CH698965B1 - Optischer Sensor und Verfahren zum Homogenisieren eines Lichtstrahls. - Google Patents

Abstract

Der optische Sensor (1) umfasst eine Lichtquelle (3) und Mittel zum Homogenisieren des von der Lichtquelle (3) erzeugten Lichtstrahls (9). Mehrere optische Elemente mit unterschiedlichen Fokaldistanzen bewirken eine Homogenisierung des Lichtstrahls (9) in seiner Ausbreitungsrichtung. Zur Homogenisierung des Lichtstrahls (9) quer zu dessen Ausbreitungsrichtung werden mehrere nebeneinander angeordnete optische Elemente mit alternierenden Brennweiten oder Breiten verwendet. Diese sind vorzugsweise als Array an einer Frontscheibe ausgebildet.

Description

[0001] Gegenstand der Erfindung ist ein optischer Sensor und ein Verfahren zum Homogenisieren eines Lichtstrahls gemäss dem Oberbegriff der Patentansprüche 1, 7 und 8.

[0002] Optische Sensoren zur Erfassung von Objekten können beispielsweise als Reflexionslichttaster oder als Lichtschranken ausgebildet sein. Sie umfassen eine Lichtquelle zum Aussenden von sichtbarem oder unsichtbarem Licht und einen Detektor zum Empfangen von Licht, welches von der Lichtquelle emittiert wird. Als Lichtquelle können beispielsweise Leuchtdioden, Laserdioden oder IR-Dioden eingesetzt sein. Je nach Ausgestaltung des Sensors kann die Lichtquelle kontinuierlich oder – zur Minimierung von Fremdlichteinflüssen – gepulst oder getaktet betrieben werden. Es ist auch bekannt, das Licht zu polarisieren und/oder mittels Blenden und Linsen bzw. Kollimatoren zu einem Lichtstrahl zu bündeln.

[0003] Als Detektoren können beispielsweise Fototransistoren oder Fotodioden verwendet werden. Lichtquelle und Detektor können je nach Einsatzzweck und Funktionsweise des Sensors in einem gemeinsamen Gehäuse oder räumlich getrennt voneinander in separaten Gehäusen angeordnet sein.

[0004] Bei herkömmlichen Reflexionslichttastern wird das von der Lichtquelle emittierte Licht in der Regel mittels einer Blende und einer Kollimatorlinse zu einem Strahl bzw. einem Gauss-Strahl mit (auf die Ausbreitungsrichtung bezogen) nahezu rotationssymmetrischer Intensitätsverteilung gebündelt. Abweichungen von der Rotationssymmetrie können bei LED-Lichtquellen durch deren Form und bei Laserdioden aufgrund von Beugungseffekten an deren rechteckigen Austrittsöffnung entstehen. Der Fokus bzw. die Taille des Lichtstahls bestimmt dabei den nutzbaren Erfassungsbereich. Herkömmlich wird der Strahldurchmesser – dieser ist durch das Abklingen der Lichtintensität auf den Bruchteil 1/e radial zur Strahlrichtung definiert – in der Regel möglichst gering gehalten.

[0005] Trifft dieser Lichtstrahl auf ein Objekt auf, wird er mindestens teilweise an dessen Oberfläche diffus reflektiert. Ein Teil des reflektierten Lichts kann vom Detektor erfasst und ausgewertet werden. Mit anderen Worten: Der durch den Lichtstrahl auf dem Objekt erzeugte Lichtfleck wird durch eine vor dem Detektor angeordnete Abbildungsoptik auf die lichtempfindliche Fläche des Detektors abgebildet.

[0006] Einfache Reflexionslichttaster werten lediglich die Intensität des erfassten Lichts aus: Je kürzer der Abstand zwischen Lichtquelle und Messobjekt, desto höher ist die vom Detektor erfasste Lichtintensität. Durch Festlegung einer Schaltschwelle lässt sich so für eine bestimmte Art von Messobjekten ein Schaltabstand festlegen.

[0007] Reflexionslichttaster mit Hintergrundausblendung sowie Distanzsensoren nutzen meistens das Triangulationsprinzip. Dabei wird der vom Objekt in Richtung des Detektors reflektierte Lichtanteil auf den Detektor abgebildet und die sich in Abhängigkeit der Entfernung zwischen Sensor und Objekt ändernde Position bzw. Lage des detektierten Lichts auf dem Detektor ausgewertet. Der Detektor ist derart ausgebildet, dass er mindestens zwei unterschiedliche Auftreffpositionen des an einem Messobjekt reflektierten Lichts unterscheiden kann. Als Detektoren können beispielsweise zwei oder mehrere diskrete oder auf einem gemeinsamen Substrat integrierte Fotodioden oder Fototransistoren verwendet werden. Alternativ können Detektoren auch ein- oder zweidimensionales CCD-Arrays mit hoher räumlicher Auflösung umfassen. Durch Auswertung der Helligkeitsunterschiede auf den einzelnen Pixeln kann die genaue Position des Kernstrahls und daraus die Position des erfassten Objekts ermittelt werden.

[0008] Bei herkömmlichen optischen Sensoren werden in der Regel voluminöse sphärische Glas- oder Kunststofflinsen zur Beeinflussung des von einer Lichtquelle erzeugten Lichts verwendet. Diese Linsen werden üblicherweise zwischen der erzeugenden Lichtquelle und einem frontseitigen, für das Licht der Lichtquelle transparenten Fenster derart angeordnet, dass ein gebündelter Lichtstrahl mit möglichst geringem Strahldurchmesser emittiert werden kann. Die Linsen benötigen oft aufwändige Justier- und/oder Haltevorrichtungen und viel Platz. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn mehrere Linsen hinter- oder nebeneinander angeordnet werden sollen. Der hohe Platzbedarf setzt der Miniaturisierung solcher Sensoren Grenzen.

[0009] Herkömmliche optische Sensoren eignen sich nicht oder nur ungenügend zur Erfassung sehr dünner oder linienartiger Objekte wie z.B. Kanten von Folien oder anderen Objekten oder gerade Farbmarken, da an solchen Objekten nur ein kleiner Bruchteil des von der Lichtquelle emittierten Lichts so gestreut wird, dass es vom Detektor erfasst werden kann. Die Erfassung von gitterartigen Objekten und von Objekten mit vielen kleinen Löchern ist mit herkömmlichen Sensoren ebenfalls problematisch. Bei herkömmlichen Sensoren ist die Optik jeweils auf eine bestimmte zu lösende Aufgabe zugeschnitten. Schon geringfügige Änderungen der Rahmenbedingungen können umfangreiche Anpassungen am Sensorgehäuse, an der Haltevorrichtung für die Linse bzw. die Linsen und an den Linsen selbst erforderlich machen. Der Aufwand für die Justierung von Lichtquelle, Optik und Gehäuse relativ zueinander gross. Zudem ist der nutzbare Erfassungsbereich bei herkömmlichen Sensoren aufgrund der geringen Tiefenschärfe und/oder – insbesondere bei kleinen zu erfassenden Objekten – wegen der mangelhaften Lichtausbeute oft ungenügend.

[0010] Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Sensor mit verbesserten Strahleigenschaften und ein Verfahren zum Homogenisieren eines Lichtstrahls bei diesem Sensor zu schaffen.

[0011] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen optischen Sensor und durch ein Verfahren zum Homogenisieren eines Lichtstrahls bei einem optischen Sensor gemäss den Merkmalen der Patentansprüche 1, 7 und 8. Vorteilhafte Ausbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.

[0012] Der optische Sensor umfasst eine Frontscheibe mit mehreren optischen Elementen zum Beeinflussen des Lichtstrahls. Optische Elemente können z.B. als Relief-, Gitter- oder Indexstrukturen ausgebildet sein. Insbesondere zählen Linsen oder linsenartig wirkende Strukturen zu den optischen Elementen, also beispielsweise ein zweidimensionales Array aus sphärischen oder asphärischen Linsen oder ein eindimensionales Array parallel aneinander gereihter Zylinderlinsen. Selbstverständlich können anstelle refraktiver Linsen auch diffraktive optische Elemente (DOEs) eingesetzt werden. Der Begriff «optische Elemente» umfasst nebst Zylinderlinsen oder Kugellinsen auch entsprechende Linsenabschnitte, wie sie z.B. bei Fresnellinsen eingesetzt werden, oder Blenden- oder Gitterstrukturen. Selbstverständlich sind auch beliebige Kombinationen solcher Elemente auf einer Frontscheibe möglich. Die optischen Elemente sind vorzugsweise an der der Lichtquelle zugewandten Innenseite der Frontscheibe angeordnet. Falls die Frontscheibe den Abschluss des Sensorgehäuses bildet, umfasst dieser Abschluss in diesem Fall eine plane Aussenseite. Das Verschmutzungsrisiko und die Gefahr mechanischer Beschädigungen sind dadurch minimal. Die Frontscheibe kann alternativ auch innerhalb des Sensorgehäuses, in Richtung des Lichtstrahls gesehen vor einer das Sensorgehäuse abschliessenden weiteren Frontscheibe bzw. Schutzscheibe angeordnet sein. Optische Elemente können alternativ auch an der Aussenseite der Frontscheibe und/oder beidseitig an der Frontscheibe ausgebildet oder in die Frontscheibe integriert sein. Die Frontscheibe kann in definierter Lage und Ausrichtung fest oder wieder lösbar form- und/oder kraftschlüssig am Sensorgehäuse gehalten bzw. befestigt sein. Da die Lichtquelle ebenfalls am Sensorgehäuse in definierter Lage gehalten oder befestigt wird, ist eine Justierung der optischen Elemente bezüglich der Lichtquelle nicht erforderlich. Zudem ist die Frontscheibe im Allgemeinen ein grosses Element im Vergleich zu den im Sensor verwendeten Linsen. Aus diesem Grund wird insbesondere ein Winkelfehler bei gleicher seitlicher Montagetoleranz massiv kleiner. Dies genügt normalerweise um eine Justierung zu erübrigen.

[0013] Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind mehrere unmittelbar aneinander gereihte plan-konkave Zylinderlinsen an der Frontscheibe ausgebildet. Diese können z.B. mittels einer Heissprägung an der Innenseite einer Kunststoff-Frontscheibe oder einer mit Kunststoff beschichteten Glas-Frontscheibe angeordnet sein. Sie bewirken eine Aufweitung des Lichtstrahls in einer Richtung orthogonal zur optischen Achse bzw. Strahlachse und orthogonal zu den Zylinderlinsenachsen. Da der Lichtstrahl mehrere Linsen oder Mikrolinsen überlappt bzw. durch mehrere nebeneinander angeordnete Linsen hindurchtritt, sind derartige Vorrichtungen unempfindlich gegenüber Verschiebung der Frontscheibe in Richtung der aneinander gereihten Zylinderlinsen. Analoges gilt für Verschiebungen von Frontschieben mit einer Matrix aus sphärischen oder asphärischen Linsen in der durch die Frontscheibe definierten Ebene.

[0014] Frontscheiben mit heissgeprägten Linsenarrays können kostengünstig hergestellt werden, indem z.B. eine selbstklebende Folie mit einer Vielzahl solcher Linsenarrays z.B. mittels eines Rotationsverfahrens geprägt und auf eine transparente Trägerplatte aus Glas oder Kunststoff aufgeklebt wird. Anschliessend wird dann die Trägerplatte in einzelne Frontscheiben zerlegt. Das Heissprägeverfahren hat zudem den Vorteil, dass die zu prägenden Folien oder Platten mit einer sehr dünnen und harten Schutzschicht gegen mechanische Beschädigungen geschützt sein können. Diese Schutzschicht bleibt auch nach der Heissprägung der Linsen erhalten. Im Vergleich zu einer nachträglichen Beschichtung der Frontscheiben ist dieses Verfahren wesentlich kostengünstiger. Zudem werden die durch die Heissprägung bewirkten optischen Eigenschaften nicht mehr verändert.

[0015] Zusätzlich zu den optischen Elementen, welche z.B. eine Aufweitung des Lichtsrahls in einer oder zwei Richtungen orthogonal zur optischen Achse bewirken, können weitere optische Elemente an der Frontscheibe ausgebildet werden. Insbesondere können auf der dem Linsenarray gegenüberliegenden Seite der Frontscheibe Strukturen einer Fresnellinse zum Fokussieren des Lichtstrahls ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können seitlich des Linsenarrays weitere optische Elemente ausgebildet sein. Diese können zum Abbilden des an einem Objekt gestreuten Lichts der Lichtquelle auf einen im Sensorgehäuse angeordneten Detektor genutzt werden.

[0016] Die Frontscheibe mit den optischen Elementen kann relativ dünn sein. Als Lichtquelle wird vorzugsweise ein Halbleiterlaser mit einer Blende und einer Kollimatorlinse verwendet. Diese Anordnung liefert einen kohärenten Lichtstrahl mit geringem Strahldurchmesser. Trifft dieser Lichtstrahl auf das Zylinderlinsenarray, wird er von diesem in einer Dimension aufgeweitet, sodass ein linienförmiger Sendespot entsteht. Trifft dieser linienförmige Sendespot auf ein entsprechend ausgerichtetes längliches Objekt, wird er von diesem reflektiert und kann von einem Detektor mit vorgesetzter Erfassungsoptik erfasst und ausgewertet werden. Das auswertbare Nutzsignal ist deutlich höher als bei einem punktförmigen Sendespot.

[0017] Dadurch, dass die optischen Elemente direkt an der Frontscheibe ausgebildet sind, kann die Art und Wirkung des Sensors allein durch die Verwendung unterschiedlicher Frontscheiben ohne oder mit optischen Elementen an unterschiedliche Aufgabenstellungen angepasst werden. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren kann die Teilevielfalt zur Herstellung unterschiedlicher Sensoren stark verringert werden. Alternativ zum Heissprägen können Frontscheiben mit optischen Elementen auch mittels anderer Verfahren hergestellt werden, z.B. als Spritzgussteile oder durch Giessen von aushärtenden Giessharzen in entsprechende Formen oder durch Aufkleben strukturierter Folien.

[0018] Durch Homogenisierung des Sendestrahls kann die Tiefenschärfe bzw. der nutzbare Erfassungsbereich in Richtung des Sendestrahls vergrössert werden. Dies kann erreicht werden, indem der Lichtstrahl durch ein oder mehrere optische Elemente mit mindestens zwei unterschiedlichen Fokaldistanzen beeinflusst wird. Dies kann beispielsweise mittels einer an der Frontscheibe ausgebildeten Fresnellinse erreicht werden, wobei die Krümmungsradien der einzelnen Ringe dieser Fresnellinse alternierend den Krümmungsradien zweier sphärischer oder asphärischer Linsen mit unterschiedlichen Brennweiten entsprechen. Sinngemäss gilt dies auch für Zylinder-Fresnellinsen. Selbstverständlich kann anstelle einer Fresnellinse auch eine Doppelfokallinse vorgesehen sein, bei der die Oberfläche ringartige Strukturen mit alternierenden Krümmungsradien zweier Linsen mit unterschiedlicher Brennweite umfasst.

[0019] Alternativ oder zusätzlich können auf beiden Seiten der Frontscheibe Fresnellinsen mit unterschiedlichen Brennweiten ausgebildet sein. Es ist auch möglich, anstelle einer einzigen Frontscheibe mehrere Frontscheiben mit unterschiedlichen optischen Elementen in Bezug auf den Sendestrahl hintereinander im oder am Sensorgehäuse anzuordnen. Ebenso ist es möglich, Strukturen einer Fresnellinse auf einer der Oberflächen der Kollimatorlinse auszubilden.

[0020] Zusätzlich oder alternativ zur Ausbreitungsrichtung kann der Sendestrahl auch quer zur Ausbreitungsrichtung homogenisiert werden, insbesondere bei einer Aufweitung des Sendestrahles in einer Richtung ist es von Vorteil, in dieser Richtung eine möglichst homogene Energieverteilung über den gesamten Strahlquerschnitt zu erzeugen. Die Energieverteilung bzw. die Bestrahlungsstärke hat somit ein möglichst rechteckiges Profil. Dies kann geometrisch optisch mit normalen Zylinderlinsen, bzw. bei hoher Apertur mit asphärischen Zylinderlinsen, also mit Linsen mit nicht kreisförmigem Querschnitt, erreicht werden.

[0021] Allerdings folgt die Energieverteilung dann in Realität doch nicht einem Rechteckprofil wegen der Beugung an den Endkanten des Profils. Es entstehen Minima und Maxima mit einem sehr ausgeprägten, überhöhten Maximum an beiden Enden des Profils. Bei einem Zylinderlinsenarray kann dies deutlich reduziert und damit der Lichtstrahl homogenisiert werden. z.B. durch Linsen mit unterschiedlichen Brennweiten und/oder mit unterschiedlichen Breiten der Zylinderlinsen oder durch speziell angepassten Asphärenkonstanten.

[0022] Anhand einiger Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Dabei zeigen <tb>Fig. 1<sep>eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Reflexionslichttasters und des Strahlengangs beim Erfassen eines Objekts, <tb>Fig. 2<sep>die Wirkung einer ebenen Frontscheibe auf den Sendestrahl, <tb>Fig. 3<sep>eine perspektivische Ansicht einer strukturierten Frontscheibe, <tb>Fig. 4<sep>einen Querschnitt durch einen Teil einer Frontscheibe mit einem heissgeprägten Zylinderlinsanarray, <tb>Fig. 5<sep>die Wirkung einer Frontscheibe mit einem eingeprägten, in einer ersten Richtung ausgerichteten Zylinderlinsenarray auf den Sendestrahl, <tb>Fig. 6<sep>die Wirkung einer Frontscheibe mit einem eingeprägten, in einer zweiten Richtung ausgerichteten Zylinderlinsenarray auf den Sendestrahl, <tb>Fig. 7<sep>eine Frontscheibe mit integriertem Zylinderlinsenarray und mit einer Fresnel-Erfassungsoptik, <tb>Fig. 8a<sep>eine Vorrichtung mit einer Lichtquelle und einer Linse bzw. Kollimatorlinse zum Erzeugen eines Lichtstrahls bei einem Sensor gemäss Stand der Technik, <tb>Fig. 8b<sep>die Aufweitung eines Lichtstrahls mittels eines an der Eintrittsseite des Lichtstrahls auf einer Frontscheibe ausgebildeten Zylinderlinsenarrays, <tb>Fig. 8c<sep>die Aufweitung eines Lichtstrahls bei einer Anordnung gemäss Fig. 8b, jedoch mit auf der Austrittsseite angeordnetem Zylinderlinsenarray, <tb>Fig. 8d<sep>eine Anordnung gemäss Fig. 8b, jedoch mit einer zusätzlichen Fresneloptik oder diffraktiven optischen Elementen an der Austrittsseite der Frontscheibe zum Erhöhen des Tiefenschärfebereichs, <tb>Fig. 8e<sep>die Anordnung aus Fig. 8dmit einer zusätzlichen Front- oder Schutzscheibe, <tb>Fig. 8f<sep>die Ausbildung einer Fresneloptik zum Erweitern des Tiefenschärfebereichs an der Kollimatorlinse, <tb>Fig. 8g<sep>die Verwendung einer Doppelfokuslinse zum Erweitern des Tiefenschärfebereichs.

[0023] Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Reflexionslichttasters mit einer prinzipiellen Anordnung der optischen Elemente und dem Strahlengang bei der Erfassung eines Objekts 1. Als Lichtquelle 3 dient eine Halbleiter-Laserdiode. Das Licht der Laserdiode wird mittels einer Kollimatorblende 5 und einer sphärischen oder vorzugsweise asphärischen Linse bzw. Kollimatorlinse 7 zu einem schmalen Lichtstrahl bzw. Sendestrahl 9 gebündelt (in Fig. 1 als Pfeil dargestellt). Der Lichtstrahl tritt anschliessend durch eine Frontscheibe 11 in Richtung des zu erfassenden Objekts 1 aus dem Sensorgehäuse 12 aus. Die Frontscheibe 11 kann alternativ auch im Gehäuseinneren ausgebildet sein. In diesem Fall ist zusätzlich zur Frontscheibe 11 eine weitere Frontscheibe 11 bzw. eine Abschluss- oder Schutzscheibe vorgesehen, welche das Sensorgehäuse 12 frontseitig abschliesst (nicht dargestellt). Mindestens ein Teil des auf die Oberfläche des Objekts 1 auftreffenden Lichts wird an diesem diffus gestreut, sodass es mittels einer Erfassungslinse 13 auf einen Detektor 15 abgebildet werden kann. In Fig. 1ist dies durch einen Erfassungsstrahl 17 in Gestalt eines Pfeils dargestellt. Bei Sensoren, die nach dem Triangulationsprinzip arbeiten, wird die Lage des abgebildeten Lichtflecks auf dem Detektor 15 von einer Erfassungs- oder Auswerteelektronik 16 ausgewertet und ein dem jeweiligen Objektabstand s entsprechendes Ausgangssignal generiert. Die Erfassungselektronik 16 mit dem Detektor 15 und die Lichtquelle 3 sind vorzugsweise auf einer gemeinsamen Leiterplatte 23 mit definierter relativer Lage zueinander angeordnet. Fig. 2 zeigt, dass der Sendestrahl 9 bei einem Sensor mit einer herkömmlichen ebenen Frontscheibe 11 durch die Kollimatorlinse 7 zu einem nahezu punktförmigen Spot 8 fokussiert wird. Die Frontscheibe 11 hat praktisch keinen Einfluss auf den Sendestrahl 9.

[0024] Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung einer rechteckigen Frontscheibe 11 mit einem quadratischen Array aus 8 Zylinderlinsen 18, welche von einem unstrukturierten Rahmen 19 ummantelt sind.

[0025] Fig. 4 zeigt einen Querschnitt einer Frontscheibe 11, bei welcher zumindest im Bereich der Durchtrittsstelle des Sendestrahls 9 an der der Lichtquelle 3 zugewandten Innenseite Strukturen von optischen Elementen ausgebildet sind. Im dargestellten Beispiel umfassen die optischen Elemente ein Zylinderlinsenarray mit mehreren parallel zueinander ausgerichteten und unmittelbar aneinander angrenzenden, plan-konkaven Zylinderlinsen 18. Die Tiefe d1 der Prägung liegt im Bereich von etwa 0.001 mm bis etwa 0.3 mm, beispielsweise bei etwa 0.02 mm. Der Krümmungsradius der Linsen kann z.B. im Bereich von etwa 0.1 mm bis etwa 100 mm liegen und z.B. etwa 6 mm betragen. Die Breite b der einzelnen Zylinderlinsen 18 kann z.B. im Bereich von etwa 0.05 mm bis etwa 2 mm liegen. Die Breite b der Strukturen bzw. optischen Elemente, welche den Lichtstrahl beeinflussen, ist kleiner als der Durchmesser des Lichtstrahls, der z.B. etwa 2 mm bis etwa 4 mm betragen kann. Die Dicke d2der Frontscheibe 11 aus beispielsweise rot eingefärbtem Acrylglas kann z.B. kleiner als etwa 2 mm sein und z.B. etwa 0.5 mm betragen. Vorzugsweise werden Frontscheiben 11 aus PMMA mit einer Stärke bzw. Dicke von etwa 0.5 mm oder etwa 1 mm verwendet. Die optischen Elemente können z.B. direkt durch Heissprägen dieser Platten oder durch Aufkleben einer Folie mit heissgeprägten optischen Elementen auf diese Platten hergestellt werden. Vorzugsweise umfasst das zu prägende Material eine harte Schutzschicht, welche auch nach der Prägung einen Schutz gegen mechanische Beschädigung der geprägten Strukturen bietet. Aus diesem Grund kann sie kostengünstig auf grossflächig hergestellten Platten aufgebracht werden, die dann auf das gewünschte Format geschnitten oder gestanzt werden. Solche Schutzschichten werden z.B. zur Vergütung von Brillengläsern verwendet. Selbstverständlich sind für die zuvor angegebenen Parameter auch abweichende bzw. grössere oder kleinere Werte möglich. Bei Frontscheiben 11 mit mehreren Linsen bzw. Linsenarrays können die einzelnen Linsen identisch oder mit unterschiedlichen charakteristischen Parametern wie z.B. Linsenbreiten, Brennweiten, Asphärenkonstanten und dergleichen ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich zu Zylinderlinsen 18 können z.B. auch sphärische Linsen oder Strukturen von Fresnellinsen – insbesondere von Zylinder-Fresnellinsen – oder Prismen einzeln oder in Gruppen als ein- oder zweidimensionale Arrays an der Frontscheibe 11 ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich zur der Lichtquelle 3 zugewandten Innenseite der Frontscheibe 11 kann auch deren Aussenseite strukturiert werden. Die Frontscheibe 11 kann mehrere Schichten umfassen, wobei jeweils mindestens eine der peripheren Schichten vorzugsweise mittels einer Heissprägung bzw. unter Einwirkung von Wärme und Druck strukturiert wird. Alternativ kann eine Struktur an der Frontscheibe 11 auch in anderer Weise gebildet werden, beispielsweise indem die Frontscheibe 11 als Spritzgussteil hergestellt oder aus einem aushärtenden, für das Licht der Lichtquelle 3 transparenten Giessharz in einer Form gegossen wird, oder indem eine strukturierte Folie auf die plane Oberfläche der Frontscheibe 11 aufgeklebt wird. Als optische Elemente können auch diffraktive optische Elemente (DOE) oder Blenden- und/oder Gitterstrukturen an der Frontscheibe 11 ausgebildet werden.

[0026] Bei einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist das Sensorgehäuse 12 nach aussen hin nicht direkt durch die strukturierte Frontscheibe 11, sondern durch eine der Frontscheibe 11 vorgelagerte weitere Frontscheibe 11 bzw. Schutz- oder Abschlussscheibe abgeschlossen (keine Darstellung). Die Frontscheibe 11 befindet sich also innerhalb des Sensorgehäuses 12, welches durch die Abschlussscheibe zur Aussenwelt hin begrenzt wird.

[0027] Die Frontscheibe 11 umfasst aussen an den optischen Elementen einen zum Ausrichten und Halten bzw. Befestigen der Frontscheibe 11 am Sensorgehäuse 12 oder an anderen Teilen des Sensors ausgebildeten Rahmen 19 oder alternative Befestigungsmittel. Die Frontscheibe 11 kann z.B. im Bereich des Rahmens 19 mit einem korrespondierenden Absatz am Sensorgehäuse 12 verklebt oder mittels Laser- oder Ultraschallenergie verschweisst werden. Sie kann zum Ausrichten und/oder zum Verschweissen im Bereich des Rahmens 19 in geeigneter Weise strukturiert sein und z.B. eine oder mehrere umlaufende Rippen, Noppen, Brauen oder Nuten umfassen (nicht dargestellt). Alternativ können z.B. am Rahmen 19 Bohrungen (nicht dargestellt) zum Festschrauben der Frontscheibe 11 am Sensorgehäuse 12 ausgebildet sein. Bei einer weiteren Variante (nicht dargestellt) wird die Frontscheibe 11 mittels eines Klemmrahmens vorzugsweise dichtend am Sensorgehäuse befestigt. Die Aufnahme am Sensorgehäuse 12 und die Frontscheibe 11 sind vorzugsweise so aufeinander abgestimmt, dass die Frontscheibe 11 formschlüssig oder in einer definierten Lage am Sensorgehäuse 12 befestigt werden kann. Zum definierten Ausrichten können auch miteinander korrespondierende vorstehende bzw. vertiefte Strukturen am Sensorgehäuse 12 und an der Frontscheibe 11 verwendet werden (nicht dargestellt). Falls keine Abschlussscheibe vorgesehen ist, bildet die Frontscheibe 11 den frontseitigen Abschluss einer Durchtrittsöffnung im Sensorgehäuse 12.

[0028] Die optischen Elemente an der Frontscheibe 11 sind dazu ausgebildet, die Geometrie bzw. die Querschnittsform des Sendestrahls 9 zu verändern. Mit dem in den Fig. 3bis 6dargestellten Zylinderlinsenarray kann der Sendestrahl 9 in einer Richtung quer zu den Achsen der Zylinderlinsen 18 aufgeweitet werden, sodass auf der Oberfläche eines Objekts 1 im Fokalbereich anstelle eines punktförmigen Spots 8 eine Linie 10 entsteht. Wie aus den Fig. 5und 6ersichtlich, erfolgt die Aufweitung des Sendestrahls 9 jeweils orthogonal zur Richtung der Achsen der Zylinderlinsen 18. Die Linie 10 wird durch die Erfassungslinse 13 auf den Detektor 15 abgebildet. Die Erfassungslinse 13 kann z.B. als sphärische, asphärische oder zylindrische Sammellinse ausgebildet sein, welche zwischen der Frontscheibe 11 und dem Detektor 15 am Sensorgehäuse 12 gehalten ist. Alternativ oder zusätzlich können optische Elemente zum Abbilden des durch den Sendestrahl 9 auf der Oberfläche des Objekts 1 gebildeten punkt- oder linienartigen Lichtflecks auf den Detektor 15 auch an der Frontscheibe 11 ausgebildet sein. Derartige optische Elemente werden vom Begriff «Erfassungslinse 13» mit umfasst. Fig. 7 zeigt eine Frontscheibe 11 mit einem integrierten Zylinderlinsenarray und mit einer daneben angeordneten Fresnel-Erfassungslinse 13. Durch die Integration der Erfassungslinse 13 in die Frontscheibe kann der Aufbau des Sensors weiter vereinfacht und die Baugrösse des Sensors weiter verkleinert werden. Die Erfassungslinse 13 ist vorzugsweise so ausgebildet und im Sensorgehäuse 12 angeordnet, dass der Lichtfleck in Abhängigkeit des Objektabstandes s (Fig. 1) in unterschiedlicher Weise auf das oder die lichtempfindlichen Detektorelemente abgebildet wird. Je nach Ausgestaltung der Erfassungslinse 13 wird der Lichtfleck massstäblich oder verzerrt auf den Detektor 15 abgebildet. Insbesondere bei Sensoren mit sehr kleinen Bauformen kann mittels der Erfassungslinse 13 in der Frontscheibe 11 der Linsendurchmesser bei gleicher Apertur erhöht werden. Dadurch hat der Sensor eine grössere Empfangsfläche und wird empfindlicher. Eine gute Lösung in dieser Hinsicht ist auch eine Kombination einer Erfassungslinse 13 mit mittlerer Brennweite und eine weitere konventionelle Linse (nicht gezeichnet) hinter dieser Linse 13 zur Verkleinerung der effektiven Brennweite. Dabei kann es auch vorteilhaft sein, die Fokussierung längs und quer zur Frontscheibe 11 aufzuteilen, also zum Beispiel die Fokussierung quer zur Scheibe mit einer Fresnel-Zylinderlinse und die Fokussierung längs zur Scheibe von einer zweiten Linse dahinter zu übernehmen. Diese zweite Linse könnte eine konventionelle Zylinderlinse 18, eine Fresnellinse, ein DOE oder sogar eine normale sphärische oder asphärische Linse sein. Die Aufweitung des Sendestrahls 9 in einer oder zwei Dimensionen wirkt sich in unterschiedlichen Situationen vorteilhaft aus:

[0029] Bei Kanten oder schmalen Objekten 1, die mit einem in Richtung dieser Kanten aufgeweiteten Sendestrahl 9 angeleuchtet werden, kann der Signalhub am Detektor 15 wesentlich erhöht werden, sodass auch sehr dünne Objekte noch zuverlässig erfasst werden können. Weiter wird die Kantenerkennung bei leichten Kantenrauigkeiten massiv verbessert, da die Aufweitung des Sendestrahls 9 entlang der Kante zu einer Mittelung der Kantenrauigkeiten führt.

[0030] Bei Kanten oder schmalen Objekten, die quer zur Aufweitungsrichtung des Sendestrahls 9 orientiert sind, ist eine zuverlässige Objekterfassung nicht nur an einer Stelle sondern im gesamten Bereich des aufgeweiteten Sendestrahls 9 möglich.

[0031] Analog dazu können bei einer flächigen bzw. zweidimensionalen Strahlaufweitung auch sehr kleine Objekte noch zuverlässig erfasst werden. Fig. 8azeigt schematisch die dem Stand der Technik entsprechende Beeinflussung des von der Lichtquelle 3 emittierten Lichts durch die Kollimatorlinse 7. Bei Fig. 8bist ein Array aus plan-konkaven Zylinderlinsen 18 mit orthogonal zur Zeichenebene ausgerichteten Zylinderachsen in den Sendestrahl eingefügt, wodurch der Sendestrahl 9 in der Zeichenebene orthogonal zur optischen Achse aufgeweitet wird. Das Zylinderlinsenarray ist an der Eintrittsseite des Lichts der Lichtquelle 3 ausgebildet. Im Beispiel von Fig. 8c ist das Zylinderlinsenarray auf der Austrittsseite des Lichts ausgebildet. Die Fig. 8dbis 8g zeigen mögliche Anordnungen, bei denen Mittel zum Erhöhen des Tiefenschärfebereichs des Sensors bzw. Mittel zum Homogenisieren des Sendestrahls vorgesehen sind. Im Beispiel von Fig. 8d ist an der Innenseite der Frontscheibe 11 ein Zylinderlinsenarray oder eine Zylinder-Fresnellinse oder DOE ausgebildet. An der gegenüberliegenden Aussenseite ist eine Fresnellinse 21 in die Frontscheibe 11 integriert. Diese Fresnellinse 21 ist eine Kombination aus zwei Fresnellinsen 21 mit unterschiedlichen Brennweiten, wobei die aneinandergefügten Ringelemente alternierend die jeweiligen Krümmungsradien der einen und der anderen Fresnellinse 21 aufweisen. Auf der Oberfläche eines Objekts 1, welches sich in einem der Fokalbereiche der beiden kombinierten Fresnellinsen 21 befindet, ist somit eine scharfe Linie 10 bzw. Linie 10 ́ als Spotabbild sichtbar. Der Laserstrahl hat in diesem Bereich eine verlängerte Strahltaille. Es können auch Elemente von mehr als zwei Fresnellinsen 21 oder mehrere nebeneinander angeordnete Mikrolinsen mit unterschiedlichen Fokaldistanzen verwendet werden, um die Tiefenschärfe zu erhöhen.

[0032] Bei Fig. 8e ist zusätzlich eine weitere Frontscheibe 11 bzw. Schutzscheibe vorgesehen. Bei Fig. 8f ist eine bifokale Fresnellinse 21 auf einer der Oberflächen der Kollimatorlinse 7 ausgebildet. Fig. 8gzeigt eine Anordnung mit einer Doppelfokuslinse 22. Es können auch Abschnitte mehrerer Linsen mit unterschiedlichen Fokaldistanzen miteinander zu einer Multifokuslinse kombiniert werden.

[0033] Bei einer weiteren Ausgestaltung können Fresnellinsen 21 und/oder Mikrolinsen mit unterschiedlichen Fokaldistanzen auf beiden Seiten einer Frontscheibe 11 ausgebildet sein. Alternativ zu Linsen oder Linsenabschnitten können auch entsprechende diffraktive optische Elemente (DOE) an der oder den Frontscheiben 11 ausgebildet sein.

[0034] Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt zusätzlich oder alternativ eine Homogenisierung des Lichtstrahlprofils. An der Frontscheibe 11 können beispielsweise zwölf aneinander gereihte Zylinderlinsen 18 mit einer Breite b von je 0.5 mm, einer Länge von je etwa 6 mm und einem Krümmungsradius von beispielsweise –2.2 mm ausgebildet sein. Mit diesem Array kann in der Fokaldistanz von etwa 100 mm eine Laserlinie 10 mit einer Länge von etwa 10 mm erzeugt werden. Aufgrund von Beugungseffekten sind an den Endpunkten der Linie 10 überhöhte Maxima sichtbar.

[0035] Diese Stellen mit überhöhter Bestrahlungsstärke können z.B. durch unterschiedliche Ausbildung der aneinander gereihten Zylinderlinsen 18 reduziert oder verhindert werden. Dabei werden abwechslungsweise Zylinderlinsen 18 mit zwei verschiedenen Brennweiten und/oder verschiedenen Breiten b (Fig. 4) verwendet. Die erste dieser Brennweiten beträgt beispielsweise 1 mm. Die zweite Brennweite ist etwa 14% bis etwa 25% grösser oder kleiner als die erste Brennweite. Der Unterscheidungsfaktor kann also beispielsweise 1.17 betragen. Im vorliegenden Beispiel können Maxima der Bestrahlungsstärke durch alternierende Krümmungsradien mit Werten von etwa –2.2 mm und –1.88 mm weitgehend reduziert werden, sodass der Laserstrahl eine gleichmässigere Energieverteilung aufweist. In analoger Weise können auch alternierend Linsen mit Breiten b von etwa 0.5 mm und etwa um 14% bis etwa 25% vergrösserter oder verkleinerter Breite b verwendet werden.

[0036] Zum Homogenisieren des Lichtstrahls können alternativ auch zwölf Einzellinsen mit einem asphärischen Profil verwendet werden. Die Krümmungsradien sind dann etwa –2.4 mm und die Asphärenkonstanten betragen für y^4: –0.5; y^6: 5; y^8: –20; y^10: –50.

[0037] Die erfindungsgemässen Merkmale betreffend die Homogenisierung des Lichtstrahls sowie die Ausbildung optischer Elemente an einer Frontscheibe 11 können unabhängig voneinander oder in Verbindung miteinander zur Optimierung eines optischen Sensors verwendet werden. Zylinderlinsen 18 können auch in Richtung der Zylinderachsen eine minimale Krümmung bzw. Wölbung aufweisen. Sie haben dann quer zur Aufweitungsrichtung ebenfalls eine leichte Linsenwirkung mit einer Brennweite von z.B. 100 mm.

[0038] Die Wirkung eines Sensors kann bei dessen Herstellung allein durch die Wahl unterschiedlicher Frontscheiben 11 festgelegt werden, wobei diese mit oder ohne optische Elemente ausgebildet sein können. Insbesondere ist es möglich, z.B. für Testzwecke oder Kleinserien allein durch Anpassung der Frontscheibe 11 mit den optischen Elementen unterschiedliche Sensoreigenschaften zu definieren. Bei der Auswertung flächiger Lichtbereiche beim Detektor 15 können verschiedene Verfahren wie z.B. Ermittlung des Schwerpunktes der Lichtverteilung, zeitliche und/oder räumliche Integration des Lichts an einem oder mehreren Sensorelementen, Differenzbildung der Lichtintensität zwischen verschiedenen Detektorelementen und dergleichen verwendet werden.

Claims (8)

1. Optischer Sensor mit einer in einem Sensorgehäuse (12) angeordneten Lichtquelle (3) und mit einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Lichtstrahls (9) mit Licht der Lichtquelle (3), gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Homogenisieren des Lichtstrahls (9).

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl durch mehrere fokussierende refraktive oder diffraktive optische Elemente mit unterschiedlichen Fokalweiten beeinflussbar ist.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente als Fresnellinsen (21) oder als kombinierte Fresnellinsen (21) an einer Frontscheibe (11) oder an einer Kollimatorlinse (7) ausgebildet sind.

4. Optischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente Abschnitte einer Multifokuslinse sind.

5. Optischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente aneinander gereihte Linsen oder Mikrolinsen sind.

6. Optischer Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente Zylinderlinsen (18) mit gleicher oder unterschiedlicher Breite b und/oder mit gleicher oder unterschiedlicher Brennweite sind.

7. Verfahren zum Homogenisieren eines Lichtstrahls (9) bei einem optischen Sensor gemäss einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefenschärfe erhöht wird, indem der Lichtstrahl (9) durch mehrere der optischen Elemente mit unterschiedlichen Fokalweiten beeinflusst wird.

8. Verfahren zum Homogenisieren eines Lichtstrahls (9) bei einem optischen Sensor gemäss einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beugungsmaxima des Lichtstrahls (9) durch unterschiedliche Breiten b und/oder Brennweiten der optischen Elemente oder aufgrund von geeigneten Asphärenkonstanten der optischen Elemente minimiert werden.