from the direction of light incidence into a direction essentially within the plane of the printed circuit board. Thereafter, the condition for total reflection is then satisfied, and so the received light propagates within the plane of the light guide plate to the lateral edge. Without the deflection, the condition for total reflection would not be met because the direction of light incidence is transverse, in particular almost perpendicular, to the first main surface, and the received light would simply exit again from the opposite second main surface. The diffractive structure can be arranged on the first main surface and/or on the second main surface. For the coaxial or quasi-coaxial arrangement of the transmission and reception apertures, the light guide plate also has a cutout in the form of an opening or a cutout, the cutout being dimensioned to accommodate the light transmitter or to allow the transmission light to pass through.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die Empfangsoptik mit dem diffraktiven Flachkollektor die Verbindung einer Empfangsoptik mit kleiner Bautiefe und großer Apertur ermöglicht wird, und zwar bei einer Bautiefe, die sogar sehr klein gegenüber der Empfangsapertur sein kann, da die von der Lichtleiterplatte eingenommene Fläche sehr groß werden kann. Die Empfangsoptik hat einen Akzeptanzwinkel, der durch die Winkelselektivität der diffraktiven Struktur und den Grenzwinkel der Totalreflexion in der Lichtleiterplatter bestimmt ist. Zu schräg einfallendes Empfangslicht wird also nicht umgelenkt und in Totalreflexion weitergeleitet. Das ergibt eine laterale Sichtbereichseinschränkung oder eine Art Blendeneffekt, der jedoch bei einem auf eine Nutzlichtquelle ausgerichteten Sensor nur vorteilhaft ist. Die diffraktive Struktur wirkt zusätzlich zu ihrer Umlenkungsfunktion als optisches Bandpassfilter, das auf eine bekannte Nutzlichtquelle abgestimmt werden kann und so das Signal-Rauschverhältnis bei Fremdlicht verbessert. Durch die koaxiale oder quasi-koaxiale Anordnung von Sende- und Empfangsapertur wird der Nah-Blindbereich des Sensors minimiert. Die Herstellung der Empfangsoptik ist sehr preiswert möglich, gerade bei hohen Stückzahlen, da ein werkzeuggebundenes Verfahren wie etwa UV-Resin Abformung auf Substrat genutzt werden kann, bei dem hauptsächlich Einmalkosten für das Werkzeug selbst anfallen.The invention has the advantage that the receiving optics with the diffractive flat collector allows the connection of a receiving optics with a small overall depth and a large aperture, with an overall depth that can even be very small compared to the receiving aperture, since the area occupied by the light guide plate can get very big. The receiving optics have an acceptance angle that is determined by the angular selectivity of the diffractive structure and the critical angle of total reflection in the light guide plate. Received light that is too oblique is therefore not deflected and forwarded in total reflection. This results in a lateral field of view limitation or a kind of iris effect, which is however only advantageous in the case of a sensor aligned to a useful light source. In addition to its deflection function, the diffractive structure acts as an optical bandpass filter that can be tuned to a known useful light source and thus improves the signal-to-noise ratio in the case of extraneous light. The near-blind range of the sensor is minimized by the coaxial or quasi-coaxial arrangement of the transmitting and receiving aperture. The production of the receiving optics is very inexpensive, especially with large quantities, since a tool-related process such as UV resin molding on the substrate can be used, in which mainly one-off costs are incurred for the tool itself.

Der Sensor weist bevorzugt eine Steuer- und Auswertungseinheit zur Steuerung des Lichtsenders und des Lichtempfängers auf. Das Empfangssignal des Lichtempfängers kann in der Steuer- und Auswertungseinheit ausgewertet werden, um Informationen über Objekte zu erfassen. Ein mögliches Ergebnis der Auswertung ist ein binäres Objektfeststellungssignal je nachdem, ob ein Objekt erfasst ist oder nicht, etwa durch Schwellwertvergleich, wie dies von Lichtschranken und einfachen schaltenden Lichttastern erzeugt wird.The sensor preferably has a control and evaluation unit for controlling the light transmitter and the light receiver. The signal received by the light receiver can be evaluated in the control and evaluation unit in order to record information about objects. One possible result of the evaluation is a binary object detection signal depending on whether an object is detected or not, for example by comparing threshold values, as is generated by light barriers and simple switching light sensors.

Die Aussparung zur Aufnahme des Lichtsenders oder zum Durchlass des Sendelichts ist bevorzugt als Öffnung in einem zentralen Bereich der Lichtleiterplatte angeordnet. Dadurch kann die Sendeachse mit der Empfängerachse deckungsgleich sein und der Nah-Blindbereich des Sensors wird in allen Empfangsrichtungen ähnlich minimiert.The recess for accommodating the light transmitter or for letting the transmitted light through is preferably arranged as an opening in a central region of the light guide plate. As a result, the transmission axis can be congruent with the receiver axis and the near-blind range of the sensor is similarly minimized in all reception directions.

Die Aussparung zur Aufnahme des Lichtsenders oder zum Durchlass des Sendelichts kann auch als Ausschnitt an einer Seite der Lichtleiterplatte angeordnet sein, die bevorzugt gegenüber der seitlichen Kante liegt in deren Richtung das Empfangslicht umgelenkt wird. Der Nah-Blindbereich des Sensors wird somit nicht in allen Empfangsrichtungen ähnlich minimiert, jedoch erfolgt durch die Aussparung keine Abschattung des Empfangslichtes in Richtung des Lichtempfängers.The recess for accommodating the light emitter or for passing the transmitted light can also be arranged as a cutout on one side of the light guide plate, which is preferably opposite the lateral edge in the direction of which the received light is deflected. The near-blind range of the sensor is thus not similarly minimized in all receiving directions, but the recess does not block the received light in the direction of the light receiver.

Zwischen Lichtsender und der Lichtleiterplatte kann bevorzugt ein Trennsteg angeordnet sein, der ein Übersprechen von Sendelicht auf die Lichtleiterplatte und somit auf den Lichtempfänger verhindert. Der Trennsteg besteht vorzugsweise aus einem Licht absorbierenden Material und hat vorzugsweise eine maximale Breite von 0,6mm. Wenn der optoelektronische Sensor in einer Reflexionslichtschranke eingesetzt wird, kann die Trennstegbreite vorzugsweise kleiner als die Tripelstruktur eines Retroreflektors der Reflexionslichtschranke sein, so dass reflektiertes Sendelicht als Empfangslicht auch im Nahbereich nicht nur in den Lichtsender zurück gespiegelt wird, sondern auch auf die Lichtleiterplatte fallen und somit vom Lichtempfänger detektiert werden kann.A separating web can preferably be arranged between the light transmitter and the light guide plate, which prevents crosstalk of transmitted light on the light guide plate and thus on the light receiver. The separating web preferably consists of a light-absorbing material and preferably has a maximum width of 0.6 mm. If the optoelectronic sensor is used in a reflection light barrier, the width of the separating web can preferably be smaller than the triple structure of a retroreflector of the reflection light barrier, so that reflected transmitted light is not only reflected back into the light transmitter as received light, even in the close range, but also falls on the light guide plate and thus can be detected by the light receiver.

Der Lichtsender kann insbesondere bei der Verwendung in einer Reflexionslichtschranke bevorzugt ein polarisierendes Element zur linearen Polarisierung des Sendelichts aufweisen. Die Lichtleiterplatte kann vorzugsweise einen Linearpolarisationsfilter als Analysator aufweisen dessen Polarisationsrichtung entsprechend einer Polarisationsdrehung eines Retroreflektors der Reflexionslichtschranke mit der Polarisationsrichtung des Sendelichts gekreuzt ist. Alternativ oder zusätzlich kann die diffraktive Struktur der Lichtleiterplatte derart ausgelegt sein, dass die Beugungseffizienz für eine gewünschte Polarisation des Empfangslichtes maximiert und für die orthogonale, ungewünschte Polarisation des Empfangslichtes minimiert wird. Mit dieser Anordnung kann eine effiziente Trennung des Empfangslichtes von Sende- und oder Fremdlicht erfolgen.In particular when used in a reflection light barrier, the light transmitter can preferably have a polarizing element for linear polarization of the transmitted light. The light guide plate can preferably have a linear polarization filter as an analyzer, the polarization direction of which is crossed with the polarization direction of the transmitted light in accordance with a polarization rotation of a retroreflector of the reflection light barrier. Alternatively or additionally, the diffractive structure of the light guide plate can be designed in such a way that the diffraction efficiency is maximized for a desired polarization of the received light and minimized for the orthogonal, undesired polarization of the received light. With this arrangement, the received light can be efficiently separated from the transmitted light and/or extraneous light.

Der Lichtsender weist als Lichtquelle vorzugsweise eine Laserdiode, die als Oberflächenemitter (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL) ausgeführt sein kann oder eine Leuchtdiode (Light Emitting Diode, LED) auf.The light emitter preferably has a laser diode as the light source, which can be embodied as a surface emitter (Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL) or a light-emitting diode (Light Emitting Diode, LED).

Die Empfangsoptik weist bevorzugt ein an der seitlichen Kante angeordnetes Trichterelement auf. Das Trichterelement, auch als getapertes Element oder kurz Taper bezeichnet, hat an der Lichteintrittsseite einen der seitlichen Kante entsprechenden Querschnitt, der sich zur Lichtaustrittsseite hin verjüngt. An der Lichtaustrittsseite ist der Lichtempfänger angeordnet, wobei sich dazwischen noch weitere optische Elemente befinden können. Mit der Kombination aus Lichtleiterplatte und Trichterelement ist die Empfangsoptik als diffraktiver Flachkollektor mit refraktiv getaperter Optik ausgebildet.The receiving optics preferably have a funnel element arranged on the lateral edge. The funnel element, also referred to as a tapered element or taper for short, has a cross section on the light entry side that corresponds to the lateral edge and tapers towards the light exit side. The light receiver is arranged on the light exit side, with further optical elements being able to be located in between. With the combination of light guide plate and funnel element, the receiving optics are designed as a diffractive flat collector with refractively tapered optics.

Das Trichterelement ist bevorzugt flach ausgebildet und mit seiner Flächenrichtung in der Verlängerung der Hauptfläche ausgerichtet. Das Trichterelement schließt sich so direkt an die Lichtleiterplatte an und setzt die Hauptfläche fort, wobei ein gewisser Winkel aus der Ebene der Hauptfläche heraus denkbar ist. Das Empfangslicht ist ausgangs des Trichterelements in beiden Querschnittsrichtungen konzentriert. In der einen Achse senkrecht zu der Hauptfläche und dem Trichterelement sorgt dafür die diffraktive Struktur und die meist mehrfache Totalreflexion innerhalb der Ebene der Hauptfläche der flachen Lichtleiterplatte. Der Querschnitt des Empfangslichts ist daher nur noch so hoch wie die geringe Dicke der Lichtleiterplatte. In der zweiten Achse längs der seitlichen Kante verjüngt sich das Trichterelement und sorgt so für die Konzentration.The funnel element is preferably flat and aligned with its surface direction in the extension of the main surface. The funnel element thus directly adjoins the light guide plate and continues the main surface, with a certain angle out of the plane of the main surface being conceivable. The received light is concentrated in both cross-sectional directions at the exit of the funnel element. In the one axis perpendicular to the main surface and the funnel element, this is ensured by the diffractive structure and the mostly multiple total reflection within the plane of the main surface of the flat light guide plate. The cross section of the received light is therefore only as high as the small thickness of the light guide plate. The funnel element tapers in the second axis along the lateral edge and thus ensures concentration.

Lichtleiterplatte und Trichterelement sind bevorzugt einstückig ausgebildet. Das führt zu einem besonders einfachen Aufbau. Das Trichterelement setzt so die Lichtleiterplatte nicht nur optisch fort, sondern bildet auch ein gemeinsames Bauteil.Light guide plate and funnel element are preferably formed in one piece. This leads to a particularly simple construction. The funnel element not only continues the light guide plate optically, but also forms a common component.

Das Trichterelement weist bevorzugt eine nichtlineare Verjüngung auf. Dadurch kann die Konzentrationswirkung weiter verbessert oder eine kürzere Länge des Trichterelements ermöglicht werden. Eine lineare Verjüngung würde bedeuten, dass das Trichterelement in der Draufsicht parallel zur Lichteinfallsrichtung ein Trapez darstellt. Nichtlinear ist beispielsweise eine parabolische Form oder eine beliebige Freiform, bei der aber die seitlichen Flanken monoton nach innen weisen, um die das Trichterelement definierende Verjüngung beziehungsweise den Konzentrationseffekt zu erreichen.The funnel element preferably has a non-linear taper. As a result, the concentration effect can be further improved or a shorter length of the funnel element can be made possible. A linear taper would mean that the funnel element represents a trapezium in the plan view parallel to the direction of incidence of the light. For example, a parabolic shape or any free shape is non-linear, but in which the lateral flanks monotonically point inwards in order to achieve the tapering defining the funnel element or the concentration effect.

Das Trichterelement ist bevorzugt verspiegelt. Dadurch kann es nur innere Reflexionen und keine Lichtverluste geben. Anders als die reine Totalreflexion hängt das nicht von Material und Reflexionswinkel ab.The funnel element is preferably mirrored. As a result, there can only be internal reflections and no light losses. Unlike pure total reflection, this does not depend on the material and the angle of reflection.

An einem der Lichtleiterplatte gegenüberliegenden Ende des Trichterelements ist bevorzugt ein Umlenkelement angeordnet. Das Umlenkelement sorgt besonders bevorzugt für eine Umlenkung zurück in die Lichteinfallsrichtung, also quer und insbesondere nahezu senkrecht zu der ersten Hauptfläche. Mit anderen Worten ist die Ausbreitungsrichtung des Empfangslichts nach dem Umlenkelement diejenige, mit der das Empfangslicht auch aus einer herkömmlichen Empfangslinse austreten würde, jedoch um die Ausdehnung von Lichtleiterplatte und Trichterelement lateral versetzt. Das am Umlenkelement austretende Strahlbündel wird außerdem deutlich größere Ausfallswinkel haben, aber wenn dort direkt oder nahe genug der Lichtempfänger sitzt, wirkt sich diese Verbreiterung nicht weiter aus. Der Vorteil eines solchen Umlenkelements ist, dass der Lichtempfänger so orientiert sein kann wie in einem herkömmlichen Sensor mit der Ebene der lichtempfindlichen Fläche parallel zu der ersten Hauptfläche. Damit kann eine Leiterplatte, auf welcher der Lichtempfänger angeordnet ist, parallel zu der Hauptfläche ausgerichtet sein. Die Leiterplatte beansprucht so kaum Bautiefe, da ihre Flächenausdehnung die Bautiefe nicht betrifft. Am Ausgang des Trichterelements, ohne Umlenkelement, müsste der Lichtempfänger quer oder im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Hauptfläche angeordnet sein, was bei der Erzielung einer geringen Bautiefe des gesamten Sensors hinderlich wäre. Als Umlenkelement kommt beispielsweise ein Prisma in Betracht, alternativ ein gebogenes Anhangstück des Trichterelements. Das Umlenkelement kann verspiegelt werden, um die Effizienz zu verbessern.A deflection element is preferably arranged at one end of the funnel element opposite the light guide plate. The deflection element particularly preferably ensures a deflection back into the direction of light incidence, that is to say transversely and in particular almost perpendicularly to the first main surface. In other words, the propagation direction of the received light after the deflection element is that with which the received light would also emerge from a conventional receiving lens, but laterally offset by the extent of the light guide plate and funnel element. The bundle of rays exiting at the deflection element will also have a significantly larger angle of reflection, but if the light receiver is located directly there or close enough, this broadening has no further effect. The advantage of such a deflection element is that the light receiver can be oriented as in a conventional sensor with the plane of the light-sensitive surface parallel to the first main surface. This allows a printed circuit board on which the light receiver is arranged to be aligned parallel to the main surface. The printed circuit board hardly takes up any overall depth, since its surface area does not affect the overall depth. At the outlet of the funnel element, without a deflection element, the light receiver would have to be arranged transversely or essentially perpendicularly to the first main surface, which would be a hindrance when achieving a small overall depth of the entire sensor. A prism, for example, can be considered as a deflection element, alternatively a bent attachment piece of the funnel element. The deflection element can be mirrored to improve efficiency.

Das Umlenkelement weist bevorzugt Strahlformungseigenschaften auf. Besonders vorteilhaft sind konzentrierende oder fokussierende Strahlformungseigenschaften, um den Querschnitt des Empfangslichts bei Auftreffen auf den Lichtempfänger weiter zu verringern. Dazu kann ein als Prisma ausgebildetes Umlenkelement gekrümmte Flächen mit sphärischer Krümmung, asphärischer Krümmung oder einer Freiform aufweisen.The deflection element preferably has beam-shaping properties. Concentrating or focusing beam shaping properties are particularly advantageous in order to further reduce the cross section of the received light when it impinges on the light receiver. For this purpose, a deflection element designed as a prism can have curved surfaces with a spherical curvature, an aspheric curvature or a free form.

Die diffraktive Struktur weist bevorzugt eine Gitterstruktur auf. Eine Gitterstruktur lässt sich relativ einfach vorgeben und auf der Lichtleiterplatte erzeugen. Besonders bevorzugt handelt es sich um ein Echelettegitter (Blazegitter), das einen Großteil der eingestrahlten Lichtenergie im gewünschten Spektrum in eine Ordnung beugt, die der gewünschten Umlenkung entspricht. Ein Echelettegitter ist folglich auf ein Nutzlichtspektrum abgestimmt, und bei der Umlenkung von Nutzlicht auf die seitliche Kante gibt es nur geringe Lichtverluste.The diffractive structure preferably has a grating structure. A lattice structure is relatively easy to specify and produce on the light guide plate. An Echelette grating (blaze grating) is particularly preferred, which diffracts a large part of the incident light energy in the desired spectrum into an order that corresponds to the desired deflection. An Echelette grating is therefore tuned to a useful light spectrum, and there are only minor light losses when useful light is deflected onto the lateral edge.

Die Gitterstruktur ist vorzugsweise linear. Das ist eine besonders einfache diffraktive Struktur, die bei geeigneter Orientierung die gewünschte Umlenkung aus der Lichteinfallsrichtung in die Ebene der Hauptfläche bewirkt.The lattice structure is preferably linear. This is a particularly simple diffractive structure which, with suitable orientation, brings about the desired deflection from the direction of light incidence into the plane of the main surface.

In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform weist die Lichtleiterplatte eine nichtlineare Gitterstruktur als diffraktive Struktur auf, um das Empfangslicht zusätzlich in der Ebene der ersten Hauptfläche nach Innen umzulenken. Eine solche nichtlineare Gitterstruktur erfüllt zunächst die primäre Aufgabe der Umlenkung des Empfangslichts hin zu der seitlichen Kante und damit dem Lichtempfänger oder dem Trichterelement. Zusätzlich sorgt aber die nichtlineare, beispielsweise gebogene Gitterstruktur auch für eine Umlenkung innerhalb der Ebene parallel zu der ersten Hauptfläche nach Innen. Eine solche nichtlineare Gitterstruktur ist etwas komplexer zu bestimmen und herzustellen. Sie unterstützt aber die Konzentrationswirkung des optischen Trichterelements, das dementsprechend kürzer ausfallen kann, oder sie ersetzt es sogar.In an alternative preferred embodiment, the light guide plate has a non-linear grating structure as a diffractive structure in order to additionally deflect the received light inwards in the plane of the first main surface. Such a non-linear grating structure initially fulfills the primary task of deflecting the received light towards the lateral edge and thus the light receiver or the funnel element. In addition, however, the non-linear, for example curved lattice structure also ensures inward deflection within the plane parallel to the first main surface. Such a nonlinear lattice structure is somewhat more complex to design and fabricate. However, it supports the concentrating effect of the optical funnel element, which can be correspondingly shorter, or it even replaces it.

Die Lichtleiterplatte weist bevorzugt mindestens zwei Segmente auf, deren Gitterstrukturen unterschiedlich ausgerichtet sind, um das Empfangslicht zusätzlich in der Ebene der ersten Hauptfläche nach Innen umzulenken. Die Segmente sind von Trennlinien durch die erste Hauptfläche quer zu der seitlichen Kante unterteilt, sind also eine Art Streifen, deren Schmalseiten gemeinsam die seitliche Kante bilden. Bis auf ein mögliches zentrales Segment sind die Segmente oder zumindest deren Gitterstrukturen etwas zur Mitte der seitlichen Kante hingeneigt. Ähnlich wie bei einer passenden nichtlinearen Gitterstruktur ergibt sich so schon eine Konzentrationswirkung in der Lichtleiterplatte, die das Trichterelement unterstützt oder ersetzt. Die Gitterstrukturen sind hier vorzugsweise linear, die Umlenkung nach Innen erfolgt dann anders als bei einer nichtlinearen Gitterstruktur nur aufgrund der unterschiedlichen Ausrichtung. Es ist auch denkbar, Segmente zu bilden und trotzdem nichtlineare Gitterstrukturen je Segment vorzusehen. Dann ergänzen die Konzentrationswirkungen der nichtlinearen Gitterstruktur und der nach innen gerichteten Ausrichtung der jeweiligen Gitterstruktur einander.The light guide plate preferably has at least two segments whose grid structures are aligned differently in order to additionally deflect the received light inwards in the plane of the first main surface. The segments are divided by dividing lines through the first main surface transversely to the lateral edge, ie they are a type of strip whose narrow sides together form the lateral edge. With the exception of a possible central segment, the segments or at least their lattice structures are inclined somewhat towards the middle of the lateral edge. Similar to a suitable non-linear grating structure, there is already a concentration effect in the light guide plate, which supports or replaces the funnel element. The lattice structures are preferably linear here, the inward deflection then takes place differently than in the case of a non-linear lattice structure only because of the different orientation. It is also conceivable to form segments and still provide non-linear lattice structures for each segment. Then the concentration effects of the non-linear lattice structure and the inward orientation of the respective lattice structure complement each other.

Die Lichtleiterplatte weist bevorzugt mindestens zwei Segmente auf, deren Gitterstrukturen in Bezug auf ihre diffraktiven Eigenschaften auf das Umlenken von Empfangslicht aus verschiedenen Entfernungen und/oder Winkelbereichen optimiert sind. So kann beispielsweise eine erste Gitterstruktur zur Umlenkung von Empfangslicht aus einem Nahbereich (Akzeptanzwinkel typischerweise im Bereich von 45° bis 5°) und eine zweite Gitterstruktur zur Umlenkung von Empfangslicht aus einem Fernbereich (Akzeptanzwinkel typischerweise im Bereich von 7° bis -2°), optimiert sein. Es sind auch feinere Unterteilungen mit mehr als zwei Segmenten denkbar, zum Beispiel eine Unterteilung in drei Segmente zur Umlenkung von Empfangslicht aus einem Nahbereich (Akzeptanzwinkel typischerweise im Bereich von 45° bis 15°). mittleren Empfangsbereich (Akzeptanzwinkel typischerweise im Bereich von 18° bis 4°), und Fernbereich (Akzeptanzwinkel typischerweise im Bereich von 6° bis -2°). Die Gitterstrukturen unterscheiden sich beispielsweise durch eine dem jeweiligen Entfernungsbereich angepasste Gitterperiode, wobei die Gitterperiode im Nahbereich größer als im Fernbereich sein kann.The light guide plate preferably has at least two segments, the grating structures of which are optimized with regard to their diffractive properties for the deflection of received light from different distances and/or angular ranges. For example, a first grating structure for deflecting received light from a close range (acceptance angle typically in the range of 45° to 5°) and a second grating structure for deflecting received light from a far range (acceptance angle typically in the range from 7° to -2°), be optimized. Finer subdivisions with more than two segments are also conceivable, for example a subdivision into three segments for deflecting received light from a close range (acceptance angle typically in the range from 45° to 15°). medium reception range (acceptance angle typically in the range of 18° to 4°), and far range (acceptance angle typically in the range of 6° to -2°). The grating structures differ, for example, by a grating period adapted to the respective distance range, it being possible for the grating period to be greater in the near range than in the far range.

Lichtleiterplatte, Trichterelement und/oder das Umlenkelement bestehen bevorzugt aus Glas oder Kunststoff, wie z.B. PMMA, PC oder Zeonex. Die Gitterstruktur kann bevorzugt eine dünne UV-abgeformte Polymerschicht sein, die auf dem Glas- oder Kunststoffsubstrat der Lichtleiterplatte aufgebracht und ausgehärtet wird.Light guide plate, funnel element and/or the deflection element are preferably made of glass or plastic, such as PMMA, PC or Zeonex. The grid structure can preferably be a thin UV-moulded polymer layer that is applied and cured to the glass or plastic substrate of the light guide plate.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.The method according to the invention can be developed in a similar way and shows similar advantages. Such advantageous features are described by way of example but not exhaustively in the dependent claims which follow the independent claims.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:

  • 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines optoelektronischen Sensors als Lichttaster oder Reflexionslichtschranke;
  • 2 eine schematische Draufsicht auf eine als Flachkollektor ausgebildete Empfangsoptik mit einer zentralen Öffnung als Aussparung für einen Lichtsender;
  • 3 eine dreidimensionale Ansicht eines beispielhaften Strahlenverlaufs in einer Empfangsoptik gemäß 2;
  • 4 eine schematische Draufsicht auf eine als Flachkollektor ausgebildete Empfangsoptik mit einem seitlichen Ausschnitt als Aussparung für einen Lichtsender;
  • 5 eine dreidimensionale Ansicht eines beispielhaften Strahlenverlaufs in einer Empfangsoptik gemäß 4;
  • 6 eine dreidimensionale Ansicht ähnlich 3, jedoch in variierter Perspektive und bei einer Empfangsoptik mit einem zusätzlichen ausgangsseitigen Umlenkelement;
  • 7 eine schematische Draufsicht auf eine als Flachkollektor ausgebildete Empfangsoptik mit nichtlinearer Gitterstruktur mit einem seitlichen Ausschnitt als Aussparung für einen Lichtsender;
  • 8 eine schematische Draufsicht auf eine als Flachkollektor ausgebildete Empfangsoptik mit mehreren Segmenten und mit einem seitlichen Ausschnitt als Aussparung für einen Lichtsender;
  • 9 eine schematische Draufsicht auf eine als Flachkollektor ausgebildete Empfangsoptik mit mehreren Segmenten und mit einer zentralen Öffnung als Aussparung für einen Lichtsender.
The invention is explained in more detail below, also with regard to further features and advantages, by way of example on the basis of embodiments and with reference to the attached drawing. The illustrations of the drawing show in:
  • 1 a schematic view of an embodiment of an optoelectronic sensor as a light sensor or reflection light barrier;
  • 2 a schematic plan view of a receiving optics designed as a flat collector with a central opening as a recess for a light transmitter;
  • 3 a three-dimensional view of an exemplary beam path in a receiving optics according to FIG 2 ;
  • 4 a schematic plan view of a flat-plate collector designed as a receiving optics with a side cutout as a recess for a light transmitter;
  • 5 a three-dimensional view of an exemplary beam path in a receiving optics according to FIG 4 ;
  • 6 a three-dimensional view similar 3 , but in a varied perspective and with a receiving optics with an additional deflection element on the output side;
  • 7 a schematic top view of a flat-plate collector designed as receiving optics with a non-linear lattice structure with a side section as a recess for a light transmitter;
  • 8th a schematic plan view of a receiving optics designed as a flat collector with a plurality of segments and with a lateral section as a cutout for a light emitter;
  • 9 a schematic plan view of a receiving optics designed as a flat collector with several segments and with a central opening as a recess for a light transmitter.

10 eine schematische Draufsicht auf eine als Flachkollektor ausgebildete Empfangsoptik mit mehreren Segmenten für unterschiedliche Akzeptanzwinkel und mit einem seitlichen Ausschnitt als Aussparung für einen Lichtsender; 10 a schematic plan view of a receiving optics designed as a flat collector with several segments for different acceptance angles and with a lateral section as a cutout for a light transmitter;

1 zeigt eine Ausführungsform eines optoelektronischen Sensors 10 mit einem eigenen Lichtsender 24 samt zugeordneter Sendeoptik 26 der Sendelicht 28 in einen Überwachungsbereich 14 emittiert. Das Sendelicht 28 wird als Empfangslicht 12 aus dem Überwachungsbereich 14 remittiert und fällt mit einer Lichteinfallsrichtung entsprechend den Pfeilen auf eine flache Empfangsoptik 16, die eine große Apertur aufweist, um möglichst viel Empfangslicht 12 einzusammeln. Die Empfangsoptik 16 lenkt das Empfangslicht 12 zunächst seitlich um und dann ein weiteres Mal zurück in die Lichteinfallsrichtung, ehe es auf einen Lichtempfänger 18 trifft. Die zweite Umlenkung ist optional, andernfalls ist der Lichtempfänger 18 senkrecht orientiert. 1 1 shows an embodiment of an optoelectronic sensor 10 with its own light transmitter 24 together with associated transmission optics 26 which emits transmission light 28 into a monitoring area 14 . The transmitted light 28 is remitted as received light 12 from the monitored area 14 and falls with a light incidence direction according to the arrows onto a flat receiving optics 16 which has a large aperture in order to collect as much received light 12 as possible. The optical receiving system 16 first deflects the received light 12 laterally and then back again in the direction of light incidence before it strikes a light receiver 18 . The second deflection is optional, otherwise the light receiver 18 is oriented vertically.

Die Positionierung des Lichtsenders 24, der Empfangsoptik 16 und deren Lichtumlenkung werden später in verschiedenen Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die 2 bis 9 näher erläutert.The positioning of the light transmitter 24, the receiving optics 16 and their light deflection are later in various embodiments with reference to 2 until 9 explained in more detail.

Der Lichtempfänger 18 erzeugt aus dem auftreffenden Empfangslicht 12 ein elektronisches Empfangssignal, das einer Steuer- und Auswertungseinheit 20 zugeführt wird. In 1 ist die Steuer- und Auswertungseinheit 20 nur symbolisch als Leiterplatte gezeigt, auf der auch der Lichtempfänger 18 und der Lichtsender 24 angeordnet sind. Allgemein handelt es sich um beliebige analoge und/oder digitale Auswertungsbausteine, wie etwa einen oder mehrere Analogschaltungen, Mikroprozessoren, FPGAs oder ASICs mit oder ohne analoge Vorverarbeitung.The light receiver 18 generates an electronic reception signal from the impinging reception light 12 which is fed to a control and evaluation unit 20 . In 1 the control and evaluation unit 20 is shown only symbolically as a printed circuit board, on which the light receiver 18 and the light transmitter 24 are also arranged. In general, any analog and/or digital evaluation modules are involved, such as one or more analog circuits, microprocessors, FPGAs or ASICs with or without analog preprocessing.

Die Empfangsoptik 16 weist eine Aussparung für den Lichtempfänger 24 auf. Somit kann der Lichtsender 24 die Bauhöhe der Empfangsoptik 16 mit nutzen.The receiving optics 16 has a recess for the light receiver 24 . Thus, the light transmitter 24 can also use the overall height of the receiving optics 16 .

Die parallele Ausrichtung von Lichtsender 24, Empfangsoptik 16, Lichtempfänger 18 und der Leiterplatte mit der Steuer- und Auswertungseinheit 20, auf der auch sonstige Elektronik untergebracht sein kann, erlaubt einen Gesamtaufbau des optoelektronischen Sensors in der gezeigten Flachbauweise mit äußerst geringer Bautiefe von nur wenigen Millimetern.The parallel alignment of the light transmitter 24, receiving optics 16, light receiver 18 and the circuit board with the control and evaluation unit 20, on which other electronics can also be accommodated, allows an overall structure of the optoelectronic sensor in the flat design shown with an extremely small overall depth of only a few millimeters .

Aufgrund der Umlenkung erhält die Steuer- und Auswertungseinheit 20 ein summarisches Intensitätssignal, das sich für Auswertungen eignet, in denen die Lichtfleckgeometrie oder eine Winkelinformation des einfallenden Empfangslichts 12 nicht benötigt wird. Ein Beispiel ist ein Schwellwertvergleich, um die Anwesenheit von Objekten festzustellen. Auch Lichtlaufzeitmessungen sind denkbar, sofern die Genauigkeitsanforderungen nicht zu hoch sind, da sich im Millimeterbereich unterschiedliche Lichtwege in der Empfangsoptik 16 mischen. Das Ergebnis der Auswertung, beispielsweise ein dem binären Objektfeststellungssignal entsprechendes Schaltsignal oder ein gemessener Abstand, kann an einer Schnittstelle 22 ausgegeben werden.Because of the deflection, the control and evaluation unit 20 receives a summary intensity signal that is suitable for evaluations in which the light spot geometry or angle information of the incident received light 12 is not required. An example is a threshold comparison to determine the presence of objects. Light propagation time measurements are also conceivable, provided the accuracy requirements are not too high, since different light paths mix in the receiving optics 16 in the millimeter range. The result of the evaluation, for example a switching signal corresponding to the binary object detection signal or a measured distance, can be output at an interface 22 .

Das Prinzip des optischen Sensors 10 ist das eines Lichttasters, der ein Objekt 30 erkennt, wenn das Sendelicht 28 darauf fällt und remittiert wird. Es ist aber auch das Funktionsprinzip einer Reflexionslichtschranke, zu der noch ein kooperativer Reflektor 32 gehört, auf den das Sendelicht 28 ausgerichtet ist. Die Steuer- und Auswertungseinheit 20 erwartet in diesem Fall das von dem Reflektor 32 zurückgeworfene Empfangslicht 12. Schiebt sich ein Objekt 30 vor den Reflektor 32, so fällt der Empfangspegel ab, und daran kann das Objekt 30 erkannt werden, erneut beispielsweise durch Schwellwertvergleich. Um das eigene Sendelicht 28 von Fremdlicht zu unterscheiden und so das Schaltverhalten wesentlich robuster zu machen, können im Sende- und Empfangspfad zwei Polarisationsfilter angeordnet sein, deren Polarisationsrichtung entsprechend einer Polarisationsdrehung des Reflektors 32 gekreuzt ist.The principle of the optical sensor 10 is that of a light sensor that detects an object 30 when the transmitted light 28 falls on it and is remitted. However, it is also the functional principle of a reflection light barrier, which also includes a cooperative reflector 32 onto which the transmitted light 28 is directed. In this case, the control and evaluation unit 20 expects the received light 12 reflected by the reflector 32. If an object 30 moves in front of the reflector 32, the reception level drops and the object 30 can be recognized from this, again for example by threshold value comparison. In order to distinguish the own transmitted light 28 from extraneous light and thus to make the switching behavior significantly more robust, two polarization filters can be arranged in the transmission and reception path, the polarization direction of which is crossed according to a polarization rotation of the reflector 32 .

2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Empfangsoptik 16. Das Empfangslicht 12 ist symbolisch durch eine Vielzahl von Pfeilen dargestellt, deren Einfallsrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Papierebene ist, was nur perspektivisch angedeutet werden kann. 2 shows a schematic plan view of the receiving optics 16. The receiving light 12 is represented symbolically by a large number of arrows, the direction of incidence of which is essentially perpendicular to the plane of the paper, which can only be indicated in perspective.

Die Empfangsoptik 16 weist eine flache Lichtleiterplatte 34 oder einen Flachkollektor auf. In der Draufsicht ist von der flachen Lichtleiterplatte 34 nur die obere Hauptfläche 36 oder Flachseite zu erkennen. In Tiefenrichtung senkrecht zur Papierebene ist die Lichtleiterplatte 34 sehr dünn, ihre Dicke ist um Faktoren geringer als die laterale Ausdehnung der Hauptfläche 36. Mit der Hauptfläche 36 sammelt die Lichtleiterplatte 34 Empfangslicht 12 mit sehr großer Apertur ein.The receiving optics 16 has a flat light guide plate 34 or a flat collector. Only the upper main surface 36 or flat side of the flat light guide plate 34 can be seen in the plan view. In the depth direction perpendicular to the plane of the paper, the light guide plate 34 is very thin; its thickness is smaller by factors than the lateral extension of the main surface 36. With the main surface 36, the light guide plate 34 collects received light 12 with a very large aperture.

Im zentralen Bereich der flachen Lichtleiterplatte 34 weist diese eine Aussparung in Form einer Öffnung 21 auf. Die Öffnung 21 ist so dimensioniert, dass sie einen Lichtsender 24 aufnehmen kann, der Sendelicht 28 in einen Überwachungsbereich emittiertThe flat light guide plate 34 has a recess in the form of an opening 21 in its central area. The opening 21 is dimensioned in such a way that it can accommodate a light transmitter 24 which emits transmission light 28 into a surveillance area

Zwischen der Lichtleiterplatte 34 und dem Lichtsender 24 kann ein Trennsteg 25 aus lichtundurchlässigem Material angeordnet sein, um ein Übersprechen des Sendelichts 28 auf die Lichtleiterplatte 34 und somit den Lichtempfänger 18 zu verhindern.A separating web 25 made of opaque material can be arranged between the light guide plate 34 and the light transmitter 24 in order to prevent crosstalk of the transmitted light 28 onto the light guide plate 34 and thus the light receiver 18 .

Eine diffraktive Struktur 38 auf der Lichtleiterplatte 34 sorgt für eine Umlenkung des Empfangslichts 12 hin zu einer seitlichen Kante 40. Die diffraktive Struktur 38 kann oben an der ersten Hauptfläche 36 und/oder unten an der gegenüberliegenden Flachseite angeordnet sein. Nach der Umlenkung propagiert Empfangslicht 12a in einer neuen Richtung, in 2 nach rechts, innerhalb der Lichtleiterplatte 34, und wird dabei durch Totalreflexion geführt. Die seitliche Kante 40 ist nicht notwendig nur ein einziges gerades Teilstück, sondern kann auch nur stückweise gerade mit Kantensegmenten in einem Winkel nahe 180° zueinander oder gebogen sein.A diffractive structure 38 on the light guide plate 34 ensures that the received light 12 is deflected towards a lateral edge 40. The diffractive structure 38 can be arranged at the top on the first main surface 36 and/or at the bottom on the opposite flat side. After the deflection, received light 12a propagates in a new direction, in 2 to the right, within the light guide plate 34, and is thereby guided by total internal reflection. The side edge 40 is not necessarily just a single straight section, but may be just piecewise straight with edge segments at an angle close to 180° to each other, or it may be curved.

Die diffraktive Struktur 38 kann insbesondere ein Echelettegitter (Blazegitter) sein. Ein solches Echelettegitter beugt einfallendes Empfangslicht 12 einer definierten Wellenlänge sehr stark und fast nur in eine bestimmte Beugungsordnung. Die Beugung ist also chromatisch selektiv, was zugleich den Vorteil einer optischen Bandpasswirkung bietet, die auf einen eigenen Lichtsender 24 abgestimmt werden kann. Die Beugung ist außerdem wegen des starken Maximums in einer Beugungsordnung sehr richtungsspezifisch. Dadurch entsteht eine neue Vorzugsrichtung des Lichtstrahlenbündels hin zu der seitlichen Kante 40 unter so flachen Winkeln, dass das umgelenkte Empfangslicht 12a aufgrund von Totalreflexion in der Lichtleiterplatte 34 bleibt. In die Richtung der weiteren Kanten der Lichtleiterplatte 34 wird kein Empfangslicht 12 gebeugt, so dass dort auch nichts verlorengeht. Es wäre aber auch möglich, hier eine Spiegelbeschichtung anzubringen.The diffractive structure 38 can in particular be an Echelette grating (blaze grating). Such an Echelette grating diffracts incident received light 12 of a defined wavelength very strongly and almost only into a specific diffraction order. The diffraction is therefore chromatically selective, which at the same time offers the advantage of an optical bandpass effect that can be tuned to a dedicated light transmitter 24 . Diffraction is also very direction specific because of the strong maximum in a diffraction order. This creates a new preferred direction of the bundle of light rays towards the lateral edge 40 at angles that are so shallow that the deflected received light 12a remains in the light guide plate 34 due to total reflection. No received light 12 is diffracted in the direction of the further edges of the light guide plate 34, so that nothing is lost there either. However, it would also be possible to apply a mirror coating here.

An die Einkopplung in die Lichtleiterplatte 34 durch die diffraktive Struktur 38 und somit die Umlenkung in der Lichtleiterplatte 34 zu der seitlichen Kante 40 schließt sich optional eine zweite Licht sammelnde oder konzentrierende Funktion an. Dazu ist an der seitlichen Kante 40 vorzugsweise ein optisches Trichterelement 42 angeordnet. Das optische Trichterelement 42 ist ein sich im Querschnitt verjüngendes Bauteil, welches das in einer Querrichtung des Trichterelements 42 parallel zur Ausdehnung der seitlichen Kante 40 konzentrierte Empfangslicht 12b erzeugt.The coupling into the light guide plate 34 by the diffractive structure 38 and thus the deflection in the light guide plate 34 to the lateral edge 40 is optionally followed by a second light-collecting or concentrating function. For this purpose, an optical funnel element 42 is preferably arranged on the lateral edge 40 . The optical funnel element 42 is a component that tapers in cross section, which generates the reception light 12b concentrated in a transverse direction of the funnel element 42 parallel to the extension of the lateral edge 40 .

Der Strahlverlauf in der Empfangsoptik 16 wird durch ein simuliertes Beispiel besser verständlich, das in 3 in einer dreidimensionalen Ansicht gezeigt ist. Das nahezu senkrecht einfallende Empfangslicht 12 wird an der Ober- beziehungsweise Unterseite durch die diffraktive Struktur 38 gebeugt und als umgelenktes Empfangslicht 12a zu der seitlichen Kante 40 geleitet. In dem optischen Trichterelement 42 wird daraus konzentriertes Empfangslicht 12b, das auf den an einer Strahlaustrittsstelle des Trichterelements 42 angeordneten Lichtempfänger 18 fällt.The beam path in the receiving optics 16 can be better understood by a simulated example, which is shown in 3 is shown in a three-dimensional view. The received light 12, which is incident almost perpendicularly, is diffracted on the upper or lower side by the diffractive structure 38 and guided to the lateral edge 40 as deflected received light 12a. In the optical funnel element 42, this becomes concentrated received light 12b, which falls on the light receiver 18 arranged at a beam exit point of the funnel element 42.

Somit wird das Empfangslicht 12 in beiden Querschnittsrichtungen konzentriert. In einer Höhenrichtung ist die Ausdehnung durch die geringe Dicke der Lichtleiterplatte 34 begrenzt, die sich in dem optischen Trichterelement 42 fortsetzt oder die dort sogar noch weiter verringert wird. In der Breitenrichtung, parallel zu der seitlichen Kante, greift die Fokussierungs- oder Konzentrationswirkung durch die querschnittsverringernde Geometrie des optischen Trichterelements 42. Beide Achsen erfüllen die Bedingung der wellenleitergeführten Totalreflexion. Lichtleiterplatte 34 und optisches Trichterelement 42 sind aus geeignetem transparentem Kunststoff hergestellt, wie PMMA oder PC. Zur Unterstützung der Totalreflexion können Spiegelbeschichtungen angebracht werden.Thus, the received light 12 is concentrated in both cross-sectional directions. In a height direction, the expansion is limited by the small thickness of the light guide plate 34, which continues in the optical funnel element 42 or is even further reduced there. In the width direction, parallel to the lateral edge, the focusing or concentration effect takes effect through the area-reducing geometry of the opti rule funnel element 42. Both axes meet the condition of waveguide-guided total reflection. Light guide plate 34 and optical funnel element 42 are made of a suitable transparent plastic such as PMMA or PC. Mirror coatings can be applied to support total internal reflection.

Das optische Trichterelement 42 ist vorzugsweise ebenso flach aufgebaut wie die Lichtleiterplatte 34 und schließt so unmittelbar an die Form der seitlichen Kante 40 an. Es ist möglich, beides einstückig auszubilden. Um die Strahlformung in dem optischen Trichterelement 42 weiter zu optimieren, kann die Verjüngung auch einen parabolischen oder anderen, zulaufenden Querschnittsverlauf haben.The optical funnel element 42 is preferably constructed as flat as the light guide plate 34 and thus directly follows the shape of the lateral edge 40 . It is possible to form both in one piece. In order to further optimize the beam shaping in the optical funnel element 42, the taper can also have a parabolic or other tapering cross-sectional course.

Zwischen der Lichtleiterplatte 34 und dem Lichtsender 24 kann ein Trennsteg 25 aus lichtundurchlässigem Material angeordnet sein, um ein Übersprechen des Sendelichts 28 auf die Lichtleiterplatte 34 und somit den Lichtempfänger 18 zu verhindern.A separating web 25 made of opaque material can be arranged between the light guide plate 34 and the light transmitter 24 in order to prevent crosstalk of the transmitted light 28 onto the light guide plate 34 and thus the light receiver 18 .

4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Empfangsoptik 16. Im Unterschied zu der Empfangsoptik aus 2, weist die flache Lichtleiterplatte 34 eine Aussparung in Form eines Ausschnitts 23 in der der Kante 40 gegenüberliegenden Seite auf. Der Ausschnitt 23 ist so dimensioniert, dass er einen Lichtsender 24 aufnehmen kann, der Sendelicht 28 in einen Überwachungsbereich emittiert. 4 shows a schematic plan view of a further embodiment of a receiving optics 16. In contrast to the receiving optics in FIG 2 , the flat light guide plate 34 has a recess in the form of a cutout 23 in the side opposite the edge 40 . The cutout 23 is dimensioned in such a way that it can accommodate a light transmitter 24 which emits transmitted light 28 into a monitoring area.

Zwischen der Lichtleiterplatte 34 und dem Lichtsender 24 kann ein Trennsteg 25 aus lichtundurchlässigem Material angeordnet sein, um ein Übersprechen des Sendelichts 28 auf die Lichtleiterplatte 34 und somit den Lichtempfänger 18 zu verhindern.A separating web 25 made of opaque material can be arranged between the light guide plate 34 and the light transmitter 24 in order to prevent crosstalk of the transmitted light 28 onto the light guide plate 34 and thus the light receiver 18 .

5 zeigt den Strahlverlauf in der Empfangsoptik 16 aus 4 in einer dreidimensionalen Ansicht analog zu der Ausführungsform in 3. Durch die Positionierung des Ausschnitts 23 am Rand der Lichtleiterplatte verringert sich eine Abschattung des Empfangslichts in Richtung des Lichtempfängers 18. 5 shows the beam path in the receiving optics 16 4 in a three-dimensional view analogous to the embodiment in FIG 3 . The positioning of the cutout 23 on the edge of the light guide plate reduces shadowing of the received light in the direction of the light receiver 18.

Zwischen der Lichtleiterplatte 34 und dem Lichtsender 24 kann ein Trennsteg 25 aus lichtundurchlässigem Material angeordnet sein, um ein Übersprechen des Sendelichts 28 auf die Lichtleiterplatte 34 und somit den Lichtempfänger zu verhindern. In den folgenden Ausführungsbeispielen wird der Übersichtlichkeit halber auf die Darstellung des Trennsteges 25 verzichtet. Auch diese und andere denkbare Ausführungsformen können jedoch einen vergleichbaren, geeigneten Trennsteg zur Unterdrückung von Störlicht aufweisen.A separating web 25 made of opaque material can be arranged between the light guide plate 34 and the light transmitter 24 in order to prevent crosstalk of the transmitted light 28 onto the light guide plate 34 and thus the light receiver. In the following exemplary embodiments, the separating web 25 is not shown for the sake of clarity. However, these and other conceivable embodiments can also have a comparable, suitable separating web for suppressing stray light.

6 zeigt nochmals eine dreidimensionale Ansicht eines beispielhaften Strahlverlaufs in einer Empfangsoptik 16. Im Unterschied zu 5 befindet sich an der Strahlaustrittsstelle des Trichterelements 42 nicht schon der Lichtempfänger 18 selbst, sondern zunächst ist noch ein weiteres Umlenkelement 44 zur Lichtkopplung in den Lichtempfänger 18 dazwischen angeordnet. Dadurch kehrt das austretende Empfangslicht 12c praktisch wieder in die ursprüngliche Lichteinfallsrichtung zurück, lediglich lateral um die Ausdehnung der Empfangsoptik 16 versetzt und verbreitert, was aber bei der Nähe des Lichtempfängers 18 keine Rolle spielt. Aufgrund der Lichtausfallsrichtung kann der Lichtempfänger 18 parallel zur Hauptfläche 36 ausgerichtet sein, und dies ermöglicht die besonders flache, in 1 gezeigte Anordnung mit einer Leiterplatte der Steuer- und Auswertungseinheit 20 parallel zu der Empfangsoptik 16. 6 shows again a three-dimensional view of an exemplary beam path in a receiving optics 16. In contrast to 5 the light receiver 18 itself is not already located at the beam exit point of the funnel element 42, but initially a further deflection element 44 for coupling the light into the light receiver 18 is arranged in between. As a result, the exiting received light 12c practically returns to the original direction of light incidence, only offset laterally by the extent of the receiving optics 16 and broadened, but this is irrelevant in the vicinity of the light receiver 18 . Due to the direction in which the light emerges, the light receiver 18 can be aligned parallel to the main surface 36, and this enables the particularly flat, in 1 Arrangement shown with a printed circuit board of the control and evaluation unit 20 parallel to the receiving optics 16.

In 6 ist das Umlenkelement 44 als Umlenkprisma ausgestaltet. Das Prisma kann Planflächen aufweisen oder zusätzlich eine Licht fokussierende Form besitzen, etwa mit sphärisch oder asphärisch gekrümmten Flächen oder einer Freiformfläche darstellen. Das Prisma kann wie das optische Trichterelement 42 zumindest teilweise verspiegelt sein, um Auskoppelverluste insbesondere am Ende des optischen Trichterelements zu reduzieren. Alternativ zu einem separaten Umlenkelement 44 ist auch vorstellbar, das optische Trichterelement 42 mit einer Art nach unten gerichtetem Fortsatz vorzugsweise mit Verspiegelung auszubilden, der diese Funktion erfüllt. Lichtleiterplatte 34, Trichterelement 42 und/oder Umlenkelement 44 können einstückig ausgebildet sein.In 6 the deflection element 44 is designed as a deflection prism. The prism can have flat surfaces or additionally have a light-focusing shape, for example with spherical or aspherically curved surfaces or a free-form surface. Like the optical funnel element 42, the prism can be at least partially mirrored in order to reduce outcoupling losses, in particular at the end of the optical funnel element. As an alternative to a separate deflection element 44, it is also conceivable to design the optical funnel element 42 with a type of downward-pointing extension, preferably with a mirror coating, which fulfills this function. Light guide plate 34, funnel element 42 and/or deflection element 44 can be formed in one piece.

7 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Empfangsoptik 16. In der Ausführungsform gemäß 2 ist die diffraktive Struktur 38 als lineare Gitteranordnung ausgebildet. Dementsprechend erfolgt eine reine Umlenkung und Konzentration nur in der Tiefenrichtung der Lichtleiterplatte 34. Die Konzentration in der zweiten lateralen Achse findet dort erst in dem optischen Trichterelement 42 statt. 7 shows a plan view of a further embodiment of the receiving optics 16. In the embodiment according to FIG 2 the diffractive structure 38 is designed as a linear grating arrangement. Accordingly, a pure deflection and concentration only takes place in the depth direction of the light guide plate 34. The concentration in the second lateral axis only takes place there in the optical funnel element 42.

In der Ausführungsform gemäß 7 ist nun stattdessen eine nichtlineare Gitteranordnung als diffraktive Struktur vorgesehen. Dadurch wird das Empfangslicht 12 schon sofort in beiden Achsen konzentriert. Das Trichterelement 42 kann dementsprechend kürzer werden oder gar ganz entfallen. Die flache Lichtleiterplatte 34 weist hier eine Aussparung in Form eines Ausschnitts 23 in der der Kante 40 gegenüberliegenden Seite auf. Der Ausschnitt 23 ist so dimensioniert, dass er einen Lichtsender 24 aufnehmen kann, der Sendelicht 28 in einen Überwachungsbereich emittiert.In the embodiment according to 7 a non-linear grating arrangement is now provided as a diffractive structure instead. As a result, the received light 12 is immediately concentrated in both axes. The funnel element 42 can accordingly be shorter or even omitted entirely. The flat light guide plate 34 here has a recess in the form of a cutout 23 in the side opposite the edge 40 . The cutout 23 is dimensioned in such a way that it can accommodate a light transmitter 24 which emits transmitted light 28 into a monitoring area.

8 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Empfangsoptik 16. Hier ist die Lichtleiterplatte 34 in mindestens zwei Segmente 34a-c unterteilt, die in etwa querstreifenartig sind und die seitliche Kante 40 entsprechend aufteilen. Die Anzahl der Segmente ist zunächst nicht beschränkt. Die Segmente 34a,c mit Ausnahme des zentralen Segments 34b sind leicht nach innen verkippt. Genaugenommen ist das nur relevant für die linearen Gitteranordnungen 38a,c darauf. 8th shows a plan view of a further embodiment of the receiving optics 16. Here the light guide plate 34 is divided into at least two segments 34a-c, which are approximately in the form of transverse strips and divide the lateral edge 40 accordingly. The number of segments is initially not limited. The segments 34a,c, with the exception of the central segment 34b, are tilted slightly inward. Strictly speaking, this is only relevant to the linear grating arrays 38a,c thereon.

Die Lichtleiterplatte 34b weist auf der gegenüberliegenden Seite der Kante 40 eine Aussparung in Form eines Ausschnitts 23 auf, Der Ausschnitt 23 ist so dimensioniert, dass er einen Lichtsender 24 aufnehmen kann, der Sendelicht 28 in einen Überwachungsbereich emittiert. Durch die Positionierung des Ausschnitts 23 an den Rand der Lichtleiterplatte 34b verringert sich eine Abschattung des Empfangslichts 12 in Richtung des Lichtempfängers 18.The light guide plate 34b has a recess in the form of a cutout 23 on the opposite side of the edge 40. The cutout 23 is dimensioned such that it can accommodate a light transmitter 24, which emits light 28 into a monitored area. The positioning of the cutout 23 on the edge of the light guide plate 34b reduces shadowing of the received light 12 in the direction of the light receiver 18.

Durch die segmentierte Anordnung linearer Gitteranordnungen 38a-c erfolgt schon eine gewisse Konzentration auch in lateraler Richtung. Die Segmentierung ist also eine Alternative zu einer nichtlinearen Gitteranordnung gemäß 6, um mit einem kürzeren Trichterelement 42 oder sogar ganz ohne das Trichterelement 42 auszukommen. Eine Segmentierung gemäß 8 kann aber auch mit nichtlinearen Gitterstrukturen gemäß 7 kombiniert werden.Due to the segmented arrangement of linear grating arrangements 38a-c, a certain concentration also takes place in the lateral direction. The segmentation is thus an alternative to a non-linear grating arrangement according to 6 , in order to get by with a shorter funnel element 42 or even without the funnel element 42 at all. A segmentation according to 8th but can also be in accordance with non-linear lattice structures 7 be combined.

Rein beispielhaft wurde als Anstellwinkel der äußeren Segmente 34a,c ein Winkel von ± 9° gewählt. Die Fläche am Eingang, also bei der Hauptfläche 36, beträgt 4mm * 4,2mm, am Ausgang vor dem Lichtempfänger 18 beträgt die Fläche 1,2 mm * 1,2mm. Insgesamt kann so mit einem teilverspiegelten Umlenkprisma 44 eine Koppeleffizienz der gesamten Empfangsoptik 16 von 56% erreicht werden.Purely by way of example, an angle of ±9° was selected as the angle of attack for the outer segments 34a,c. The area at the entrance, ie at the main area 36, is 4mm*4.2mm, at the exit in front of the light receiver 18 the area is 1.2mm*1.2mm. Overall, a coupling efficiency of 56% for the entire optical receiving system 16 can thus be achieved with a partially mirrored deflection prism 44 .

9 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Empfangsoptik 16. Im Unterschied zu der Ausführungsform in 8 weist die flache Lichtleiterplatte 34b im zentralen Bereich eine Aussparung in Form einer Öffnung 21 auf. Die Öffnung 21 ist so dimensioniert, dass sie einen Lichtsender 24 aufnehmen kann, der Sendelicht 28 in einen Überwachungsbereich emittiert. Durch die geeignete Ausrichtung der diffraktiven Strukturen 38a und 38c lässt sich eine Abschattung des Empfangslichts in Richtung des Lichtempfängers 18 durch die Öffnung 21 vermindern. 9 shows a plan view of a further embodiment of the receiving optics 16. In contrast to the embodiment in 8th the flat light guide plate 34b has a recess in the form of an opening 21 in the central area. The opening 21 is dimensioned in such a way that it can accommodate a light transmitter 24 which emits transmission light 28 into a surveillance area. Shading of the received light in the direction of the light receiver 18 through the opening 21 can be reduced by suitably aligning the diffractive structures 38a and 38c.

10 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Empfangsoptik 16 mit segmentierter Lichtleiterplatte. Im Unterschied zu der Empfangsoptik aus 8 oder 9, weist die Lichtleiterplatte 34 mindestens zwei Segmente 34d-f auf, die parallel zur Kante 40 angeordnet sein können. Die Anzahl der Segmente ist zunächst nicht beschränkt. Die Segmente 34d-f weisen jeweils diffraktive Strukturen 38d-f auf, welche in Bezug auf ihre diffraktiven Eigenschaften, beispielsweise ihre Gitterperiode, auf das Umlenken von Empfangslicht aus verschiedenen Entfernungen und/oder Winkelbereichen optimiert sind. So kann beispielsweise die diffraktive Struktur 38d des Segments 34d zur Umlenkung von Empfangslicht aus einem Nahbereich (Akzeptanzwinkel typischerweise im Bereich von 45° ... 15°), die diffraktive Struktur 38e des Segments 34e zur Umlenkung von Empfangslicht aus einem mittleren Erfassungsbereich Nahbereich (Akzeptanzwinkel typischerweise im Bereich von 18°bis 4°), und die diffraktive Struktur 38e des Segments 34e zur Umlenkung von Empfangslicht aus einem Fernbereich Nahbereich (Akzeptanzwinkel typischerweise im Bereich von 6°bis -2°), optimiert sein. 10 shows a schematic plan view of a further embodiment of a receiving optics 16 with a segmented light guide plate. In contrast to the receiving optics 8th or 9 , the light guide plate 34 has at least two segments 34d-f, which can be arranged parallel to the edge 40. The number of segments is initially not limited. The segments 34d-f each have diffractive structures 38d-f which, with regard to their diffractive properties, for example their grating period, are optimized for the deflection of received light from different distances and/or angular ranges. For example, the diffractive structure 38d of segment 34d for deflecting received light from a close range (acceptance angle typically in the range of 45° ... 15°), the diffractive structure 38e of segment 34e for deflecting received light from a middle detection range close range (acceptance angle typically in the range from 18° to 4°), and the diffractive structure 38e of the segment 34e for deflecting received light from a far range to a close range (acceptance angle typically in the range from 6° to -2°).

Die Lichtleiterplatte 34d weist auf der gegenüberliegenden Seite der Kante 40 eine Aussparung in Form eines Ausschnitts 23 auf, Der Ausschnitt 23 ist so dimensioniert, dass er einen Lichtsender 24 aufnehmen kann, der Sendelicht 28 in einen Überwachungsbereich emittiert. Durch die Positionierung des Ausschnitts 23 an den Rand der Lichtleiterplatte 34b verringert sich eine Abschattung des Empfangslichts 12 in Richtung des Lichtempfängers 18The light guide plate 34d has a recess in the form of a cutout 23 on the opposite side of the edge 40. The cutout 23 is dimensioned such that it can accommodate a light transmitter 24, which emits light 28 into a monitored area. The positioning of the cutout 23 on the edge of the light guide plate 34b reduces shadowing of the received light 12 in the direction of the light receiver 18

Zwischen der Lichtleiterplatte 34d und dem Lichtsender 24 kann ein Trennsteg 25 aus lichtundurchlässigem Material angeordnet sein, um ein Übersprechen des Sendelichts 28 auf die Lichtleiterplatte 34 und somit den Lichtempfänger 18 zu verhindernA separating web 25 made of opaque material can be arranged between the light guide plate 34d and the light transmitter 24 in order to prevent crosstalk of the transmitted light 28 onto the light guide plate 34 and thus the light receiver 18

Mit einem erfindungsgemäßen diffraktiven Flachkollektor wird beispielsweise bei einer Bautiefe von nur 1 mm eine Empfangsapertur von 25 mm2 und mehr erreicht. Auch größere Empfangsaperturen von beispielsweise 6 mm * 8 mm sind möglich. Der Signalgewinn steigt damit um eine Größenordnung, die Reichweite des Sensors lässt sich um Faktoren zwei, drei und mehr erhöhen. Dabei bleibt es bei äußerst kleinen Bautiefen von beispielsweise nur 3,5 mm, die nur eine herkömmliche Apertur von 1,5 mm zuließe. Erfindungsgemäß stehen diese 1,5 mm für die Dicke der flachen Empfangsoptik 16 zur Verfügung, die aber eine ungleich größere Fläche bereitstellt, mit Kantenlängen, welche die Dicke um einen Faktor zwei, drei und mehr in beiden Richtungen übersteigen.With a diffractive flat collector according to the invention, a receiving aperture of 25 mm 2 and more is achieved, for example, with a construction depth of only 1 mm. Larger reception apertures of, for example, 6 mm*8 mm are also possible. The signal gain thus increases by an order of magnitude, the range of the sensor can be increased by factors of two, three or more. It remains with extremely small overall depths of, for example, only 3.5 mm, which would only allow a conventional aperture of 1.5 mm. According to the invention, these 1.5 mm are available for the thickness of the flat receiving optics 16, which, however, provides a much larger area with edge lengths that exceed the thickness by a factor of two, three or more in both directions.

Claims (14)

Optoelektronischer Sensor (10), insbesondere Lichtschranke oder Lichttaster, zum Erfassen von Objekten (30) in einem Überwachungsbereich (14), der einen Lichtsender (24) zum Emittieren von Sendelicht (28) in den Überwachungsbereich (14) sowie einen Lichtempfänger (18) mit einer vorgeordneten Empfangsoptik (16) zum Empfangen von aus dem Überwachungsbereich (14) remittiertem Empfangslicht (12) aufweist, das in einer Lichteinfallsrichtung aus dem Überwachungsbereich (14) auf den Sensor (10) trifft, wobei die Empfangsoptik (16) eine flache Lichtleiterplatte (34) mit einer ersten Hauptfläche (36) und einer die erste Hauptfläche (36) an einer Seite begrenzenden seitlichen Kante (40) umfasst, wobei die Lichtleiterplatte (34) mit ihrer ersten Hauptfläche (36) quer zu der Lichteinfallsrichtung angeordnet ist und das einfallende Empfangslicht (12) zu der seitlichen Kante (40) umlenkt, wobei die Lichtleiterplatte (34) zum Umlenken zu der seitlichen Kante (40) eine diffraktive Struktur (38) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiterplatte (34) eine Aussparung (21, 23) zum Durchlass des von dem Lichtsender (24) emittierten Sendelichts (28) oder zur Aufnahme des Sendelicht (28) emittierenden Lichtsenders (24) aufweist, wobei zwischen der Lichtleiterplatte (34) und der Aussparung (21, 23) ein Trennsteg angeordnet ist.Optoelectronic sensor (10), in particular a light barrier or light scanner, for detecting objects (30) in a monitored area (14), which has a light transmitter (24) for emitting transmitted light (28) into the monitored area (14) and a light receiver (18) with upstream receiving optics (16) for receiving received light (12) remitted from the monitored area (14), which in a light incidence direction from the monitoring area (14) hits the sensor (10), the receiving optics (16) having a flat light guide plate (34) with a first main surface (36) and a lateral edge (36) delimiting the first main surface (36) on one side 40), wherein the light guide plate (34) is arranged with its first main surface (36) transversely to the light incidence direction and deflects the incident received light (12) to the lateral edge (40), the light guide plate (34) for deflection to the lateral Edge (40) has a diffractive structure (38), characterized in that the light guide plate (34) has a cutout (21, 23) for the passage of the transmitted light (28) emitted by the light transmitter (24) or for receiving the transmitted light (28) emitting light transmitter (24), wherein a separating web is arranged between the light guide plate (34) and the recess (21, 23). Sensor (10) nach Anspruch 1, wobei die Aussparung als Öffnung (21) im zentralen Bereich der Lichtleiterplatte (34) angeordnet istSensor (10) after claim 1 , wherein the recess is arranged as an opening (21) in the central area of the light guide plate (34). Sensor (10) nach Anspruch 1, wobei die Aussparung als Ausschnitt (23) an einer der Kante (40) gegenüberliegenden Seite der Lichtleiterplatte (34) angeordnet istSensor (10) after claim 1 , wherein the recess is arranged as a cutout (23) on an edge (40) opposite side of the light guide plate (34). Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lichtsender (24) ein polarisierendes Element zur linearen Polarisierung des Sendelichts (28) aufweist.Sensor (10) according to any one of the preceding claims, wherein the light transmitter (24) has a polarizing element for linear polarization of the transmitted light (28). Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtleiterplatte (34) ein polarisierendes Element zur linearen Polarisierung des Empfangslichtes (12) aufweistSensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the light guide plate (34) has a polarizing element for the linear polarization of the received light (12). Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei die die Lichtleiterplatte (34) im Bereich der Aussparung (21, 23) einen Trennsteg zur Vermeidung eines direkten Übersprechens des Sendelichts (28) auf den Lichtempfänger (18) aufweist.Sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the light guide plate (34) in the region of the recess (21, 23) has a separating web to prevent direct crosstalk of the transmitted light (28) on the light receiver (18). Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei die Empfangsoptik (16) ein an der seitlichen Kante (40) angeordnetes Trichterelement (42) aufweist.Sensor (10) according to one of the preceding claims, in which the receiving optics (16) have a funnel element (42) arranged on the lateral edge (40). Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trichterelement (42) flach ausgebildet und mit seiner Flächenrichtung in der Verlängerung der Hauptfläche (36) ausgerichtet ist.A sensor (10) according to any one of the preceding claims, wherein the funnel member (42) is flat and oriented with its surface direction in the extension of the major surface (36). Sensor (10) nach Anspruch 2 oder 3, wobei Lichtleiterplatte (34) und Trichterelement (42) einstückig ausgebildet sind.Sensor (10) after claim 2 or 3 , wherein the light guide plate (34) and funnel element (42) are formed in one piece. Sensor (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei an einem der Lichtleiterplatte (34) gegenüberliegenden Ende des Trichterelements (42) ein Umlenkelement (44) angeordnet ist.Sensor (10) according to one of claims 2 until 5 , A deflection element (44) being arranged at one end of the funnel element (42) opposite the light guide plate (34). Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die diffraktive Struktur (38) eine Gitterstruktur aufweist, insbesondere ein Echelettegitter oder ein Blazegitter.Sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the diffractive structure (38) has a grating structure, in particular an Echelette grating or a blaze grating. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtleiterplatte (34) eine nichtlineare Gitterstruktur aufweist, um das Empfangslicht (12) zusätzlich in der Ebene der ersten Hauptfläche (36) nach Innen umzulenken.Sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the light guide plate (34) has a non-linear grating structure in order to additionally deflect the received light (12) inwards in the plane of the first main surface (36). Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtleiterplatte (34) mindestens zwei Segmente (34a-c) aufweist, deren Gitterstrukturen (38a-c) unterschiedlich ausgerichtet sind, um das Empfangslicht (12) zusätzlich in der Ebene der ersten Hauptfläche (36) nach Innen umzulenken.Sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the light guide plate (34) has at least two segments (34a-c) whose lattice structures (38a-c) are oriented differently in order to additionally receive the light (12) in the plane of the first main surface (36) to deflect inwards. Verfahren zum Erfassen von Objekten (30) in einem Überwachungsbereich (14), bei dem ein Lichtsender (24) Sendelicht (28) in den Überwachungsbereich (14) emittiert und ein Lichtempfänger (18) mit einer vorgeordneten Empfangsoptik (16) ein Empfangssignal aus mit einer Lichteinfallsrichtung aus dem Überwachungsbereich (14) remittiertem Empfangslicht (12) erzeugt, wobei das Empfangslicht (12) quer, insbesondere nahezu senkrecht auf eine erste Hauptfläche (36) einer flachen Lichtleiterplatte (34) der Empfangsoptik (16) fällt und mittels einer diffraktiven Struktur (38) in der flachen Lichtleiterplatte (34) zu einer die erste Hauptfläche (36) begrenzenden seitlichen Kante (40) umgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiterplatte (34) eine Aussparung (21, 23) aufweist und das Sendelicht (28) durch die Aussparung (21, 23) der Lichtleiterplatte (34) oder von dem in der Aussparung (21, 23) der Lichtleiterplatte (34) angeordneten Lichtsender (24) in den Überwachungsbereich (14) emittiert wird, wobei zwischen der Lichtleiterplatte (34) und der Aussparung (21, 23) ein Trennsteg angeordnet ist.Method for detecting objects (30) in a monitored area (14), in which a light transmitter (24) emits transmitted light (28) into the monitored area (14) and a light receiver (18) with upstream receiving optics (16) emits a received signal The received light (12) reflected from the monitoring area (14) is generated in a light incidence direction, the received light (12) falling transversely, in particular almost perpendicularly, onto a first main surface (36) of a flat light guide plate (34) of the receiving optics (16) and by means of a diffractive structure (38) is deflected in the flat light guide plate (34) to a lateral edge (40) delimiting the first main surface (36), characterized in that the light guide plate (34) has a recess (21, 23) and the transmitted light (28) is emitted through the cutout (21, 23) in the light guide plate (34) or by the light transmitter (24) arranged in the cutout (21, 23) in the light guide plate (34) into the monitoring area (14), with between the light guide plate (34) and the recess (21, 23) is arranged a separating web.
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